某項目地面不均勻沉降原因分析

張向華

（廣東省地質(zhì)局第六地質(zhì)大隊，廣東江門529040）

某項目地面不均勻沉降原因分析

張向華*

（廣東省地質(zhì)局第六地質(zhì)大隊，廣東江門529040）

根據(jù)某工程項目的現(xiàn)狀、巖土工程地質(zhì)條件及實際觀測結(jié)果，通過對施工影響區(qū)域場地沉降的多種原因分析，并依次計算地下水位下降、建筑物設(shè)計與施工不當(dāng)產(chǎn)生地差異沉降、路面動荷載、施工擾動對地面造成的沉降量，并結(jié)合實際沉降觀測資料，得出地面不均勻沉降的主要原因，從而為預(yù)防類似項目地面沉降及工程項目的設(shè)計、治理提供重要依據(jù)。

地面沉降；原因分析；沉降量

1 概述

近年來，廣東省的珠三角洲城市群十分重視環(huán)境生態(tài)建設(shè)，并在多市開展工程建設(shè)，規(guī)模較大。珠三角多為沖淤積地區(qū)，淤泥等軟土廣泛分布，屬地面沉降的易發(fā)區(qū)。淤泥含水量大、承載力低，尚未完成自重固結(jié)。在工程建設(shè)過程中，發(fā)現(xiàn)不少工程施工階段或工后階段時會產(chǎn)生較大的不均勻沉降，從而影響周邊建筑與道路的正常使用，嚴(yán)重的甚至?xí)疠^多沉降賠償?shù)葐栴}。但影響地面沉降的原因較多，分清主次，從而采取針對性的預(yù)防及治理措施，對工程建設(shè)有極其重要的意義。下面以江門某項目施工工地為例，展開研究。

2 場地巖土工程地質(zhì)條件

某路段長720m，寬約50m。在進行道路及市政施工期間地面出現(xiàn)不同程度的下沉，具體的表現(xiàn)為建筑物圍墻與地面的脫節(jié)、路面沉降等。擬建場地屬珠江三角洲西江流域沖淤積地帶，場地原屬魚塘、耕地,后經(jīng)回填推平，地形平整。根據(jù)鉆探取樣分析，場地巖土層在勘察控制深度以內(nèi)可劃分如下：

（1）人工填土（Qml）：厚度1.40～2.30m，為近期人工填土，成份主要為粉質(zhì)粘土及含中粗砂、碎石、磚塊，濕，黃色，飽和，呈松散狀，尚未完成固結(jié)，遍布全場，屬高壓縮性土。

（2）第四系淤積土層（Qmc）：灰黑色，飽和，呈流塑狀，含腐植質(zhì)及粉砂，局部夾薄層狀粉細砂，遍布全場，厚度6.00～15.90m，屬高壓縮性土。

（3）第③層：粉質(zhì)粘土（Qmc）：黃褐色，稍濕，呈硬塑狀，成分主要為粉粒及粘粒，含少量石英質(zhì)砂粒，有粘性，厚度3.50～6.20m，屬中等壓縮性土。

（4）白堊系基巖（K）：

第④1層：全風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖（K1）：淺紫紅色，殘余泥質(zhì)—砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀結(jié)構(gòu)，巖石風(fēng)化成土狀；稍濕，堅硬。屬低壓縮性土。

第④2層：強風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖（K1）：淺紫紅色，巖石強烈風(fēng)化成半土半巖狀，手捏易碎，遇水易軟化，崩解；巖石堅硬程度等級屬極軟巖，巖體完整程度屬極破碎，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ級，厚5.00～13.00m。屬低壓縮性土。

第④3層：中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖（E1）：淺紫紅色，局部為灰黃色，原巖結(jié)構(gòu)清淅，粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，巖石呈短柱狀，錘擊聲不清脆，易擊碎，主要節(jié)長8～13cm。巖石堅硬程度等級屬軟巖，巖體完整程度屬較破碎，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅳ級，鉆孔控制厚1.10～4.70m。

場地內(nèi)巖土層物理力學(xué)參數(shù)詳見表1。

3 沉降原因分析

本場地屬深厚軟弱區(qū)，淤泥質(zhì)土具高壓縮性、低承載力、高靈敏度及蠕變性特點，是地面沉降的高發(fā)區(qū)。在施工過程中，建設(shè)單位接報，沿線附近的民宅及場地地面均出現(xiàn)一定的沉降。為查明分析施工的產(chǎn)生沉降范圍及大小，特布設(shè)的典型沉降觀測剖面，并結(jié)合理論研究開展分析。

