某项目地面不均匀沉降原因分析

2015-12-17张向华

西部探矿工程 2015年9期

关键词：顶管土层土体

张向华

（广东省地质局第六地质大队，广东江门529040）

某项目地面不均匀沉降原因分析

张向华*

（广东省地质局第六地质大队，广东江门529040）

根据某工程项目的现状、岩土工程地质条件及实际观测结果，通过对施工影响区域场地沉降的多种原因分析，并依次计算地下水位下降、建筑物设计与施工不当产生地差异沉降、路面动荷载、施工扰动对地面造成的沉降量，并结合实际沉降观测资料，得出地面不均匀沉降的主要原因，从而为预防类似项目地面沉降及工程项目的设计、治理提供重要依据。

地面沉降；原因分析；沉降量

1 概述

近年来，广东省的珠三角洲城市群十分重视环境生态建设，并在多市开展工程建设，规模较大。珠三角多为冲淤积地区，淤泥等软土广泛分布，属地面沉降的易发区。淤泥含水量大、承载力低，尚未完成自重固结。在工程建设过程中，发现不少工程施工阶段或工后阶段时会产生较大的不均匀沉降，从而影响周边建筑与道路的正常使用，严重的甚至会引起较多沉降赔偿等问题。但影响地面沉降的原因较多，分清主次，从而采取针对性的预防及治理措施，对工程建设有极其重要的意义。下面以江门某项目施工工地为例，展开研究。

2 场地岩土工程地质条件

某路段长720m，宽约50m。在进行道路及市政施工期间地面出现不同程度的下沉，具体的表现为建筑物围墙与地面的脱节、路面沉降等。拟建场地属珠江三角洲西江流域冲淤积地带，场地原属鱼塘、耕地,后经回填推平，地形平整。根据钻探取样分析，场地岩土层在勘察控制深度以内可划分如下：

（1）人工填土（Qml）：厚度1.40～2.30m，为近期人工填土，成份主要为粉质粘土及含中粗砂、碎石、砖块，湿，黄色，饱和，呈松散状，尚未完成固结，遍布全场，属高压缩性土。

（2）第四系淤积土层（Qmc）：灰黑色，饱和，呈流塑状，含腐植质及粉砂，局部夹薄层状粉细砂，遍布全场，厚度6.00～15.90m，属高压缩性土。

（3）第③层：粉质粘土（Qmc）：黄褐色，稍湿，呈硬塑状，成分主要为粉粒及粘粒，含少量石英质砂粒，有粘性，厚度3.50～6.20m，属中等压缩性土。

（4）白垩系基岩（K）：

第④1层：全风化粉砂质泥岩（K1）：浅紫红色，残余泥质—砂质结构，层状结构，岩石风化成土状；稍湿，坚硬。属低压缩性土。

第④2层：强风化粉砂质泥岩（K1）：浅紫红色，岩石强烈风化成半土半岩状，手捏易碎，遇水易软化，崩解；岩石坚硬程度等级属极软岩，岩体完整程度属极破碎，岩体基本质量等级为Ⅴ级，厚5.00～13.00m。属低压缩性土。

第④3层：中风化泥质粉砂岩（E1）：浅紫红色，局部为灰黄色，原岩结构清淅，粉砂质结构，岩石呈短柱状，锤击声不清脆，易击碎，主要节长8～13cm。岩石坚硬程度等级属软岩，岩体完整程度属较破碎，岩体基本质量等级为Ⅳ级，钻孔控制厚1.10～4.70m。

场地内岩土层物理力学参数详见表1。

3 沉降原因分析

本场地属深厚软弱区，淤泥质土具高压缩性、低承载力、高灵敏度及蠕变性特点，是地面沉降的高发区。在施工过程中，建设单位接报，沿线附近的民宅及场地地面均出现一定的沉降。为查明分析施工的产生沉降范围及大小，特布设的典型沉降观测剖面，并结合理论研究开展分析。

经过现场调查研究，发现本造成本区沉降的附加应力的主要原因可能有：①地下水位的一段时间的持续下降造成淤泥等软土层的固结，也会造成相应的沉降。②建邻近后建建筑物对先建建筑物的产生的差异性沉降，又或者建筑物由于设计与施工不当产生的差异性沉降。③汽车等道路上的挖掘机、重型运输车、混凝土搅拌车的动荷载、重型堆载物等产生的附加应力沉降。④污水管线施工时，施工对土层的扰动、大量排水也会造成相应地段的沉降。现逐一分析如下：

表1 场地内岩土层物理力学参数一览表

3.1 地下水位沉降分析

地下水位的一段时间的持续下降造成淤泥等软土层的固结，也会造成相应的沉降。在抽水过程中，随着地下水位降低，水对上覆盖层的浮托力减小，水力坡度增大，水流速度加快。由于地下水位下降会使土层产生新的附加应力，随着时间的推移，软土层就开始固结，易产生地面沉降。

根据施工资料，地面沉降量计算按照《工程地质手册》中要求进行，采有分层总和法,地面沉降量估算公式为：

粘性土及粉土：S∞=Δp·H·αv/（1+e0）

砂层的计算公式为：S∞=Δp·H·/E

3.2 建筑物由于设计与施工不当的产生的差异性沉降分析

建筑物的不均匀沉降造成基底和结构受力差异建筑物通过基础把上部荷载传递给地基，在基底土层上产生附加应力，同时地基土的承载力则与上部传来的荷载保持着平衡，这样才保证了建筑物的平衡和稳定。如果因某些原因，地基下局部发生剪切、下沉、滑移等，破坏了局部的平衡，基础与地基土形成松散接触或不接触，整个建筑物底面处于不均匀支撑状态，从而导致建筑物出现沉降差或倾斜，结构内部也出现附加应力，造成结构主体开裂或破坏。建筑物不均匀沉降引起的墙体开裂，系结构性破坏裂缝，轻则影响建筑物美观，重则墙体渗水、灌风，甚至出现倒塌事故。桩基下卧软弱层的沉降计算点最终沉降量可按下式计算：

