城市建设与地基沉降的关系

城市建设与地基沉降的关系1.概述地面沉降是在自然和人为因素作用下,由于地壳表层土体压缩而导致区域性地面标高降低的一种环境地质现象,是一种不可补偿的永久性环境和资源损失,是地质环境系统破坏所导致的后果。地面沉降具有成生缓慢、持续时间长、影响范围广、成因机制复杂和防治难度大等特点，是一种对资源利用、环境保护、经济发展、城市建设和人民生活构成威胁的地质灾害。地面沉降是自然和人为因素共同作用下产物,主要包括以下几点：1)开发利用地下流体资源。由于抽取地下水，在许多国家和地区产生了地面沉降。20世纪20年代，我国上海、天津在市区集中开采地下水的地区发生地面沉降。华北平原地下水降落漏斗和地面沉降已经引起广泛关注。2)岩溶塌陷。中国是世界上岩溶最多的国家之一。随着岩溶地区国民经济的飞速发展，岩溶区土地资源、水资源和矿产资源开发不断增强，由此引发的岩溶塌陷问题日益突出，已成为岩溶地区主要地质灾害问题。3)开采固体矿产。矿山塌陷多分布在矿山的采空区，以采煤塌陷最为突出。中国有约20个省区发生采空塌陷，以黑龙江、山西、安徽、山东、河南等省最为严重。4)工程环境效应。密集高层建筑群等工程环境效应是近年来新的沉降制约因素，在地区城市化进程中不断显露，在部分地区的大规模城市改造建设中地面沉降效应明显。2.地面沉降现状以上海为例，自发现沉降以来至1965年，市区地面平均下沉1.76米，最大沉降量达2.63米。这主要是由于不合理开采地下水所致。20世纪60年代中期开始，经采取压缩地下水开采量，调整地下水开采层次及人工回灌等措施，实现了地面沉降的有效控制。进入20世纪90年代，随着社会经济的发展，上海市各种基础市政工程及高层建筑开始大规模建设。而在同一时期，上海地面又明显出现加速沉降现象。由于上海中心城区地下水的开采得到严格控制，而且回灌量一直大于开采量，地下水动态历年来基本保持稳定。在严格控制地下水开采的情况下，密集建筑群诱发的地面沉降已成为地面沉降的主要影响因素。3.研究进展目前国内外对密集建筑群引起的地面沉降研究较少。施伟华对一些实测资料进行了归纳、比较，论述了建设工程在地面沉降中所处的重要地位。龚士良根据近年来土层变形提出了加强设计论证、施工监理与行政监督为主的沉降控制对策。严学新、龚士良等通过对上海典型建筑密集区段进行检测分析，指出建筑荷重及其结构形式对地面沉降有明显的影响。唐益群等（2007）进行了高层建筑群对地面沉降影响的室内模型试验研究。试验研究结果表明：上海软土层是地面沉降的主要组成部分；高层建筑群工程环境效应造成的城区地面沉降的特点是距建筑物1倍基础宽度范围内的地面沉降大于建筑本身的沉降，尤以相邻建筑之间中心区域地表的沉降量最大；密集高层建筑群之间地表变形存在明显的沉降叠加效应，并使沉降量超过容许值，从而带来不稳定因素。4.城市建设影响地面沉降的表现城市建设产生地面沉降的原因虽然复杂多样,但是最初主要是由于大量开采地下水造成的,这方面造成的地面沉降也得到了极大的重视。通过对过度开采地下水引起的地面沉降的成因、机理和影响因素的研究,采取了控制地下水开采、地下水回灌等措施,基本上控制了由大量开采地下水引起的地面沉降。随着城市建设的快速发展,建筑物越来越密集,地面又出现加速沉降的现象。地面沉降与城市建设之间存在相互关系。主要特点有以下几个方面。(1)地面沉降的增长速率与新增建筑面积的增长速率存在线形关系,建筑总面积增大,地面沉降速率加快,增速越快,沉降越大。(2)建筑容积率增加,沉降加大,容积率增速越快,沉降增速越大。(3)新建建筑较原有建筑改造有更为明显的沉降效应,新开发区比旧区改造沉降效应明显。(4)集中建设较分散建设地面沉降大。5.地面沉降机理在处理沉降问题时，了解沉降的机理是至关重要的。只有清楚的了解沉降机理，才能够有针对性的对症下药。1)瞬时沉降（1）有效应力原理使用太沙基的有效应力概念，可以解释。土层的变形是由有效应力引起的，外部荷载转化为土层中有效应力，引起土的变形。（2）砂性土的压缩变形外力作用下，颗粒重新排列、滑动等使土层产生压缩变形。2)主固结沉降荷载开始主要由土中包含的水承担，随着孔隙的不断压缩，土粒间相互错动和华谊使土颗粒重新排列，外力转移到土骨架承担，从而形成土体的固结变形。3)次固结沉降土体次固结机理至今尚未统一。有专家认为主要由两部分机械作用组成：即因剪应力而产生的滞流和因静水压力而产生的体积蠕变。所有这些过程与土骨架本身性质、外载荷的大小以及图层边界条件有关。6.工程环境效应分析1)基础施工对周边环境的影响城市化进程引起的附加地面沉降是多种因素共同作用下逐渐累积起来的，引起沉降的原因包括附加荷载作用引起的沉降、工程施工引起的固结压缩、地下水位持续下降引起的沉降。（1）外荷载引起的沉降建筑物荷载随着城市建筑高层化、密集化的趋势日益明显，建筑物荷载的强度和规模都越来越大，对土层的应力状态的改变也越强。认为距建筑物1倍基础宽度范围内的地面沉降大于建筑物本身的沉降，密集高层建筑群之间地表变形存在明显的沉降叠加效应。介玉新等提出了等效影响荷载的概念，研究认为，建筑密度越大，建筑容积率越高，地面沉降越显著。