蔡嬌嬌，馮曉臘,2，李滕龍，梁明志，熊宗海,2，馮靜杰

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.武漢豐達(dá)地質(zhì)工程有限公司，湖北 武漢 430074；3.廣州中煤江南基礎(chǔ)工程公司，廣東 廣州 510000)

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化進(jìn)程的推進(jìn)，大城市生存空間的需求越來越大，近年來城市建筑物和構(gòu)筑物不斷向著地下發(fā)展，基坑工程隨之興起。武漢市地下水豐富，尤其是長(zhǎng)江、漢江一級(jí)階地地區(qū)，地下水與河流水力較為密切，在基坑開挖過程中地下水控制是基坑工程的重點(diǎn)[1～3]。同時(shí)，基坑降水將會(huì)引起周邊地下水水位的下降，而地下水水位下降往往會(huì)引起土層的變形及地面的沉降[4～6]。

一級(jí)階地地層具有典型的二元結(jié)構(gòu)[7～9]，其一般存在多種類型含水層，且各層性質(zhì)不盡相同，致使其在抽水過程中滲流規(guī)律及水位變化特點(diǎn)各不相同。目前對(duì)于武漢長(zhǎng)江一級(jí)階地基坑降水引起各含水層的水位變化及降水引起的土體壓縮變形規(guī)律研究較少，且多基于數(shù)值模擬的方法進(jìn)行[10～12]。為了更加切實(shí)、準(zhǔn)確的了解武漢長(zhǎng)江一級(jí)階地二元結(jié)構(gòu)地層的水位變化及其引起的土體壓縮變形特點(diǎn)及規(guī)律，以指導(dǎo)基坑降水，本文通過現(xiàn)場(chǎng)群井抽水試驗(yàn)觀測(cè)各含水層水位變化，并在此過程中對(duì)地表及土體深層沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以研究基坑降水引起水位變化及土體壓縮變形的規(guī)律。

1 研究區(qū)工程地質(zhì)概況

武漢地處江漢平原東部、長(zhǎng)江中游，長(zhǎng)江及其最大支流漢江橫貫市境中央，覆于其上的第四系松散堆積層受水力長(zhǎng)期剝蝕作用，形成侵蝕區(qū)、過渡區(qū)和沉積區(qū)并存的地質(zhì)地貌現(xiàn)象。在水流分選作用下，地層由淺部到深部沉積顆粒由細(xì)到粗，在長(zhǎng)江及漢江兩岸的一級(jí)階地形成典型的二元結(jié)構(gòu)地層。其典型地層結(jié)構(gòu)分布情況，見表1。

表1 武漢一級(jí)階地地層結(jié)構(gòu)Table 1 Stratigraphic texture at the Wuhan first terrace

根據(jù)武漢一級(jí)階地地層的巖性特征和水文地質(zhì)特征，結(jié)合基坑工程特點(diǎn)，不考慮底部基巖裂隙水，將該場(chǎng)地二元結(jié)構(gòu)地層概化為三層，建立該區(qū)域基坑場(chǎng)地巖土工程模型，見圖1。

圖1 武漢一級(jí)階地地層巖土工程模型Fig.1 Model of the formation of geotechnical engineering

2 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)區(qū)位于武漢市武勝路與中山大道交匯處某深基坑工程，屬長(zhǎng)江一級(jí)階地，其典型工程地質(zhì)剖面見圖2。本試驗(yàn)區(qū)共有三種地下水：上層滯水、孔隙承壓水、基巖裂隙水。其中上層滯水含水率較小，基巖裂隙水埋深較大，兩者對(duì)基坑開挖影響不大，故降水目標(biāo)層為孔隙承壓水，承壓水初始水位埋深8.41 m。

圖2 試驗(yàn)區(qū)地質(zhì)剖面圖Fig.2 Geological profile of the test area

該場(chǎng)地進(jìn)行抽水試驗(yàn)，研究武漢長(zhǎng)江一級(jí)階地基坑降水引起含水層的水位變化及該作用下土體壓縮變形規(guī)律。在場(chǎng)區(qū)基坑中共設(shè)置抽水井4口，觀測(cè)井5口，其中③-1層觀測(cè)井1口(G1)，④-1層觀測(cè)井1口(G2)，④-2層觀測(cè)井3口(分別為G3、G4、G5)。淺層觀測(cè)井G1用于觀測(cè)上層滯水水位；中層觀測(cè)井G2用于觀測(cè)承壓含水層上段微承壓(互層土)含水層水位；深層觀測(cè)井G3、G4、G5用于觀測(cè)承壓含水層水位(圖3)。