經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)本造成本區(qū)沉降的附加應(yīng)力的主要原因可能有：①地下水位的一段時間的持續(xù)下降造成淤泥等軟土層的固結(jié)，也會造成相應(yīng)的沉降。②建鄰近后建建筑物對先建建筑物的產(chǎn)生的差異性沉降，又或者建筑物由于設(shè)計與施工不當(dāng)產(chǎn)生的差異性沉降。③汽車等道路上的挖掘機、重型運輸車、混凝土攪拌車的動荷載、重型堆載物等產(chǎn)生的附加應(yīng)力沉降。④污水管線施工時，施工對土層的擾動、大量排水也會造成相應(yīng)地段的沉降?，F(xiàn)逐一分析如下：

表1 場地內(nèi)巖土層物理力學(xué)參數(shù)一覽表

3.1 地下水位沉降分析

地下水位的一段時間的持續(xù)下降造成淤泥等軟土層的固結(jié)，也會造成相應(yīng)的沉降。在抽水過程中，隨著地下水位降低，水對上覆蓋層的浮托力減小，水力坡度增大，水流速度加快。由于地下水位下降會使土層產(chǎn)生新的附加應(yīng)力，隨著時間的推移，軟土層就開始固結(jié)，易產(chǎn)生地面沉降。

根據(jù)施工資料，地面沉降量計算按照《工程地質(zhì)手冊》中要求進行，采有分層總和法,地面沉降量估算公式為：

粘性土及粉土：S∞=Δp·H·αv/（1+e0）

砂層的計算公式為：S∞=Δp·H·/E

3.2 建筑物由于設(shè)計與施工不當(dāng)?shù)漠a(chǎn)生的差異性沉降分析

建筑物的不均勻沉降造成基底和結(jié)構(gòu)受力差異建筑物通過基礎(chǔ)把上部荷載傳遞給地基，在基底土層上產(chǎn)生附加應(yīng)力，同時地基土的承載力則與上部傳來的荷載保持著平衡，這樣才保證了建筑物的平衡和穩(wěn)定。如果因某些原因，地基下局部發(fā)生剪切、下沉、滑移等，破壞了局部的平衡，基礎(chǔ)與地基土形成松散接觸或不接觸，整個建筑物底面處于不均勻支撐狀態(tài)，從而導(dǎo)致建筑物出現(xiàn)沉降差或傾斜，結(jié)構(gòu)內(nèi)部也出現(xiàn)附加應(yīng)力，造成結(jié)構(gòu)主體開裂或破壞。建筑物不均勻沉降引起的墻體開裂，系結(jié)構(gòu)性破壞裂縫，輕則影響建筑物美觀，重則墻體滲水、灌風(fēng)，甚至出現(xiàn)倒塌事故。樁基下臥軟弱層的沉降計算點最終沉降量可按下式計算：

樁基下臥軟弱層的沉降計算點最終沉降量為57.1mm，這也可能使建筑物產(chǎn)生不均勻沉降。又或者樁長不足，未嵌入較緊硬巖土層，樁的承載力不足，導(dǎo)致不均勻沉降。地基中后建的建筑物附加應(yīng)力在先建的建筑物擴散后重疊，也會產(chǎn)生一定的不均勻沉降。

3.3 汽車等道路上的挖掘機、重型運輸車、混凝土攪拌車的動荷載、重型堆載物等產(chǎn)生的附加應(yīng)力沉降分析

在交通動荷載作用下，軟粘土變形可分為彈性變形和塑性變形，其中彈性變形不會對地基的工后沉降產(chǎn)生影響。當(dāng)交通動荷載較小且循環(huán)作用次數(shù)較少時，地基土體呈現(xiàn)擬靜態(tài)彈性體特征。動荷載作用下軟粘土塑性變形的產(chǎn)生一般有2個過程：一是形變，即動荷載通過的初始(加載)，軟粘土由于其低滲透性基本處于不排水或很少排水狀態(tài)，孔隙水一時來不及排除，有效應(yīng)力全部由土骨架承擔(dān)，從而引起土顆粒間的相對錯動和滑移形成新的排列，盡管土體體積沒變，但土顆粒已出現(xiàn)不可恢復(fù)的殘余變形，在土顆粒變形的同時孔隙水壓力不斷提高，相當(dāng)于固結(jié)不排水過程；二是體變，即隨著列車動荷載的遠去(卸載)，累積的孔隙水壓力逐漸消散，土體體積變形持續(xù)，相當(dāng)于固結(jié)排水過程。

動荷載作用下軟土地基的塑性變形主要包括土體不排水殘余應(yīng)變引起的變形和孔隙水壓力消散產(chǎn)生的固結(jié)變形兩部分。當(dāng)動荷載較大且循環(huán)作用次數(shù)較大時，這兩部分塑性變形將不斷累積，最終形成循環(huán)動荷載作用下軟土地基的長期沉降。本次沉降計算公式如下：

