淺析抽水試驗引起地面沉降的效應問題

黎傳峰

【摘 要】本文通過對粘土和砂土在不同組合情況下進行抽水試驗，對土樣的沉降情況進行了觀察分析，研究了抽水引起的地面沉降問題及地面沉降的機理。

【關鍵詞】抽水試驗；地面沉降；數據；效應

1.引言

本文為了考查不同土層（粘土層和砂土層）組合下地面的不均勻沉降而做了一些實驗，在開展相關實驗的基礎上，主要采用室內試驗模擬了釋水條件下不同含水層系統(tǒng)沉降的機理、特征，并通過實驗數據的處理，得出其沉降規(guī)律并給出了分析。通過實驗過程的觀察以及實驗數據的分析，直觀形象地描述了抽水條件下地面沉降量的全過程，分析了地面沉降的機理。

通過本實驗，我們可以通過數據清楚地看出粘土在釋水情況下沉降較明顯，而砂土則不是很大。

2.實驗裝置

2.1試驗平臺介紹

試驗平臺主體采用有機玻璃材質構架。模型由固結容器、底座、測壓管、透水濾紙、溢流槽、水箱、支架、溢流管等幾部分組成。按照各部分的功能可以將整個模型劃分為：試驗模型主體、沉降量測系統(tǒng)、流量監(jiān)測系統(tǒng)、供水裝置。各部分介紹如下：

試驗模型主體：為有機玻璃圓筒，高2.10m，外徑0.40m，內徑0.38m。試驗土層分三段，下部填充反濾層，中部填充試驗用的土層，上部加水。

沉降量測系統(tǒng)：本實驗使用游標卡尺直接測量抽水條件下粘土層的沉降量，本實驗數據較難滿足一定的精確度，但是所測得數據能夠大致反映地面沉降量大小。

供水裝置：供水水槽安放在模型上方，由其向模型不間斷供水，以保證試驗過程中邊界水頭的穩(wěn)定，多余的水通過模型上的溢流口排出。

2.2實驗的前期準備

選取實驗所用的土樣、標準砂土，粘性土。在進行沉降模擬試驗之前進行：土樣采集、土樣制備。

為了模擬抽水條件下不同成層含水層的沉降機理，設置了5組實驗。第一組：含水層系統(tǒng)由砂層、砂層，粘土層組成，各層都為均質的。第二組：含水層系統(tǒng)均為砂層，各層都為均質的。第三組：含水層系統(tǒng)均為粘土層，各層都為均質的。第四組：含水層系統(tǒng)由粘土層、粘土層、砂層組成，各層都為均質的。為了更為準確的反映抽水條件下的地面沉降，還設置了一組對比試驗（非抽水即自然條件下的沉降）：第五組：含水層系統(tǒng)由砂層、砂層，粘土層組成，各層都為均質的。

2.3實驗過程

首先，取代表性的砂土、粘土，將之進行篩選和分裝，然后把土樣按設計的土層順序及土層厚度放入固結容器中，裝上支架，再通過自來水管對上部水箱供水，直至水箱注滿溢流出來，將水箱底部與固結容器相通，使之向試樣土層注水，至穩(wěn)定后觀察土層的沉降變化規(guī)律，并用游標卡尺進行測量，測量周期為每隔10、20、30、60min……1次，隨著沉降量的逐漸減小，測量周期也隨之增長。實驗期間保證有測量人員一直在容器旁邊觀測并且保證水箱為定水頭。

3.實驗數據及結果分析

本次抽水實驗持續(xù)15d，通過對實驗數據的記錄統(tǒng)計并對實驗數據處理分析可得樣品累計沉降量隨時間的變化圖（見圖1）各及樣品在實驗進行的不同時間點的沉降量變化圖（見圖2）、校正后的各樣品在實驗進行的不同時間點的沉降量變化圖（見圖3）。

