某項目地面不均勻沉降原因分析

張向華

（廣東省地質局第六地質大隊，廣東江門529040）

某項目地面不均勻沉降原因分析

張向華*

（廣東省地質局第六地質大隊，廣東江門529040）

根據某工程項目的現狀、巖土工程地質條件及實際觀測結果，通過對施工影響區域場地沉降的多種原因分析，并依次計算地下水位下降、建筑物設計與施工不當產生地差異沉降、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，從而為預防類似項目地面沉降及工程項目的設計、治理提供重要依據。

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境生態建設，并在多市開展工程建設，規模較大。珠三角多為沖淤積地區，淤泥等軟土廣泛分布，屬地面沉降的易發區。淤泥含水量大、承載力低，尚未完成自重固結。在工程建設過程中，發現不少工程施工階段或工后階段時會產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，嚴重的甚至會引起較多沉降賠償等問題。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防及治理措施，對工程建設有極其重要的意義。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不同程度的下沉，具體的表現為建筑物圍墻與地面的脫節、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,后經回填推平，地形平整。根據鉆探取樣分析，場地巖土層在勘察控制深度以內可劃分如下：

（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，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：全風化粉砂質泥巖（K1）：淺紫紅色，殘余泥質—砂質結構，層狀結構，巖石風化成土狀；稍濕，堅硬。屬低壓縮性土。

第④2層：強風化粉砂質泥巖（K1）：淺紫紅色，巖石強烈風化成半土半巖狀，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，巖體基本質量等級為Ⅴ級，厚5.00～13.00m。屬低壓縮性土。

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

場地內巖土層物理力學參數詳見表1。

3 沉降原因分析

本場地屬深厚軟弱區，淤泥質土具高壓縮性、低承載力、高靈敏度及蠕變性特點，是地面沉降的高發區。在施工過程中，建設單位接報，沿線附近的民宅及場地地面均出現一定的沉降。為查明分析施工的產生沉降范圍及大小，特布設的典型沉降觀測剖面，并結合理論研究開展分析。

經過現場調查研究，發現本造成本區沉降的附加應力的主要原因可能有：①地下水位的一段時間的持續下降造成淤泥等軟土層的固結，也會造成相應的沉降。②建鄰近后建建筑物對先建建筑物的產生的差異性沉降，又或者建筑物由于設計與施工不當產生的差異性沉降。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、重型堆載物等產生的附加應力沉降。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地段的沉降。現逐一分析如下：

表1 場地內巖土層物理力學參數一覽表

3.1 地下水位沉降分析

地下水位的一段時間的持續下降造成淤泥等軟土層的固結，也會造成相應的沉降。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生新的附加應力，隨著時間的推移，軟土層就開始固結，易產生地面沉降。

根據施工資料，地面沉降量計算按照《工程地質手冊》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 建筑物由于設計與施工不當的產生的差異性沉降分析

建筑物的不均勻沉降造成基底和結構受力差異建筑物通過基礎把上部荷載傳遞給地基，在基底土層上產生附加應力，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定。如果因某些原因，地基下局部發生剪切、下沉、滑移等，破壞了局部的平衡，基礎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，從而導致建筑物出現沉降差或傾斜，結構內部也出現附加應力，造成結構主體開裂或破壞。建筑物不均勻沉降引起的墻體開裂，系結構性破壞裂縫，輕則影響建筑物美觀，重則墻體滲水、灌風，甚至出現倒塌事故。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，導致不均勻沉降。地基中后建的建筑物附加應力在先建的建筑物擴散后重疊，也會產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、重型堆載物等產生的附加應力沉降分析

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生影響。當交通動荷載較小且循環作用次數較少時，地基土體呈現擬靜態彈性體特征。動荷載作用下軟粘土塑性變形的產生一般有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，孔隙水一時來不及排除，有效應力全部由土骨架承擔，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，但土顆粒已出現不可恢復的殘余變形，在土顆粒變形的同時孔隙水壓力不斷提高，相當于固結不排水過程；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，相當于固結排水過程。

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變引起的變形和孔隙水壓力消散產生的固結變形兩部分。當動荷載較大且循環作用次數較大時，這兩部分塑性變形將不斷累積，最終形成循環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地段的擾動沉降原因分析

頂管施工過程中產生地面變形的主要原因是頂管施工對土體產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，當支護壓力大于土的被動土壓力時，產生擠土作用，掘進機前方土體要向兩側及前部擠壓，支護壓力過大能夠引起土體的豎向位移和水平位移。

（2）掘進機以及后續管道與土體的摩擦力引起的土體變形：掘進機頂進工程當中，掘進機及后續管節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中掘進機和后續管節與土體之間的摩擦力，常常采用注漿減摩技術，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，頂管兩側變形逐漸變小，呈正態分布。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為擾動區半徑，經很多工程的驗算一般為頂管直徑（D）。根據設計資料可知：地面標高為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，其管底附加應力的為污水管重量+滿管的徑流重量-污水管徑內淤泥的重量，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）通過分析本區沉降的形成原因，并計算了地下水位沉降、建筑物由于設計與施工不當的產生的差異性沉降、場區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。沉降量大小為場區道路動荷載作用沉降?建筑物由于設計與施工不當的產生的差異性沉降＞頂管恒載的沉降量＞地下水位沉降。所以場區道路動荷載作用是本管線施工周邊區域最主要的沉降因素，其次為建筑物由于設計與施工不當的產生的差異性沉降，而頂管恒載與地下水位下降是次要的沉降要素。從而為設計及施工采取相應的預防措施提供了依據，取得較明顯的社會效益。

5 結束語

地面沉降分析方法很多，本工程采用地下水位沉降分析、建筑物設計與施工不當產生地面差異沉降分析、附加應力分析、施工擾動沉降分析，化繁為簡，說明傳統的地面沉降分析手段是十分重要，同時也為當地類似的地面沉降分析提供了很好的參考經驗。

[1]巖土工程勘察規范[S].中國建筑工業出版社，2009.

[2]建筑地基基礎設計規范[S].中國建筑工業出版社，2011.

[3]建筑地基處理技術規范[S].中國建筑工業出版社，2002.

[4]工程地質手冊[S].中國建筑工業出版社，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，現從事巖土工程及水工環地質工作。