圖3 試驗(yàn)井及監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置圖Fig.3 Layout of the test wells and monitoring points

抽水10 d，在抽水過程中分別對(duì)試驗(yàn)井的水位及兩個(gè)地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)和兩個(gè)深層土體沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)(T1、T2)不同深度土層進(jìn)行分層沉降量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。分層沉降監(jiān)測(cè)在豎直方向上共選取5個(gè)點(diǎn)，其中C1位于②層頂，C2位于③層頂，C3位于④-1層頂，C4位于④-2層頂，C5位于④-3層頂。試驗(yàn)井及監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置如圖3所示，試驗(yàn)井剖面結(jié)構(gòu)及深層土體沉降量監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降磁環(huán)剖面布置見圖4。

圖4 試驗(yàn)井及監(jiān)測(cè)點(diǎn)剖面示意圖Fig.4 Profile of the test wells and monitoring points

土體沉降監(jiān)測(cè)采用分層沉降儀。分層沉降儀所用傳感器是根據(jù)電磁感應(yīng)原理設(shè)計(jì)，將磁感應(yīng)沉降環(huán)預(yù)先通過鉆孔的方式埋入地下待測(cè)各點(diǎn)位，當(dāng)傳感器通過磁感應(yīng)沉降環(huán)時(shí)，產(chǎn)生電磁感應(yīng)信號(hào)送至地表儀器顯示，同時(shí)發(fā)出聲光警報(bào)，讀取孔口標(biāo)記點(diǎn)對(duì)應(yīng)鋼尺的刻度值即為沉降環(huán)的深度。每次測(cè)量值與前次測(cè)量值相減即為該測(cè)點(diǎn)的沉降量。

3 試驗(yàn)成果及分析

3.1 含水層水位變化特征及分析

通過抽水試驗(yàn)過程中的水位觀測(cè)，得到試驗(yàn)期間各試驗(yàn)井的水位降深隨時(shí)間的變化，見圖5。

在降水過程中隨著抽水時(shí)間的增加，水位降深逐漸增加，且在前期水位下降速度較大，后期水位下降緩慢，且逐漸趨于穩(wěn)定。其中，抽水井J1、J2、J3、J4水位降深相對(duì)較大，約為6～7 m；④-2層觀測(cè)井G3、G4、G5降深次于抽水井，降深約為2～4 m，因G3、G4、G5與抽水井距離不同，其降深有所差別；③-1層觀測(cè)井G1和④-1層觀測(cè)井G2觀測(cè)的水位變化相對(duì)較小，降深約為0.1～0.2 m。

圖5 抽水試驗(yàn)降深-時(shí)間曲線圖Fig.5 Drawdown-time curves of the pumping test

試驗(yàn)場(chǎng)地位于武漢長(zhǎng)江一級(jí)階地屬于典型的二元結(jié)構(gòu)地層，含水層從上至下分別為上層滯水、孔隙承壓水、基巖裂隙水。試驗(yàn)中通過對(duì)不同上層滯水、承壓含水層上段互層土微承壓含水層及承壓含水層中水位的觀測(cè)，不難看出其水位變化有如下特征：

(1)上層滯水水位變化很小，水位降深很緩慢。這是由于位于填土層中的上層滯水與抽水井濾管所處的承壓含水層之間存在相對(duì)隔水的黏性土，黏土層滲透性差，阻隔了兩個(gè)含水層之間的水力聯(lián)系，使得上層滯水不能直接快速的補(bǔ)給下部承壓水，這也正是上層滯水之所以稱為“上層滯水”的原因。

上層滯水一般水量較小，含水層不連續(xù)，且較為孤立與下部含水層聯(lián)系較弱，所以在基坑工程中，一般只需通過集水明排法進(jìn)行疏導(dǎo)，該含水層一般不會(huì)造成危害。

(2)承壓含水層上段互層土微承壓含水層水位變化較小。該層位于相對(duì)隔水層與高承壓含水層之間，可以看作是由隔水層向含水層變化的過渡層，其屬于承壓含水層，卻區(qū)別于下部砂層承壓含水層[5]。基于其粉土、粉砂與粉質(zhì)黏土互層的性質(zhì)，該含水層滲透性存在明顯的各向異性，其在水平方向上滲透系性很好，而在垂直方向上滲透性較差，兩個(gè)方向的滲透系數(shù)相差1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，且明顯小于下伏砂土層。在抽取下層承壓水時(shí)，下段承壓水首先被排出，上段的承壓水會(huì)在水頭差的作用下向下補(bǔ)給，在排水過程中，由于垂向滲透性較差，垂向滲流速度減慢，導(dǎo)致上段微承壓含水層水位下降速度滯后于下段承壓水水位下降速度。該過渡層的水位下降速度及水位降深都將明顯滯后于下部承壓水的水位變化。