此外，除了建筑物荷载外，城市路面的铺设、填土等荷载对城市沉降的影响都应当考虑。动荷载动荷载包括施工时沉桩的冲击及交通等循环荷载等。土体在循环荷载作用下的永久变形取决于冲击或循环荷载的能量。沉桩施工产生的振动影响范围一般在50m左右的地方达到环境振动标准的要求。凌建明等得到外环线某路口运营2年后的路面残余变形为90～100mm；刘明等提出地铁振动影响的压缩层大约在10m范围内。（2）工程施工引起的土体固结压缩基坑开挖上海的深基坑工程最大开挖深度已超过40m。相关资料表明，上海地基基坑开挖引起的沉降主要集中在开挖深度1～2倍的平面范围内。对于放坡开挖，边坡土体蠕变量较大，开挖深度为13m的基坑，垂直蠕变量达300mm。盾构隧道施工盾构施工引起的沉降与地质条件和盾构施工工艺相关。采用全闭胸挤压盾构推进时，盾构过后地面出现的凹坑可达1m左右；采用气压盾构或局部挤压盾构，地表沉降可控制在50mm左右；从横向变形看，盾构施工引起地表变形接近土体的破坏棱体，下沉影响范围为60～75m。基坑降水目前也有很多研究针对上海基坑降水诱发的沉降问题进行了分析。根据土质条件及井点水位下降程度，基坑降水对沉降的影响范围也不相同。依据上海井点降水施工经验，影响范围可达到30～80m。水位降深3.5m左右时，地面沉降为20～4.3地下水位持续下降引起的沉降地铁隧道渗漏引起的沉降随着隧道沉降的发展，部分区段可能会出现不均匀沉降，使得隧道产生弯曲变形，导致隧道接缝张开，渗漏加剧。有学者分析了隧道均匀渗漏状态引起的长期固结作用。郑永来等认为，当隧道渗漏速度为0.15L/m2/d时，隧道最大沉降可达220mm，而且渗漏引起沉降可能需要很长一段时间才能趋于稳定。（3）周边地区补给减少70年代以前，上海市区还可获得周边地下水的补给。1949年中心城区净开采量与郊区的开采比例约为8:1，中心城区的净开采量远大于郊区；1964年为1:0.98，基本持平；而1970年变为1:70.7，郊区成为主要的地下水开采区域。尽管市区的净开采量减小了，但近郊区的开采量增加导致周围地区向市区的补给量减小。（4）地下构筑物的挡水效应相对而言，地下工程施工期间对地下水渗流产生的影响是局部范围的，在一个较长时间内能得到缓解。而地下工程建成后对地下水的影响范围大、时间长，这种影响具有累积效应。地下构筑物的存在对地下水的影响体现在地下水位、地下水流速和地下水渗流方向的变化以及多层含水层间的越流效应。上述变化是缓慢的，可是一旦出现就会是长期的，且在短时间内难以恢复。笔者等的计算结果表明，工程建设中的地下构筑物的长期挡水作用会引起地下水位下降，继而对上海市地面沉降的时空分布有一定的影响。地下构筑物的挡水效应使得大面积范围内的平均地面沉降量呈增长趋势。外环内第II、I及微承压含水层中构筑物含量每增加10%，中心城区年均沉降量分别增长31.7%、2.98%及2.82%。7.地面沉降防治措施1)对于基础施工中地下水引起的沉降（1）选择合理的排水、降水措施。基坑降水有很多种方法，但是适用范围有很大的不同，只有经过严格对比确定最适合的方案，才能够在排水情况下尽可能的减少沉降。（2）基坑支护应兼顾防水。选择既可以起到支护作用，又可以防渗的支护方案，可以达到目的又可以节约成本。（3）做好实时监测制度。在降排水及支护过程中，应当进行实时监测，做到实施情况了然于胸，防患于未然。2)对于高密集建筑群诱发的沉降（1）采用合理的对地基土进行加固改良。采用排水固结、高压旋喷等方法提高地基土的承载能力及变形模量，达到控制沉降的目的。（2）采用复合地基。采用复合地基，可以相互补充，起到降低、控制沉降的作用。（3）优化建筑群持力层及基础传力方式。对不同持力层的不同基础形式进行分析，归纳给出不同地质条件以及建筑群特征情况下，控制沉降的建议。（4）优化建筑容积率及建筑群荷载平面布置方式。针对不同建筑群特点，分析建筑容积率及平面布置方式的影响，给出一定的容积率、平面布置方式等。3)对所处区域地层进行更加细致合理的地质分区，为后续建筑的的施工、防治提供珍贵的地质资料。8.结论（1）揭示了城市建设与地面沉降之间的相关性；（2）城市建设引起的附加沉降是多种因素共同作用下逐渐累积起来的；（3）基坑开挖、盾构隧道施工以及基坑降水等地下工程施工期间可能对土体造成扰动，从而诱发沉降；（4）应做好凡事前重视,采取预防措施,进行严格施工监控者,工程效果都是成功的。实践证明:对于环境效应间题,事前有共识和采取工程措施,其所产生的危害是可以避免的。参考文献[1]唐益群等著.软土环境工程地质学[M].北京：人民交通出版社，2007.[2]许烨霜等著.上海市城市化进程引起的地面沉降因素分析[J].岩土力学，2011（32）：578-582.[3]许有国著.浅谈高层建筑基础工程的环境效应及防治对策[J].山西建筑，1995（4）：30-32.[4]郝欣著.四大因素导致地面沉降[J].中国社会科学报，2014（7）：1-2.[5]申太祥著.论城市建设对地面沉降的影响[J].科技咨讯，2010（1）：76-78.