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摘要：首先论述了基坑降水对建筑物不均匀沉降的不良影响，接着阐述造成不均匀沉降的微观机理，太沙基和BIOT固结原理，以及常用的地基最终沉降的计算方法。讨论了因降水引起的地面不均匀沉降计算方法，并举工程实例证明。
关键词：不均匀沉降 基坑降水 自重应力
Abstract: This paper first discusses the foundation pit dewatering uneven settlement of building the adverse impact, then elaborates cause the uneven settlement of microscopic mechanism, too sand BIOT consolidation and the principle and common foundation of the final settlement calculation method. It discusses the precipitation of the ground caused by uneven settlement calculation method, and engineering examples show.
Key Words: uneven settlement, foundation pit dewatering, gravity stress
中图分类号：TU472 文献标识码：A 文章编号：
1 概述
基坑工程降水对周围地表沉降的影响己引起广泛关注，地面沉降对环境和工程危害极大，将导致地面及建筑物的裂缝、基础下沉、房屋倾斜和地下管网无法正常使用(严重的引起断裂)。
随着经济建设的迅速发展和城市人口的快速增长,需要在城市中抽取大量地下水,由此引起了愈来愈多的城市出现地面沉陷这一环境问题。大面积的地面沉降将可能致使地表建筑设施发生变形,产生裂缝;地下管线设施损坏,造成严重的危害。国外许多大城市,如墨西哥、东京、纽约等,都发生了严重的抽水地面下沉;据统计,目前我国已有50多个城市不同程度发生了由于抽水而引起的地面沉降和变形[1]。为了防治抽水地表沉降的危害,应当正确预计抽水所引起的地面下沉及变形值,很多城市对这问题进行了大量研究。
2 降水引起的沉降分析
2.1微观三相分析
粘性土颗粒外围是一层薄膜水。土粒间的接触往往是以薄膜水为中介，通過薄膜水将力传给相邻土粒。受力后，接触点处的薄膜水部分地被挤开，土粒靠得更紧，总体上就表现为土体的压缩。土中的水，压缩性也很小，可以认为是不可压缩的。在饱和土体中，土的压缩
土粒错动必须与水的挤出相联系。只有水被挤出，土受力前；受力后骨架才能压缩。而粘性土中水的挤出是需要时间的，这取决于土的渗透性。水的存在使骨架的压缩延缓。土中的空气具有两重性质：一是可以压缩，二是可以流动排出。这两种性质都会导致土体的压缩。土孔隙中的空气，就像无数的小气球，受力后气球立即收缩；另一方面收缩后的气球的气压升高，与外界大气之间形成压差，就使空气逐步流出。气体的压缩虽然也有一个过程，但很短，可以认为是立即完成的；气体的排出，对砂土、砾石也是较快的，但对粘性土则要一个较长的过程。非饱和土受压后，一部分变形是立即完成的，就是由于空气的压缩；而另一部分变形则缓慢进行，这是孔隙中的水和空气的逐步排出。[2]
2.2太沙基一维固结原理，真三维固结
太沙基(1923)给出了土体的一维固结理论和一维固结微分方程，并认为地层压缩取决于孔隙水压力的消散，其渗流符合达西定律。截止目前，这一方法采用比较广泛，但其假设条件过于苛刻，即仅考虑了孔隙水位对粘性土层压缩的影响，而对土层的不均一性和岩性对土层压缩的影响，在此理论中难以得到反映，所以通过反算的参数与实验室获取的值往往相差较大。
Biot(1941)根据有效应力原理，土的连续条件和平衡方程，直接从弹性理论出发给出了Biot固结理论模型。该模型从理论上说是严格的，它不仅考虑了孔隙水压力(孔隙水位)的分布情况，而且考虑了任何复杂的边界条件、荷载条件、土层情况等。[3]
2.3沉降计算
基础最终沉降量计算方法有弹性理论法，分层总和法，应力历史法，应力路径法和斯肯普顿—比伦法，其中以分层总和法较为方便实用，采用侧限条件下的压缩性指标，以地基压缩层深度范围内的各分层计算压缩量加以总和。第二以规范修正公式最为接近实测值，它运用了简化的平均附加应力系数，规定了合理的地基变形计算深度，还有配套的各种变形特征的建筑物地基变形允许值。在国际上，黏性土地基表面沉降大都采用斯肯普斯—比伦计算，由瞬时沉降，固结沉降，次固结沉降三分量相加得总沉降量。
