浅析抽水试验引起地面沉降的效应问题

黎传峰

【摘 要】本文通过对粘土和砂土在不同组合情况下进行抽水试验，对土样的沉降情况进行了观察分析，研究了抽水引起的地面沉降问题及地面沉降的机理。

【关键词】抽水试验；地面沉降；数据；效应

1.引言

本文为了考查不同土层（粘土层和砂土层）组合下地面的不均匀沉降而做了一些实验，在开展相关实验的基础上，主要采用室内试验模拟了释水条件下不同含水层系统沉降的机理、特征，并通过实验数据的处理，得出其沉降规律并给出了分析。通过实验过程的观察以及实验数据的分析，直观形象地描述了抽水条件下地面沉降量的全过程，分析了地面沉降的机理。

通过本实验，我们可以通过数据清楚地看出粘土在释水情况下沉降较明显，而砂土则不是很大。

2.实验装置

2.1试验平台介绍

试验平台主体采用有机玻璃材质构架。模型由固结容器、底座、测压管、透水滤纸、溢流槽、水箱、支架、溢流管等几部分组成。按照各部分的功能可以将整个模型划分为：试验模型主体、沉降量测系统、流量监测系统、供水装置。各部分介绍如下：

试验模型主体：为有机玻璃圆筒，高2.10m，外径0.40m，内径0.38m。试验土层分三段，下部填充反滤层，中部填充试验用的土层，上部加水。

沉降量测系统：本实验使用游标卡尺直接测量抽水条件下粘土层的沉降量，本实验数据较难满足一定的精确度，但是所测得数据能够大致反映地面沉降量大小。

供水装置：供水水槽安放在模型上方，由其向模型不间断供水，以保证试验过程中边界水头的稳定，多余的水通过模型上的溢流口排出。

2.2实验的前期准备

选取实验所用的土样、标准砂土，粘性土。在进行沉降模拟试验之前进行：土样采集、土样制备。

为了模拟抽水条件下不同成层含水层的沉降机理，设置了5组实验。第一组：含水层系统由砂层、砂层，粘土层组成，各层都为均质的。第二组：含水层系统均为砂层，各层都为均质的。第三组：含水层系统均为粘土层，各层都为均质的。第四组：含水层系统由粘土层、粘土层、砂层组成，各层都为均质的。为了更为准确的反映抽水条件下的地面沉降，还设置了一组对比试验（非抽水即自然条件下的沉降）：第五组：含水层系统由砂层、砂层，粘土层组成，各层都为均质的。

2.3实验过程

首先，取代表性的砂土、粘土，将之进行筛选和分装，然后把土样按设计的土层顺序及土层厚度放入固结容器中，装上支架，再通过自来水管对上部水箱供水，直至水箱注满溢流出来，将水箱底部与固结容器相通，使之向试样土层注水，至稳定后观察土层的沉降变化规律，并用游标卡尺进行测量，测量周期为每隔10、20、30、60min……1次，随着沉降量的逐渐减小，测量周期也随之增长。实验期间保证有测量人员一直在容器旁边观测并且保证水箱为定水头。

3.实验数据及结果分析

本次抽水实验持续15d，通过对实验数据的记录统计并对实验数据处理分析可得样品累计沉降量随时间的变化图（见图1）各及样品在实验进行的不同时间点的沉降量变化图（见图2）、校正后的各样品在实验进行的不同时间点的沉降量变化图（见图3）。

由图1、2、3可知，在连续抽水条件下，实验前几日各组的沉降量都较大，实验进行后期，沉降量开始变小直至无沉降。其中，第五组对比实验由于未进行抽水，沉降量甚微。抽水条件下的地面沉降，主要是由于土层孔隙中的水排出以后，孔隙水压力减小造成的。根据有效应力原理σ=u+σ′，总应力不变孔隙水压力减小则有效应力σ′增加，从而导致孔隙被压缩造成地面沉降。随着试验的进行，孔隙中水的含量不断减小，孔隙越来越小，进而沉降量也越来越小。由图1～3可知，实验初期沉降较明显，沉降实验后期，沉降量几乎为零。由实验数据得知，试样中第三组含水层系统均为粘土层，此组总沉降量最大，而其他各组沉降量较第三组为小，总沉降量由大到小依次为：第四组、第二组、第一组、、第五组。众所周知，粘性土的压缩性比砂性土高，主要是由于粘性土的颗粒以细粒为主（小于0.005mm的颗粒），孔隙率较高，易于压缩，沉降量相应较大。因而粘性土中粘粒含量的多少是粘性土层固结压缩性大小的主要影响因素之一。实验结果表明：在同一级压力和初始含水率相近的条件下，粘性土层中粘粒含量越多其压缩性也越大。相反，粘性土层中的砂粒含量越多其压缩性则越小。

图2反应了不同时刻实验样品对应的沉降量大小。由图2知，初始实验时，第三组沉降量随时间变化最大，这是由于第三组全为均质粘土，压缩系数大，沉降更容易发生，且是塑性变形，具有不可恢复性。实验第二组沉降量则非常小，主要是由于砂粒之间骨架咬合力较大，试样沉降量多是由于砂粒间空隙的减小使得试样压缩性较小。对比实验的第五组，未进行抽水试验，由于含水层的水为重力疏干，导致其差距较大。

在装样过程中，试样没有充分饱和且处于自然沉降状态，在实际工程中天然土层实际上可以看成是饱和的，因此需要对试验结果数据进行校正。将部分偏移较大的实验数据剔除，校正后试验结果见图3。

4.结束语

1）抽水作用下土层的压密。地面的沉降可以认为是荷载沉降与抽水沉降相互叠加、相互作用的一种耦合。对粘土隔水层上下方的含水层抽水，地下水位下降，土层的总应力保持不变，根据太沙基有效应力原理，饱和土层中的孔隙水压力下降，有效应力增加，于是土层排水固结，从而造成土层压缩，产生地面沉降。由图2～4可以看出，不同成层土的沉降效果，随着抽水的进行，土层厚度逐渐压缩，由于有效应力的增加土层越来越密实。

2）抽水作用下土层的沉降。通过以上抽水实验得出：土层的沉降主要是由于粘土的沉降引起的。实验结束后，分别测量粘土层和砂土层的厚度，并与抽水前其厚度进行比较，得知粘土的压缩量远远大于砂土，从而得出土层的沉降量大小主要受粘土层的沉降影响，砂土对沉降量的影响甚小。随着实验的进行，粘土层的压缩量也越来越小，从而土层的沉降量也越来越小。

3）抽水作用下土层沉降的滞后效应。由于粘土的弱透水性，固结变形将随时间的延续缓慢进行，从而产生地面沉降的滞后性；而砂土则沉降量较小，而且砂土的沉降是瞬时的。抽水作用下，由于土层的总应力不变，在土层有效应力减小的情况下，土层发生压密进而固结。

4）在我们工程勘察普遍接触到的房勘、工路、地铁等工程勘察场地中，地基浅表部分基本都是以粘土为主，因此，在工程的开挖施工过程及其工程完工后的地面沉降问题也主要是以粘土层的防范为主。必须对粘土层特别是当地下水有所流失时粘土层的沉降、坍塌要有足够的防范措施，以免引起严重事故灾害。

参考文献：

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