武汉一级阶地基坑降水引起土层水位变化及压缩变形研究

蔡娇娇，冯晓腊,2，李滕龙，梁明志，熊宗海,2，冯静杰

(1.中国地质大学(武汉)工程学院，湖北 武汉 430074；2.武汉丰达地质工程有限公司，湖北 武汉 430074；3.广州中煤江南基础工程公司，广东 广州 510000)

随着经济发展和城市化进程的推进，大城市生存空间的需求越来越大，近年来城市建筑物和构筑物不断向着地下发展，基坑工程随之兴起。武汉市地下水丰富，尤其是长江、汉江一级阶地地区，地下水与河流水力较为密切，在基坑开挖过程中地下水控制是基坑工程的重点[1～3]。同时，基坑降水将会引起周边地下水水位的下降，而地下水水位下降往往会引起土层的变形及地面的沉降[4～6]。

一级阶地地层具有典型的二元结构[7～9]，其一般存在多种类型含水层，且各层性质不尽相同，致使其在抽水过程中渗流规律及水位变化特点各不相同。目前对于武汉长江一级阶地基坑降水引起各含水层的水位变化及降水引起的土体压缩变形规律研究较少，且多基于数值模拟的方法进行[10～12]。为了更加切实、准确的了解武汉长江一级阶地二元结构地层的水位变化及其引起的土体压缩变形特点及规律，以指导基坑降水，本文通过现场群井抽水试验观测各含水层水位变化，并在此过程中对地表及土体深层沉降进行监测，以研究基坑降水引起水位变化及土体压缩变形的规律。

1 研究区工程地质概况

武汉地处江汉平原东部、长江中游，长江及其最大支流汉江横贯市境中央，覆于其上的第四系松散堆积层受水力长期剥蚀作用，形成侵蚀区、过渡区和沉积区并存的地质地貌现象。在水流分选作用下，地层由浅部到深部沉积颗粒由细到粗，在长江及汉江两岸的一级阶地形成典型的二元结构地层。其典型地层结构分布情况，见表1。

表1 武汉一级阶地地层结构Table 1 Stratigraphic texture at the Wuhan first terrace

根据武汉一级阶地地层的岩性特征和水文地质特征，结合基坑工程特点，不考虑底部基岩裂隙水，将该场地二元结构地层概化为三层，建立该区域基坑场地岩土工程模型，见图1。

图1 武汉一级阶地地层岩土工程模型Fig.1 Model of the formation of geotechnical engineering

2 试验概况

试验区位于武汉市武胜路与中山大道交汇处某深基坑工程，属长江一级阶地，其典型工程地质剖面见图2。本试验区共有三种地下水：上层滞水、孔隙承压水、基岩裂隙水。其中上层滞水含水率较小，基岩裂隙水埋深较大，两者对基坑开挖影响不大，故降水目标层为孔隙承压水，承压水初始水位埋深8.41 m。

图2 试验区地质剖面图Fig.2 Geological profile of the test area

该场地进行抽水试验，研究武汉长江一级阶地基坑降水引起含水层的水位变化及该作用下土体压缩变形规律。在场区基坑中共设置抽水井4口，观测井5口，其中③-1层观测井1口(G1)，④-1层观测井1口(G2)，④-2层观测井3口(分别为G3、G4、G5)。浅层观测井G1用于观测上层滞水水位；中层观测井G2用于观测承压含水层上段微承压(互层土)含水层水位；深层观测井G3、G4、G5用于观测承压含水层水位(图3)。

图3 试验井及监测点平面布置图Fig.3 Layout of the test wells and monitoring points

抽水10 d，在抽水过程中分别对试验井的水位及两个地表沉降监测点和两个深层土体沉降监测点(T1、T2)不同深度土层进行分层沉降量进行监测。分层沉降监测在竖直方向上共选取5个点，其中C1位于②层顶，C2位于③层顶，C3位于④-1层顶，C4位于④-2层顶，C5位于④-3层顶。试验井及监测点平面布置如图3所示，试验井剖面结构及深层土体沉降量监测点沉降磁环剖面布置见图4。

图4 试验井及监测点剖面示意图Fig.4 Profile of the test wells and monitoring points

土体沉降监测采用分层沉降仪。分层沉降仪所用传感器是根据电磁感应原理设计，将磁感应沉降环预先通过钻孔的方式埋入地下待测各点位，当传感器通过磁感应沉降环时，产生电磁感应信号送至地表仪器显示，同时发出声光警报，读取孔口标记点对应钢尺的刻度值即为沉降环的深度。每次测量值与前次测量值相减即为该测点的沉降量。