3 降水前后自重应力的变化对不均匀沉降的分析
3.1理论分析
基坑工程要伴随着降水的进行，这影响到了土体中水的渗流场，随着地下水水位的下降，土层中的含水量减小，使浮托力减小，等于增加了附加荷重，使土产生固结、压缩，土体产生变形。这种土体的变形就表现为基坑周围地表的沉降变化。含水或饱和含水的土层,是由固相的土和液相的孔隙水组成的两相介质。土体所受的荷载,由土粒和孔隙水共同承担。当土体中的孔隙水被疏干或部分疏干后,土体内孔隙水被排出,孔隙水所承担的应力减小,土粒所承担的应力增加,即土的有效应力增加,从而使土体产生固结压密。[4]
3.2抽水影响半径
影响半径的含义：1870年德国工程师埃齐母，根据达尔西理论展开的大量野外试验认为“即从抽水井起至实际上已经观察不到水位降低点的水平距离，可当作R值而不致出现太大的水平误差。”也就说在这个距离之外基本上不受抽水影响，这就形成了“抽水半径”的概念。[5]
3.3计算
根据太沙基原理，土体固结变形的来源是土体骨架的变形，即有效应力。
——有效应力
——自重应力
——地下水以上高度
——地下水以下高度
如图
阴影部分为增加的应力，由于增加的有效应力不同，是造成地基的不均匀沉降的原因，现已工程实例说明。
4工程概况
某工程循环水冷却系统主要建筑物为两座高度120m的自然通风冷却塔，塔基础为钢筋混凝土预制桩基础，桩长19.6m，采用环形板式承台，环板半径51.283m，宽度5m，厚度2m，底板埋深4m。两塔之间为循环水泵房，设计基础底面标高为14.15m，因处于地下水位以下，需进行基坑降水。
沿泵房基坑周边布置5眼井，基坑中心设1眼井，共6眼井，抽水井径550mm，井深32m，过滤器采用必273mm钢管缠丝填粒过滤器，长度24m，过滤器放置于一8至 一32m处，填粒粒径1一3mm。另在基坑周边布置2眼观测孔，孔深15m。
工程造成的不均匀沉降情况和原因分析：以1#塔为例，根据地基检验结果1#一5#点处于降水影响范围之外，其沉降量(截止到1995年6月17日)为31.5一37.4mm，平均值为34mm，此值可当做1#塔不受降水影响的正常沉降量，受降水影响最大的7#点，其沉降量为96.4mm，减去34mm，则由于降水造成的沉降量为62.4mm。
造成不均匀沉降的原因是，冷却塔的不同地段，地下水的沉降不同，有效应力增加不同，从而造成不同位置的沉降是不一样的。[6]
5 结论与建议
从工程中可以得出以下结论：
（1）在抽水前必须预估算抽水给建筑物带来的不均匀沉降，要求不均匀沉降量，必须满足规范要求。
（2）如果计算不符合要求，可以通过做止水帷幕的方式，利用止隔水材料，将基坑围起来，使坑内地下水与坑外地下水系统隔离，切断外界对坑内的水源补给。然后在坑内抽排水也就不会对周边地质环境造成破坏，杜绝了地下水位下降引发的各种工程问题。[7]
参 考 文 献
1 周国云等.中国城市地面沉陷研究的有关问题.水文地质与工程地质,1993(3)期
2 殷宗泽主编. 土体固结与沉降 第一版1998
3赵慧 地面沉降的人为主控因素研究[D]长安大学 2005
4阳军生刘宝琛.抽水地面沉降预计的随机介质模型[J].水文地质工程地质，1993(5)期
5陈雨孙《试论影响半径》勘察技术，1976年
6王景廷. 施工降水造成邻近建筑物不均匀沉降一例[J].土工基础，1998第12卷第2期
7谭红章.浅谈高压旋喷注浆法止水帷幕的施工[J].中国新技术新产品，2001.NO.02
李灵修，1986年10月生，山东济南，山东建筑大学土木工程学院，在校研究生，250101
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：不均匀沉降 基坑降水 自重应力
Abstract: This paper first discusses the foundation pit dewatering uneven settlement of building the adverse impact, then elaborates cause the uneven settlement of microscopic mechanism, too sand BIOT consolidation and the principle and common foundation of the final settlement calculation method. It discusses the precipitation of the ground caused by uneven settlement calculation method, and engineering examples show.