基坑開挖施工后，基坑內(nèi)水位下降，將打破原有的地下水平衡，產(chǎn)生動(dòng)水壓力，水流速度增加，該層土極易產(chǎn)生流砂、管涌等滲流破壞。因此，在基坑降水過程中，對(duì)于過渡層微承壓水的處理十分重要。

(3)承壓含水層水位明顯下降，不同位置下降速度不同。承壓含水層下段主要為砂層，滲透系數(shù)大，當(dāng)位于該層的降水井抽取地下水時(shí)，該層承壓水首先被排出，表現(xiàn)為該層的抽水井水位明顯下降。抽水后，抽水井附近水位快速下降，打破原有水力平衡，地下水流向抽水井進(jìn)行補(bǔ)給。抽水初期，提供補(bǔ)給范圍較小，抽水井出水速率明顯大于補(bǔ)給速率，此時(shí)表現(xiàn)為該層試驗(yàn)井降深急劇增加，隨著降水時(shí)間增加，降水漏斗范圍擴(kuò)大，補(bǔ)給量及補(bǔ)給速度增加，水位下降速度明顯變慢，并逐漸趨于穩(wěn)定。

該含水層水量大，水壓高，在基坑開挖過程中可能會(huì)出現(xiàn)突涌、流砂、管涌等滲流破壞現(xiàn)象，故此在基坑開挖施工過程中需要進(jìn)行降水，若基坑開挖未揭穿該承壓含水層上覆相對(duì)隔水層，則以降壓為目的進(jìn)行降水；若基坑底位于承壓含水層中，則前期降壓為主，后期需進(jìn)行疏干降水。

3.2 降水引起土體壓縮變形及機(jī)理分析

通過抽水試驗(yàn)過程中地表及土體分層沉降監(jiān)測(cè)，得到試驗(yàn)期間地表及深層土體沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)各分層土體的沉降量隨時(shí)間變化，見圖6。

圖6 監(jiān)測(cè)點(diǎn)分層沉降監(jiān)測(cè)曲線Fig.6 Layered settlement monitoring curves

根據(jù)圖6中兩個(gè)深層土體沉降量監(jiān)測(cè)曲線可以看出，隨著抽水時(shí)間的增加，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累計(jì)沉降量總體呈增加趨勢(shì)。其中，分層監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累計(jì)沉降量由大到小分別為：位于③層頂?shù)腃2監(jiān)測(cè)點(diǎn)>位于④-1層頂?shù)腃3監(jiān)測(cè)點(diǎn)>位于②層頂?shù)腃1監(jiān)測(cè)點(diǎn)>位于④-2層頂?shù)腃4監(jiān)測(cè)點(diǎn)>位于④-3層頂?shù)腃5監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，抽水10 d后，T1處地表最大沉降量1.2 mm，T2處地表最大沉降量1.0 mm。各分層土體壓縮量根據(jù)分層沉降儀測(cè)得的各剖面監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降量進(jìn)行計(jì)算，即：

ΔSn=Sn-1-Sn

(1)

式中：ΔSn——第n個(gè)土層壓縮量；

Sn——第n層土之下土層頂部的沉降量；

Sn-1——第n層土層頂部的沉降量。

統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)期間T1、T2點(diǎn)地表和各分層土體壓縮量見圖7。

由圖6可以看出，抽水試驗(yàn)期間，③層頂沉降量最大，地表沉降和④-3層頂沉降量均較小。土層基本以②層粉質(zhì)黏土為界，②層以下土體壓縮沉降，②層及其上覆土體膨脹回彈。

圖7 各土層壓縮量統(tǒng)計(jì)Fig.7 Layered compression deformation注：正值表示壓縮量，負(fù)值表示膨脹量。

基坑降水對(duì)周邊環(huán)境的影響主要是指降水引起的地表變形，即地面沉降。

基坑降水引起地面沉降與孔隙水壓力消散引起的壓密固結(jié)相關(guān)，水位的波動(dòng)使得土粒間浮托力發(fā)生變化，水位的下降使得浮托力減小，依據(jù)有效應(yīng)力原理：

σ=σ′+μ

(2)

