宁波市地面沉降机理分析-滨海软土城市勘察技术

分析表明，宁波城市建设、发展过程中的地面填土堆载、交通动荷载、建筑物荷载等是诱发软土层土体变形的外在因素。而研究区浅部广泛分布的软土层（②、③、④层）土体的塑性压缩变形是引发宁波地面沉降的内在因素。因此地表荷载作用下软土层的沉降变形机理即为宁波市地面沉降机理。

（1）早期地下水开采引起地面沉降机理分析

根据土体有效应力原理，即σ=σ′+u，抽水之所以引起土层的压密，是因为水位的下降破坏了原土体中孔隙水压力分布的平衡状态，孔隙水压力降低，有效（粒间）应力增加，从而导致土层的固结沉降。反之，采取回灌方式向含水层灌水，则随着水位回升，土层中的孔隙水压力亦回升，黏结力减小，土层回弹。

抽取地下水造成土层中有效应力的增加（即固结初始条件），其力学效应基本上可归结为浮托力降低与自重应力的增加。前者为抽取地下水降低了压缩层上端边界的孔隙压力（或水头压力），使其上部原由这一被降低了的孔隙水压力所浮托的荷载逐渐转移到压缩层的土骨架上成为有效压缩荷载；同时地下水位的下降，导致压缩层上部土体有效重力增加，使压缩层承受的应力增大，从而导致作用在土骨架上的有效应力增加。最终增加的应力都将作用于土骨架上而压密土层。压密随时间的延滞及土的渗透性而异，当土体中各点的孔隙水压力达到新的平衡状态，土的压密亦结束。

沉降监测区受此影响的土体主要为浅部软土层（②、③、④层）和下部硬土层（含砂层），在地下水位变化期间，其变形沉降机理分别为：

①黏土层变形机理

宁波平原为正地形向斜的断陷盆地。第四纪厚度在平原区为85～100 m，到滨海增至120 m。含水层之上覆盖较厚饱和的淤泥、淤泥质软土，地下水补给困难，当大量开采地下水时，承压含水层水位大幅度下降，各黏性土层释水，土体自身重度增加，导致孔隙水压力减小，上部自身重度增加，最终导致土层压缩变形而产生地面沉降。

在比较小的应力作用下，黏性土发生的变形是不可逆的塑性变形，具有永久性，这在地面沉降中起着重要的作用。除此之外，因为黏性土还具有透水性差的特性，从水位的变化引起孔隙水压力的变化还需要一定的时间，所以有效应力的增长与黏土层压密变形之间在时间上存在一定的滞后性，滞后时间的长短与黏土层的厚度、透水性有关，一般情况下，厚度越大，透水性越差，其滞后时间越长。

②含水砂层的变形机理

砂和砾石等一些粗颗粒沉积物的压缩性很小，透水性较好，其沉降变形主要为可逆的弹性变形。即在抽水过程中由于水位下降、孔隙水压力降低时有效应力增加，砂层即发生压密现象；当水位回升、孔隙水压力上升时有效应力相对减小，砂层的变形便以回弹的形式恢复。

黏土层及含水砂层的不同变形特征导致在宁波市地下水限禁采水位恢复期间出现软土层沉降变形量超过地面总沉降量的情况。

（2）城市发展、建设引发地面沉降机理分析

随着社会经济的发展，大规模的城市建设在宁波市区尤其在新城区快速兴起与发展。分析表明场地平整堆载、建（构）筑物荷载、交通动荷载等人为活动造成的地面表部荷载已成为影响地面沉降不容忽视的因素。上述影响因素通过相互的叠加，作用于下部土体上，造成研究区广泛分布的软土体产生较大的竖向压缩变形，在软土体自身侧向流变等特性的影响下，最终导致宁波市地面沉降呈现出新的变化特征。

城市建设和交通动荷载等地面荷载引起地面沉降的机理同样适用于太沙基有效应力原理的分析，即土体承受上部荷载，并且传递附加应力的规律，同样符合有效应力原理，即土的变形压缩只取决于有效应力的变化。对于研究区普遍存在的饱和土体（软土层），土体受外力作用后，土骨架和孔隙中的水共同承担外力作用。土骨架通过颗粒之间的接触面进行应力的传递，即有效应力；孔隙水通过联通的孔隙传递所承受的法向应力，即孔隙水压力。饱和土体的压缩过程与超静孔隙水压力的消散过程相一致。对于饱和砂土，其孔隙体积小，透水性好，在压力作用下，超静孔隙水压力很快消散，压缩可很快完成，但由于其强度高且附加应力向下的传递过程中的消散作用，其压缩量较小；对于饱和黏性土而言，其透水性弱，在压力作用下超静孔隙水压力消散很慢，土的压缩常常需要相当长的时间才能完成，压缩量较大。如饱和厚层黏性土由建筑荷载引起的沉降往往需要几年几十年甚至更长的时间才能完成。

①场地平整加载沉降

随着宁波经济建设的发展，宁波涌现出一大批新的城市区、工业园区等大型建筑群，这些地区为了达到设计标高，往往进行场地大规模回填平整。以东部新城为例，相关资料表明：整个区域普遍存在层厚0.4～6.6 m之间的素（杂）填土，平均厚度约2.08 m，其结构松散～稍密，成分复杂，主要由碎石、块石、黏性土及建筑垃圾等组成，碎块石大小混杂，粒径一般为2～30 cm，个别大于50 cm，土质极不均匀，各处组成成分差异较大，沿线道路表面为混凝土或沥青路面，浅部以碎块石为主，下部多以黏性土混碎石为主，重度一般取20 kN/m3，即相当于对原地面施加8～132 kPa，均值41.8 kPa的附加压力，该层下部即为典型的高压缩性淤泥质软土，上部的填土引发的附加应力必然会引起该层淤泥质土体的压缩变形，从而引起地面的沉降。部分地段填土厚度人工开挖揭露见图7-29。