3 试验成果及分析

3.1 含水层水位变化特征及分析

通过抽水试验过程中的水位观测，得到试验期间各试验井的水位降深随时间的变化，见图5。

在降水过程中随着抽水时间的增加，水位降深逐渐增加，且在前期水位下降速度较大，后期水位下降缓慢，且逐渐趋于稳定。其中，抽水井J1、J2、J3、J4水位降深相对较大，约为6～7 m；④-2层观测井G3、G4、G5降深次于抽水井，降深约为2～4 m，因G3、G4、G5与抽水井距离不同，其降深有所差别；③-1层观测井G1和④-1层观测井G2观测的水位变化相对较小，降深约为0.1～0.2 m。

图5 抽水试验降深-时间曲线图Fig.5 Drawdown-time curves of the pumping test

试验场地位于武汉长江一级阶地属于典型的二元结构地层，含水层从上至下分别为上层滞水、孔隙承压水、基岩裂隙水。试验中通过对不同上层滞水、承压含水层上段互层土微承压含水层及承压含水层中水位的观测，不难看出其水位变化有如下特征：

(1)上层滞水水位变化很小，水位降深很缓慢。这是由于位于填土层中的上层滞水与抽水井滤管所处的承压含水层之间存在相对隔水的黏性土，黏土层渗透性差，阻隔了两个含水层之间的水力联系，使得上层滞水不能直接快速的补给下部承压水，这也正是上层滞水之所以称为“上层滞水”的原因。

上层滞水一般水量较小，含水层不连续，且较为孤立与下部含水层联系较弱，所以在基坑工程中，一般只需通过集水明排法进行疏导，该含水层一般不会造成危害。

(2)承压含水层上段互层土微承压含水层水位变化较小。该层位于相对隔水层与高承压含水层之间，可以看作是由隔水层向含水层变化的过渡层，其属于承压含水层，却区别于下部砂层承压含水层[5]。基于其粉土、粉砂与粉质黏土互层的性质，该含水层渗透性存在明显的各向异性，其在水平方向上渗透系性很好，而在垂直方向上渗透性较差，两个方向的渗透系数相差1～2个数量级，且明显小于下伏砂土层。在抽取下层承压水时，下段承压水首先被排出，上段的承压水会在水头差的作用下向下补给，在排水过程中，由于垂向渗透性较差，垂向渗流速度减慢，导致上段微承压含水层水位下降速度滞后于下段承压水水位下降速度。该过渡层的水位下降速度及水位降深都将明显滞后于下部承压水的水位变化。

基坑开挖施工后，基坑内水位下降，将打破原有的地下水平衡，产生动水压力，水流速度增加，该层土极易产生流砂、管涌等渗流破坏。因此，在基坑降水过程中，对于过渡层微承压水的处理十分重要。

(3)承压含水层水位明显下降，不同位置下降速度不同。承压含水层下段主要为砂层，渗透系数大，当位于该层的降水井抽取地下水时，该层承压水首先被排出，表现为该层的抽水井水位明显下降。抽水后，抽水井附近水位快速下降，打破原有水力平衡，地下水流向抽水井进行补给。抽水初期，提供补给范围较小，抽水井出水速率明显大于补给速率，此时表现为该层试验井降深急剧增加，随着降水时间增加，降水漏斗范围扩大，补给量及补给速度增加，水位下降速度明显变慢，并逐渐趋于稳定。

该含水层水量大，水压高，在基坑开挖过程中可能会出现突涌、流砂、管涌等渗流破坏现象，故此在基坑开挖施工过程中需要进行降水，若基坑开挖未揭穿该承压含水层上覆相对隔水层，则以降压为目的进行降水；若基坑底位于承压含水层中，则前期降压为主，后期需进行疏干降水。

3.2 降水引起土体压缩变形及机理分析

通过抽水试验过程中地表及土体分层沉降监测，得到试验期间地表及深层土体沉降监测点各分层土体的沉降量随时间变化，见图6。

图6 监测点分层沉降监测曲线Fig.6 Layered settlement monitoring curves

根据图6中两个深层土体沉降量监测曲线可以看出，随着抽水时间的增加，各监测点的累计沉降量总体呈增加趋势。其中，分层监测点的累计沉降量由大到小分别为：位于③层顶的C2监测点>位于④-1层顶的C3监测点>位于②层顶的C1监测点>位于④-2层顶的C4监测点>位于④-3层顶的C5监测点。

地表沉降监测数据显示，抽水10 d后，T1处地表最大沉降量1.2 mm，T2处地表最大沉降量1.0 mm。各分层土体压缩量根据分层沉降仪测得的各剖面监测点的沉降量进行计算，即：