Key Words: uneven settlement, foundation pit dewatering, gravity stress
中图分类号：TU472 文献标识码：A 文章编号：
1 概述
基坑工程降水对周围地表沉降的影响己引起广泛关注，地面沉降对环境和工程危害极大，将导致地面及建筑物的裂缝、基础下沉、房屋倾斜和地下管网无法正常使用(严重的引起断裂)。
随着经济建设的迅速发展和城市人口的快速增长,需要在城市中抽取大量地下水,由此引起了愈来愈多的城市出现地面沉陷这一环境问题。大面积的地面沉降将可能致使地表建筑设施发生变形,产生裂缝;地下管线设施损坏,造成严重的危害。国外许多大城市,如墨西哥、东京、纽约等,都发生了严重的抽水地面下沉;据统计,目前我国已有50多个城市不同程度发生了由于抽水而引起的地面沉降和变形[1]。为了防治抽水地表沉降的危害,应当正确预计抽水所引起的地面下沉及变形值,很多城市对这问题进行了大量研究。
2 降水引起的沉降分析
2.1微观三相分析
粘性土颗粒外围是一层薄膜水。土粒间的接触往往是以薄膜水为中介，通過薄膜水将力传给相邻土粒。受力后，接触点处的薄膜水部分地被挤开，土粒靠得更紧，总体上就表现为土体的压缩。土中的水，压缩性也很小，可以认为是不可压缩的。在饱和土体中，土的压缩
土粒错动必须与水的挤出相联系。只有水被挤出，土受力前；受力后骨架才能压缩。而粘性土中水的挤出是需要时间的，这取决于土的渗透性。水的存在使骨架的压缩延缓。土中的空气具有两重性质：一是可以压缩，二是可以流动排出。这两种性质都会导致土体的压缩。土孔隙中的空气，就像无数的小气球，受力后气球立即收缩；另一方面收缩后的气球的气压升高，与外界大气之间形成压差，就使空气逐步流出。气体的压缩虽然也有一个过程，但很短，可以认为是立即完成的；气体的排出，对砂土、砾石也是较快的，但对粘性土则要一个较长的过程。非饱和土受压后，一部分变形是立即完成的，就是由于空气的压缩；而另一部分变形则缓慢进行，这是孔隙中的水和空气的逐步排出。[2]
2.2太沙基一维固结原理，真三维固结
太沙基(1923)给出了土体的一维固结理论和一维固结微分方程，并认为地层压缩取决于孔隙水压力的消散，其渗流符合达西定律。截止目前，这一方法采用比较广泛，但其假设条件过于苛刻，即仅考虑了孔隙水位对粘性土层压缩的影响，而对土层的不均一性和岩性对土层压缩的影响，在此理论中难以得到反映，所以通过反算的参数与实验室获取的值往往相差较大。
Biot(1941)根据有效应力原理，土的连续条件和平衡方程，直接从弹性理论出发给出了Biot固结理论模型。该模型从理论上说是严格的，它不仅考虑了孔隙水压力(孔隙水位)的分布情况，而且考虑了任何复杂的边界条件、荷载条件、土层情况等。[3]
2.3沉降计算
基础最终沉降量计算方法有弹性理论法，分层总和法，应力历史法，应力路径法和斯肯普顿—比伦法，其中以分层总和法较为方便实用，采用侧限条件下的压缩性指标，以地基压缩层深度范围内的各分层计算压缩量加以总和。第二以规范修正公式最为接近实测值，它运用了简化的平均附加应力系数，规定了合理的地基变形计算深度，还有配套的各种变形特征的建筑物地基变形允许值。在国际上，黏性土地基表面沉降大都采用斯肯普斯—比伦计算，由瞬时沉降，固结沉降，次固结沉降三分量相加得总沉降量。
3 降水前后自重应力的变化对不均匀沉降的分析
3.1理论分析