式中：σ——總應(yīng)力；

σ′——有效應(yīng)力；

μ——孔隙水壓力。

隨著地下水水位降低，土層的含水量降低，孔隙水壓力消散，有效應(yīng)力增加，土體的孔隙比減小，土層壓縮，地面發(fā)生固結(jié)沉降。

基坑降水引起地面沉降還與滲透破壞作用相關(guān)。降水引起水位下降，水力坡度增加，滲透壓力隨之增大，在動(dòng)水壓力的作用下，地下水在土體中滲流時(shí)，土顆粒可能會(huì)被帶走或移動(dòng)，從而發(fā)生沉降。

根據(jù)武漢長(zhǎng)江一級(jí)階地二元結(jié)構(gòu)的巖土工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件，由于其各層土體的性質(zhì)不同，表現(xiàn)出的沉降特點(diǎn)也不同，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果，當(dāng)降水時(shí)間較短時(shí)(如本研究中降水10 d)，地層在整個(gè)降水過程中總體表現(xiàn)為發(fā)生向下的沉降，但從各分層土體沉降量表現(xiàn)出①層、②層土體出現(xiàn)“膨脹”的現(xiàn)象。該現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因?yàn)椋?/p>

(1)①層雜填土為松散狀，②層粉質(zhì)黏土為可塑狀，當(dāng)②層土體隨著其下伏土體的固結(jié)壓縮發(fā)生沉降時(shí)，①層雜填土中未經(jīng)歷固結(jié)的松散顆粒物之間空隙增大，而位于表層的該層土體自重引起的壓力較小，在無(wú)其他上覆壓力作用時(shí)，無(wú)法完成壓縮變形，故表現(xiàn)出膨脹特性。

(2)依據(jù)勘察報(bào)告及相關(guān)研究[13]對(duì)土層承載力特征值及壓縮模量進(jìn)行分析，由于②層黏性土強(qiáng)度較高，具有一定的地基承載力，而下伏③層粉砂、粉土與粉質(zhì)黏土互層土承載力相對(duì)較低，在上部土體重力及荷載作用下，可能導(dǎo)致②層和③層土體之間產(chǎn)生“架空”現(xiàn)象。架空現(xiàn)象的存在使得位于③層頂?shù)腃2監(jiān)測(cè)點(diǎn)與位于②層頂?shù)腃1監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間距離增大，故圖7數(shù)據(jù)中表現(xiàn)出②層土體“膨脹”的特點(diǎn)。

架空效應(yīng)的存在將對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生一定的不良影響和安全隱患，尤其在降雨較多或地面超載的情況下可能誘發(fā)周邊環(huán)境的破壞，如道路的開裂甚至坍塌，地下管道的變形甚至破裂等。一般情況下，在抽水后，短期內(nèi)土層固結(jié)尚未完成，尤其是淺部黏性土。一般位于武漢長(zhǎng)江一級(jí)階地地區(qū)的基坑工程在整個(gè)基坑施工開挖過程中時(shí)間較久，抽水時(shí)間較長(zhǎng)(一般不小于3個(gè)月)，且基坑降水過程中水位降深較大，即孔隙水壓力的消散較抽水試驗(yàn)期間要大得多，所以針對(duì)該類基坑工程，依據(jù)本次抽水試驗(yàn)所揭示的部分成果，②層土體最終可能會(huì)產(chǎn)生較大的沉降。

4 結(jié)論

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)，研究了武漢長(zhǎng)江一級(jí)階地基坑降水引起含水層的水位變化及該作用下土體壓縮變形規(guī)律，得到如下結(jié)論：

(1)在降水過程中，地下水以抽水井為中心向外，從抽水井疏干層由下至上逐漸疏干，存在水位變化的滯后現(xiàn)象。

(2)基坑降水引起的地面沉降與孔隙水壓力消散引起的壓密固結(jié)相關(guān)；還與滲透破壞作用相關(guān)。壓密固結(jié)，在降水前期主要發(fā)生在承壓含水層中，而此時(shí)淺部黏性土壓密固結(jié)尚未完成，隨著時(shí)間的增加，后期淺部黏性土可能會(huì)產(chǎn)生較大的沉降量；滲透破壞最可能發(fā)生在上段互層土的微承壓含水層中。

(3)當(dāng)降水時(shí)間較短時(shí)，地層在整個(gè)降水過程中總體表現(xiàn)為發(fā)生向下的沉降，但從各分層土體沉降量表現(xiàn)出①層、②層土體出現(xiàn)膨脹的現(xiàn)象，②層和③層土體之間產(chǎn)生“架空”現(xiàn)象。架空效應(yīng)的存在對(duì)周邊環(huán)境帶來了不良影響和安全隱患，尤其在降雨較多或地面超載的情況下可能誘發(fā)周邊環(huán)境的破壞，故在實(shí)際工程中應(yīng)注意該現(xiàn)象的產(chǎn)生。

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