ΔSn=Sn-1-Sn

(1)

式中：ΔSn——第n个土层压缩量；

Sn——第n层土之下土层顶部的沉降量；

Sn-1——第n层土层顶部的沉降量。

统计试验期间T1、T2点地表和各分层土体压缩量见图7。

由图6可以看出，抽水试验期间，③层顶沉降量最大，地表沉降和④-3层顶沉降量均较小。土层基本以②层粉质黏土为界，②层以下土体压缩沉降，②层及其上覆土体膨胀回弹。

图7 各土层压缩量统计Fig.7 Layered compression deformation注：正值表示压缩量，负值表示膨胀量。

基坑降水对周边环境的影响主要是指降水引起的地表变形，即地面沉降。

基坑降水引起地面沉降与孔隙水压力消散引起的压密固结相关，水位的波动使得土粒间浮托力发生变化，水位的下降使得浮托力减小，依据有效应力原理：

σ=σ′+μ

(2)

式中：σ——总应力；

σ′——有效应力；

μ——孔隙水压力。

随着地下水水位降低，土层的含水量降低，孔隙水压力消散，有效应力增加，土体的孔隙比减小，土层压缩，地面发生固结沉降。

基坑降水引起地面沉降还与渗透破坏作用相关。降水引起水位下降，水力坡度增加，渗透压力随之增大，在动水压力的作用下，地下水在土体中渗流时，土颗粒可能会被带走或移动，从而发生沉降。

根据武汉长江一级阶地二元结构的岩土工程地质条件和水文地质条件，由于其各层土体的性质不同，表现出的沉降特点也不同，根据现场试验及沉降监测结果，当降水时间较短时(如本研究中降水10 d)，地层在整个降水过程中总体表现为发生向下的沉降，但从各分层土体沉降量表现出①层、②层土体出现“膨胀”的现象。该现象产生的主要原因为：

(1)①层杂填土为松散状，②层粉质黏土为可塑状，当②层土体随着其下伏土体的固结压缩发生沉降时，①层杂填土中未经历固结的松散颗粒物之间空隙增大，而位于表层的该层土体自重引起的压力较小，在无其他上覆压力作用时，无法完成压缩变形，故表现出膨胀特性。

(2)依据勘察报告及相关研究[13]对土层承载力特征值及压缩模量进行分析，由于②层黏性土强度较高，具有一定的地基承载力，而下伏③层粉砂、粉土与粉质黏土互层土承载力相对较低，在上部土体重力及荷载作用下，可能导致②层和③层土体之间产生“架空”现象。架空现象的存在使得位于③层顶的C2监测点与位于②层顶的C1监测点之间距离增大，故图7数据中表现出②层土体“膨胀”的特点。

架空效应的存在将对周边环境产生一定的不良影响和安全隐患，尤其在降雨较多或地面超载的情况下可能诱发周边环境的破坏，如道路的开裂甚至坍塌，地下管道的变形甚至破裂等。一般情况下，在抽水后，短期内土层固结尚未完成，尤其是浅部黏性土。一般位于武汉长江一级阶地地区的基坑工程在整个基坑施工开挖过程中时间较久，抽水时间较长(一般不小于3个月)，且基坑降水过程中水位降深较大，即孔隙水压力的消散较抽水试验期间要大得多，所以针对该类基坑工程，依据本次抽水试验所揭示的部分成果，②层土体最终可能会产生较大的沉降。

4 结论

根据现场抽水试验，研究了武汉长江一级阶地基坑降水引起含水层的水位变化及该作用下土体压缩变形规律，得到如下结论：

(1)在降水过程中，地下水以抽水井为中心向外，从抽水井疏干层由下至上逐渐疏干，存在水位变化的滞后现象。

(2)基坑降水引起的地面沉降与孔隙水压力消散引起的压密固结相关；还与渗透破坏作用相关。压密固结，在降水前期主要发生在承压含水层中，而此时浅部黏性土压密固结尚未完成，随着时间的增加，后期浅部黏性土可能会产生较大的沉降量；渗透破坏最可能发生在上段互层土的微承压含水层中。

(3)当降水时间较短时，地层在整个降水过程中总体表现为发生向下的沉降，但从各分层土体沉降量表现出①层、②层土体出现膨胀的现象，②层和③层土体之间产生“架空”现象。架空效应的存在对周边环境带来了不良影响和安全隐患，尤其在降雨较多或地面超载的情况下可能诱发周边环境的破坏，故在实际工程中应注意该现象的产生。

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