桩基下卧软弱层的沉降计算点最终沉降量为57.1mm，这也可能使建筑物产生不均匀沉降。又或者桩长不足，未嵌入较紧硬岩土层，桩的承载力不足，导致不均匀沉降。地基中后建的建筑物附加应力在先建的建筑物扩散后重叠，也会产生一定的不均匀沉降。

3.3 汽车等道路上的挖掘机、重型运输车、混凝土搅拌车的动荷载、重型堆载物等产生的附加应力沉降分析

在交通动荷载作用下，软粘土变形可分为弹性变形和塑性变形，其中弹性变形不会对地基的工后沉降产生影响。当交通动荷载较小且循环作用次数较少时，地基土体呈现拟静态弹性体特征。动荷载作用下软粘土塑性变形的产生一般有2个过程：一是形变，即动荷载通过的初始(加载)，软粘土由于其低渗透性基本处于不排水或很少排水状态，孔隙水一时来不及排除，有效应力全部由土骨架承担，从而引起土颗粒间的相对错动和滑移形成新的排列，尽管土体体积没变，但土颗粒已出现不可恢复的残余变形，在土颗粒变形的同时孔隙水压力不断提高，相当于固结不排水过程；二是体变，即随着列车动荷载的远去(卸载)，累积的孔隙水压力逐渐消散，土体体积变形持续，相当于固结排水过程。

动荷载作用下软土地基的塑性变形主要包括土体不排水残余应变引起的变形和孔隙水压力消散产生的固结变形两部分。当动荷载较大且循环作用次数较大时，这两部分塑性变形将不断累积，最终形成循环动荷载作用下软土地基的长期沉降。本次沉降计算公式如下：

具体结果见表2。

表2 道路最终沉降量计算一览表

道路最终沉降量为400.15～434.30mm,沉降量相对较大。

3.4 污水管线施工时，顶管机的施工荷载造成相应地段的扰动沉降原因分析

顶管施工过程中产生地面变形的主要原因是顶管施工对土体产生的扰动和土体损失，主要影响因素有：

（1）开挖面支护压力大小的影响：由于顶管施工引起的挤土效应，当支护压力大于土的被动土压力时，产生挤土作用，掘进机前方土体要向两侧及前部挤压，支护压力过大能够引起土体的竖向位移和水平位移。

（2）掘进机以及后续管道与土体的摩擦力引起的土体变形：掘进机顶进工程当中，掘进机及后续管节与土体之间有摩擦作用且摩擦力非常大，能够引起土体的水平位移。

（3）注浆压力引起的土体位移：为了减小顶管顶进过程当中掘进机和后续管节与土体之间的摩擦力，常常采用注浆减摩技术，使管道和土体之间存在一层浆液，浆液与土体之间存在一定的压力作用，势必引起径向的土体位移，但此位移一般较小。

顶管施工的沉降特征分析：

由很多工程的实测资料及理论分析可知，顶管施工造成的沉降均为一个槽形，又名沉降槽，它以顶管为中心，沉降量最大，顶管两侧变形逐渐变小，呈正态分布。沉降槽的边缘点到轴线估算范围一般来讲为：H+ R，H为顶管底部埋深，R为扰动区半径，经很多工程的验算一般为顶管直径（D）。根据设计资料可知：地面标高为2.2～2.5m，顶管直径为1.2m，所以沉降槽的边缘点到轴线的水平距离为9.25～10.30m。对地段进行沉降观测分析，施工阶段的观测点累计沉降量最大范围为8mm，最小为3mm。实测沉降的量并不大，污水管线距离建筑物为9.9～11.70m，已超出沉降槽的范围。顶管恒载引起的沉降分析：顶管的恒载也会引起一定范围的沉降，污水管管径1.2m，埋藏深度3.2～4.2m，管线采用土压平衡法施工，其管底附加应力的为污水管重量+满管的径流重量-污水管径内淤泥的重量，具体的计算过程见表3。

表3 顶管的恒载最终沉降量计算表

由表3可以看出，管线造成的最终沉降量为19.11～25.85mm，与动荷载的比值为0.05～0.06。这也说明管线恒载造成的沉降并不大。

4 主因分析

（1）通过分析本区沉降的形成原因，并计算了地下水位沉降、建筑物由于设计与施工不当的产生的差异性沉降、场区道路动荷载作用沉降、顶管恒载的沉降量分别为7.58～22.13mm、57.1mm、400.15～434.30mm、19.11～25.85mm。沉降量大小为场区道路动荷载作用沉降≫建筑物由于设计与施工不当的产生的差异性沉降＞顶管恒载的沉降量＞地下水位沉降。所以场区道路动荷载作用是本管线施工周边区域最主要的沉降因素，其次为建筑物由于设计与施工不当的产生的差异性沉降，而顶管恒载与地下水位下降是次要的沉降要素。从而为设计及施工采取相应的预防措施提供了依据，取得较明显的社会效益。