由圖1、2、3可知，在連續(xù)抽水條件下，實驗前幾日各組的沉降量都較大，實驗進行后期，沉降量開始變小直至無沉降。其中，第五組對比實驗由于未進行抽水，沉降量甚微。抽水條件下的地面沉降，主要是由于土層孔隙中的水排出以后，孔隙水壓力減小造成的。根據有效應力原理σ=u+σ′，總應力不變孔隙水壓力減小則有效應力σ′增加，從而導致孔隙被壓縮造成地面沉降。隨著試驗的進行，孔隙中水的含量不斷減小，孔隙越來越小，進而沉降量也越來越小。由圖1～3可知，實驗初期沉降較明顯，沉降實驗后期，沉降量幾乎為零。由實驗數據得知，試樣中第三組含水層系統(tǒng)均為粘土層，此組總沉降量最大，而其他各組沉降量較第三組為小，總沉降量由大到小依次為：第四組、第二組、第一組、、第五組。眾所周知，粘性土的壓縮性比砂性土高，主要是由于粘性土的顆粒以細粒為主（小于0.005mm的顆粒），孔隙率較高，易于壓縮，沉降量相應較大。因而粘性土中粘粒含量的多少是粘性土層固結壓縮性大小的主要影響因素之一。實驗結果表明：在同一級壓力和初始含水率相近的條件下，粘性土層中粘粒含量越多其壓縮性也越大。相反，粘性土層中的砂粒含量越多其壓縮性則越小。

圖2反應了不同時刻實驗樣品對應的沉降量大小。由圖2知，初始實驗時，第三組沉降量隨時間變化最大，這是由于第三組全為均質粘土，壓縮系數大，沉降更容易發(fā)生，且是塑性變形，具有不可恢復性。實驗第二組沉降量則非常小，主要是由于砂粒之間骨架咬合力較大，試樣沉降量多是由于砂粒間空隙的減小使得試樣壓縮性較小。對比實驗的第五組，未進行抽水試驗，由于含水層的水為重力疏干，導致其差距較大。

在裝樣過程中，試樣沒有充分飽和且處于自然沉降狀態(tài)，在實際工程中天然土層實際上可以看成是飽和的，因此需要對試驗結果數據進行校正。將部分偏移較大的實驗數據剔除，校正后試驗結果見圖3。

4.結束語

1）抽水作用下土層的壓密。地面的沉降可以認為是荷載沉降與抽水沉降相互疊加、相互作用的一種耦合。對粘土隔水層上下方的含水層抽水，地下水位下降，土層的總應力保持不變，根據太沙基有效應力原理，飽和土層中的孔隙水壓力下降，有效應力增加，于是土層排水固結，從而造成土層壓縮，產生地面沉降。由圖2～4可以看出，不同成層土的沉降效果，隨著抽水的進行，土層厚度逐漸壓縮，由于有效應力的增加土層越來越密實。

2）抽水作用下土層的沉降。通過以上抽水實驗得出：土層的沉降主要是由于粘土的沉降引起的。實驗結束后，分別測量粘土層和砂土層的厚度，并與抽水前其厚度進行比較，得知粘土的壓縮量遠遠大于砂土，從而得出土層的沉降量大小主要受粘土層的沉降影響，砂土對沉降量的影響甚小。隨著實驗的進行，粘土層的壓縮量也越來越小，從而土層的沉降量也越來越小。

3）抽水作用下土層沉降的滯后效應。由于粘土的弱透水性，固結變形將隨時間的延續(xù)緩慢進行，從而產生地面沉降的滯后性；而砂土則沉降量較小，而且砂土的沉降是瞬時的。抽水作用下，由于土層的總應力不變，在土層有效應力減小的情況下，土層發(fā)生壓密進而固結。

4）在我們工程勘察普遍接觸到的房勘、工路、地鐵等工程勘察場地中，地基淺表部分基本都是以粘土為主，因此，在工程的開挖施工過程及其工程完工后的地面沉降問題也主要是以粘土層的防范為主。必須對粘土層特別是當地下水有所流失時粘土層的沉降、坍塌要有足夠的防范措施，以免引起嚴重事故災害。

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