基坑工程要伴随着降水的进行，这影响到了土体中水的渗流场，随着地下水水位的下降，土层中的含水量减小，使浮托力减小，等于增加了附加荷重，使土产生固结、压缩，土体产生变形。这种土体的变形就表现为基坑周围地表的沉降变化。含水或饱和含水的土层,是由固相的土和液相的孔隙水组成的两相介质。土体所受的荷载,由土粒和孔隙水共同承担。当土体中的孔隙水被疏干或部分疏干后,土体内孔隙水被排出,孔隙水所承担的应力减小,土粒所承担的应力增加,即土的有效应力增加,从而使土体产生固结压密。[4]
3.2抽水影响半径
影响半径的含义：1870年德国工程师埃齐母，根据达尔西理论展开的大量野外试验认为“即从抽水井起至实际上已经观察不到水位降低点的水平距离，可当作R值而不致出现太大的水平误差。”也就说在这个距离之外基本上不受抽水影响，这就形成了“抽水半径”的概念。[5]
3.3计算
根据太沙基原理，土体固结变形的来源是土体骨架的变形，即有效应力。
——有效应力
——自重应力
——地下水以上高度
——地下水以下高度
如图
阴影部分为增加的应力，由于增加的有效应力不同，是造成地基的不均匀沉降的原因，现已工程实例说明。
4工程概况
某工程循环水冷却系统主要建筑物为两座高度120m的自然通风冷却塔，塔基础为钢筋混凝土预制桩基础，桩长19.6m，采用环形板式承台，环板半径51.283m，宽度5m，厚度2m，底板埋深4m。两塔之间为循环水泵房，设计基础底面标高为14.15m，因处于地下水位以下，需进行基坑降水。
沿泵房基坑周边布置5眼井，基坑中心设1眼井，共6眼井，抽水井径550mm，井深32m，过滤器采用必273mm钢管缠丝填粒过滤器，长度24m，过滤器放置于一8至 一32m处，填粒粒径1一3mm。另在基坑周边布置2眼观测孔，孔深15m。
工程造成的不均匀沉降情况和原因分析：以1#塔为例，根据地基检验结果1#一5#点处于降水影响范围之外，其沉降量(截止到1995年6月17日)为31.5一37.4mm，平均值为34mm，此值可当做1#塔不受降水影响的正常沉降量，受降水影响最大的7#点，其沉降量为96.4mm，减去34mm，则由于降水造成的沉降量为62.4mm。
造成不均匀沉降的原因是，冷却塔的不同地段，地下水的沉降不同，有效应力增加不同，从而造成不同位置的沉降是不一样的。[6]
5 结论与建议
从工程中可以得出以下结论：
（1）在抽水前必须预估算抽水给建筑物带来的不均匀沉降，要求不均匀沉降量，必须满足规范要求。
（2）如果计算不符合要求，可以通过做止水帷幕的方式，利用止隔水材料，将基坑围起来，使坑内地下水与坑外地下水系统隔离，切断外界对坑内的水源补给。然后在坑内抽排水也就不会对周边地质环境造成破坏，杜绝了地下水位下降引发的各种工程问题。[7]
参 考 文 献
1 周国云等.中国城市地面沉陷研究的有关问题.水文地质与工程地质,1993(3)期
2 殷宗泽主编. 土体固结与沉降 第一版1998
3赵慧 地面沉降的人为主控因素研究[D]长安大学 2005
4阳军生刘宝琛.抽水地面沉降预计的随机介质模型[J].水文地质工程地质，1993(5)期
5陈雨孙《试论影响半径》勘察技术，1976年
6王景廷. 施工降水造成邻近建筑物不均匀沉降一例[J].土工基础，1998第12卷第2期
7谭红章.浅谈高压旋喷注浆法止水帷幕的施工[J].中国新技术新产品，2001.NO.02
李灵修，1986年10月生，山东济南，山东建筑大学土木工程学院，在校研究生，250101
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。