具體結(jié)果見表2。

表2 道路最終沉降量計算一覽表

道路最終沉降量為400.15～434.30mm,沉降量相對較大。

3.4 污水管線施工時，頂管機的施工荷載造成相應(yīng)地段的擾動沉降原因分析

頂管施工過程中產(chǎn)生地面變形的主要原因是頂管施工對土體產(chǎn)生的擾動和土體損失，主要影響因素有：

（1）開挖面支護壓力大小的影響：由于頂管施工引起的擠土效應(yīng)，當(dāng)支護壓力大于土的被動土壓力時，產(chǎn)生擠土作用，掘進機前方土體要向兩側(cè)及前部擠壓，支護壓力過大能夠引起土體的豎向位移和水平位移。

（2）掘進機以及后續(xù)管道與土體的摩擦力引起的土體變形：掘進機頂進工程當(dāng)中，掘進機及后續(xù)管節(jié)與土體之間有摩擦作用且摩擦力非常大，能夠引起土體的水平位移。

（3）注漿壓力引起的土體位移：為了減小頂管頂進過程當(dāng)中掘進機和后續(xù)管節(jié)與土體之間的摩擦力，常常采用注漿減摩技術(shù)，使管道和土體之間存在一層漿液，漿液與土體之間存在一定的壓力作用，勢必引起徑向的土體位移，但此位移一般較小。

頂管施工的沉降特征分析：

由很多工程的實測資料及理論分析可知，頂管施工造成的沉降均為一個槽形，又名沉降槽，它以頂管為中心，沉降量最大，頂管兩側(cè)變形逐漸變小，呈正態(tài)分布。沉降槽的邊緣點到軸線估算范圍一般來講為：H+ R，H為頂管底部埋深，R為擾動區(qū)半徑，經(jīng)很多工程的驗算一般為頂管直徑（D）。根據(jù)設(shè)計資料可知：地面標(biāo)高為2.2～2.5m，頂管直徑為1.2m，所以沉降槽的邊緣點到軸線的水平距離為9.25～10.30m。對地段進行沉降觀測分析，施工階段的觀測點累計沉降量最大范圍為8mm，最小為3mm。實測沉降的量并不大，污水管線距離建筑物為9.9～11.70m，已超出沉降槽的范圍。頂管恒載引起的沉降分析：頂管的恒載也會引起一定范圍的沉降，污水管管徑1.2m，埋藏深度3.2～4.2m，管線采用土壓平衡法施工，其管底附加應(yīng)力的為污水管重量+滿管的徑流重量-污水管徑內(nèi)淤泥的重量，具體的計算過程見表3。

表3 頂管的恒載最終沉降量計算表

由表3可以看出，管線造成的最終沉降量為19.11～25.85mm，與動荷載的比值為0.05～0.06。這也說明管線恒載造成的沉降并不大。

4 主因分析

（1）通過分析本區(qū)沉降的形成原因，并計算了地下水位沉降、建筑物由于設(shè)計與施工不當(dāng)?shù)漠a(chǎn)生的差異性沉降、場區(qū)道路動荷載作用沉降、頂管恒載的沉降量分別為7.58～22.13mm、57.1mm、400.15～434.30mm、19.11～25.85mm。沉降量大小為場區(qū)道路動荷載作用沉降?建筑物由于設(shè)計與施工不當(dāng)?shù)漠a(chǎn)生的差異性沉降＞頂管恒載的沉降量＞地下水位沉降。所以場區(qū)道路動荷載作用是本管線施工周邊區(qū)域最主要的沉降因素，其次為建筑物由于設(shè)計與施工不當(dāng)?shù)漠a(chǎn)生的差異性沉降，而頂管恒載與地下水位下降是次要的沉降要素。從而為設(shè)計及施工采取相應(yīng)的預(yù)防措施提供了依據(jù)，取得較明顯的社會效益。

5 結(jié)束語

地面沉降分析方法很多，本工程采用地下水位沉降分析、建筑物設(shè)計與施工不當(dāng)產(chǎn)生地面差異沉降分析、附加應(yīng)力分析、施工擾動沉降分析，化繁為簡，說明傳統(tǒng)的地面沉降分析手段是十分重要，同時也為當(dāng)?shù)仡愃频牡孛娉两捣治鎏峁┝撕芎玫膮⒖冀?jīng)驗。

[1]巖土工程勘察規(guī)范[S].中國建筑工業(yè)出版社，2009.

[2]建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[3]建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].中國建筑工業(yè)出版社，2002.

[4]工程地質(zhì)手冊[S].中國建筑工業(yè)出版社，2003.

P642.26

A

1004-5716(2015)09-0007-04

2014-09-10

2014-09-22

張向華（1972-），男（漢族），廣東陽春人，工程師，現(xiàn)從事巖土工程及水工環(huán)地質(zhì)工作。