地面填平堆载作用下，沉降监测点的沉降监测值由填土自身压密沉降量和下部软土层在附加应力作用下的压缩变形量构成。

图7-29　东部新城表部填土开挖图

②交通荷载作用下的软土沉降

车辆荷载的确定，参考《公路软土地基路堤设计与施工技术规范》，选取典型的载重为200 kN的货车，前轴重力为70 kN，后轴重力为130 kN，前轴着地面积为0.30 m×0.20 m，后轮着地面积为0.60 m×0.20 m，汽车平面尺寸及荷载作用示意图见图7-30。

交通荷载是一种动荷载，其大小随时间发生变化。动荷载作用于土体，主要有两种效应：速度效应，即荷载在很短的时间内以很高的速率施加于土体所产生的效应；循环效应，即荷载的增减，多次往复循环施加于土体所引起的效应。(www.xing528.com)

速度效应和循环效应对土体产生的效应常采用拟静力法进行荷载等效，高速公路地基内由卡车引起的竖向动附加应力为静止时的4～5倍。由此在交通动荷载作用下，下部软土层土体产生较大的压缩变形，进而表现出地面的沉降变形。

图7-30　200 kN汽车平面尺寸

对于采用天然地基的城市道路工程，在大量重复且数值较大的车辆附加应力的作用下，必然将引起浅部软土体的竖向压缩变形，进而诱发沿城市道路出现带状地面沉降现象。

（3）轻型建（构）筑物及城市道路

轻型建筑物一般利用宁波市区普遍存在的1层可塑状黏土（硬壳层）为持力层，采用天然地基或浅基础，在地基土层上建造建筑物后，建筑物的荷载直接或通过浅基础传递给地基，使地基土层中原有的应力状态发生变化，地基产生附加应力，从而引起地基变形，包括侧向变形和竖向变形，竖向变形即表现为使地基产生沉降，轻型建（构）筑物的间距不同，最终导致建筑物本身及周边地面的沉降。

图7-31　浅基础地基沉降变形特征

（4）大型建（构）筑物

随着宁波城市建设步伐的加快，大型桥梁工程、隧道工程、轨道交通工程、高大建（构）筑物在宁波市区进行大规模建设。为满足这些建（构）筑物的荷载需要，设计往往采用桩基，由此，长桩、超长桩在宁波市区得到广泛的应用。建（构）筑物通过桩基，将其上部荷载传递到桩基持力层，再以附加应力的形式传递至桩端下部土体，在附加应力的作用下，深部土体被压缩变形，进而引起建（构）筑物自身和周围地面的沉降。建（构）筑物之间附加应力的扩散造成相互影响的叠加，最终出现整个建筑群的区域性地面沉降，建筑物桩基引起深部土体压缩沉降示意图见图7-32。

图7-32　深层土体沉降示意图

结合新时期宁波市地面沉降成因及其机理综合分析：宁波地面沉降发生的本质为宁波市区广泛分布的软土层在上部荷载作用下的竖向压缩变形和侧向流变的综合表现，其诱发因素为城市建设和发展过程中的各种堆载填土、车辆动荷载及各类建（构）筑物荷载等。工程地质条件、地表荷载空间分布和附加应力的传递路径不同，导致地面沉降速率、面积也不同，即软土层厚度和地表荷载大的地方，软土沉降变形量也大，地表以沉降漏斗的形式出现。

本章在丰富翔实的宁波市地面沉降区区域水文、地质，工程地质水文地质资料及历史沉降监测数据的基础上，通过数据搜集、整理、分析，野外地质环境调查、理论分析，从工程地质水文地质的角度，对宁波市地面沉降的成因和沉降机理进行了分析和探讨，得出以下结论：

①宁波市区广泛存在的软土层（②、③、④层土体）的压缩固结变形是引起宁波地面沉降的最根本工程地质条件。

②宁波市快速发展、建设中出现的大面积地面填土堆载和交通动荷载已取代地下水的开采成为现阶段诱发宁波市地面沉降的主导因素。

③宁波地面沉降发生的本质是软土层在表部附加应力作用下的竖向固结和侧向流变变形。

④在表部荷载作用下浅部软土层呈现出塑性变形的特征，由此，现阶段宁波市地面沉降变形具有不可逆性，回灌地下水已不能使沉降漏斗发生显著回弹。

⑤依据软土的震陷性和交通荷载的特殊性，由交通动荷载引发的地面沉降将长期保持较大速率，且随着交通量的增大其沉降速率有进一步增大的趋势；由于填土荷载固定性和稳定性随时间逐渐变好，由此引发的地面沉降在前期经历较大的沉降速率后，后期将保持较小的沉降速率，直至稳定。

⑥填土引发的地面沉降区域主要由填土的范围、厚度及地下浅部软土层厚度决定；而交通动荷载引发的地面沉降具有沿线路带状分布的特征。

⑦由表部荷载引发的城市地面沉降现象是一种缓慢发展的城市地质灾害现象，也是现代城市快速发展中常见的地质现象，在宁波市域软土地区将长期存在和发展。