（地质工程专业论文）建筑荷载对地面沉降的影响分析.pdf

a n a l y s i so ft h ei m p a c t o fb u i l d i n gl o a d s o nl a n ds u b s i d e n c e ad i s s e r t a t i o ns u b m i r e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：s h ic h a o s u p e r v i s o r ：p r o f 1 ix i n s h e n g c h a n g a nu n i v e r s i t y , x i a n ，c h i n a 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 年月 日 年月 日 摘要 地面沉降是在自然因素和人为因素作用下，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。自1 8 9 8 年，在日本首次发现地面沉降以来，地面沉降问题 日益严重，已经受到国际社会的广泛关注，引起了工程界和学术界的高度重视，而且始 终是工程难点。这方面问题，困扰了许多工程技术人员，对工程质量的控制起到了极其 关键作用。此外，城市建设的快速发展，建筑物越来越密集，随着地面荷载的增加，地 面出现加速沉降的现象。本文主要研究建筑物荷载共同作用对地基土造成的影响，并进 行了深入的研究分析。通过采用a n s y s 有限元软件建模，进行模拟验证，得出的结论与 理论情况相符合。 首先，阐述了荷载对沉降的影响。在此基础上，着重就地面荷载作用引起的沉降， 沉降原因及影响因素，基坑工程对沉降的影响进行了分析。同时总结了沉降量计算的各 种理论方法。分别说明了单体建筑物与建筑物共同作用时，地基土的特性和沉降的影响 深度。 其次，以单体建筑物为研究对象，研究其附加应力对地基土产生的沉降影响。又以 建筑物共同作用荷载时，通过将建筑物间距均匀分布的情况下，分别将建筑物荷载等效 为线荷载、条形荷载、集中荷载和矩形荷载，研究其与等效荷载关系，产生附加应力相 互叠加对地基土的沉降影响。通过对西安市分层沉降标长期观测的沉降数据和附近区域 情况，来说明建筑物共同作用对地基土沉降有影响。 最后，通过采用a n s y s 有限元软件建模，从而进行模拟验证，得出的结论与理论情 况相符合。并得出，地面荷载对地基深层土沉降也有一定的影响；建筑物共同作用时， 附加应力相互叠加，地基土沉降变大，且受建筑物之间的间距影响；并与单体建筑物造 成的地基土沉降明显不同等结论。 关键词：沉降、等效影响荷载、附加应力叠加、荷载、分层沉降标、数值模拟 a b s t r a c t l a n ds u b s i d e n e ei si n f l u e n c e d b yn a t u r a l f a c t o r sa n dh u m a nf a c t o r s i ti st h e e n v i r o n m e n t a lg e o l o g i c a lp h e n o m e n o nw h i c hi sc a u s e db yt h er e d u c t i o no f r e g i o n a l g r o u n d l e v e ld u et ot h ec o m p r e s s i o no fc r u s t - s u r f a c es o i l l a n ds u b s i d e n c ei sa ni r r e v e r s i b l e p e r m a n e n tl o s so fe n v i r o n m e n ta n dr e s o u r c e s ，a n di ti st h ec o n s e q u e n c eo ft h ed a m a g eo f g e o - e n v i r o n m e n t a l s i n c e 18 9 8 ，w h e nt h el a n ds u b s i d e n c ew a sf i r s tf o u n di nj a p a n ，t h e g r o w i n gp r o b l e mo fl a n ds u b s i d e n c eh a sb e e nc o n c e r n e db yt h ei n t e r n a t i o n a lc o m m u n i t y w i d e l y a n di tg e t st h es i g n i f i c a n ta t t e n t i o nf r o mt h ee n g i n e e r i n ga n da c a d e m i ca r e a s ，a n di s a l w a y st h ed i f f i c u l t yf o rp r o j e c t s t h i si s s u eh a sb e s e tan u m b e ro fe n g i n e e r i n gt e c h n i c i a n s ， a n dp l a y sac r u c i a l r o l e i nq u a l i t yc o n t r o lo fp r o je c t s i na d d i t i o n ，d u et ot h er a p i d d e v e l o p m e n to fu r b a nc o n s t r u c t i o na n dg r o w i n gd e n s e n e s so fb u i l d i n g s 、析t 1 1t h ei n c r e a s eo f s u r f a c el o a d ，l a n ds u b s i d e n c et e n d st ob ea c c e l e r a t e d t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e st h ec o m b i n e d i m p a c to fb u i l d i n g sl o a do ns u b s o i la n dc o n d u c t sf u r t h e rr e s e a r c ha n da n a l y s i s t h em o d e l i n g a n ds i m u l a t e dv e r i f i c a t i o ni sb a s e do nt h eu s a g eo fa n s y sf i n i t e - e l e m e n ts o f t w a r e ，a n dt h e c o n c l u s i o n sf r o mt h i sm o d e li sc o n s i s t e n t 、析t l lt h et h e o r y f i r s to fa l l ，d e s c r i b e dt h ei n f l u e n c eo fl o a do ng r o u n ds u b s i d e n c e o nt h i sb a s i s ，t h i s p a p e rf o c u s e so nt h es u b s i d e n c ew h i c hi s c a u s e db ys u r f a c e - l o a d s ，t h er e a s o n sa n dt h e i n f l u e n c i n gf a c t o r so fs u b s i d e n c e a n dt h ei m p a c to ft h ee x c a v a t i o no nt h es u b s i d e n c ei s a n a l y z e da sw e l l f u r t h e r m o r e ，t h i sp a p e rs u m m a r i z e sv a r i o u st h e o r e t i c a l m e t h o d so f s e t t l e m e n tc a l c u l a t i o n i na d d i t i o n ，t h i sp a p e rs e p a r a t e l yd e m o n s t r a t e st h ef e a t u r ea n dt h e i n f l u e n c i n gd e p t ho fs u b s i d e n c e ，u n d e rt h ei m p a c to fs o l ob u i l d i n ga n dt h ec o m b i n e di m p a c t o fb u i l d i n g s m o r e o v e r , w h e ns i n g l eb u i l d i n gi ss t u d i e s ，t h i sp a p e rr e s e a r c h e st h ei m p a c to fa d d i t i o n a l s t r e s sf r o ms i n g l eb u i l d i n go ns u b s o i ls u b s i d e n c e o nt h eo t h e rh a n d ，w h e nt h e i n t e r a c t i o n l o a do fb u i l d i n g si ss t u d i e d ，b a s e do nt h eh y p o t h e s i st h a tt h eb u i l d i n g sd i s t r i b u t i o ni su n i f o r m ， t h i sp a p e rr e s p e c t i v e l ye q u a l st h e b u i l d i n gl o a d t o ：l i n e l o a d ，s t r i pl o a d s ，c o n c e n t r a t e d l o a d s a n dr e c t a n g u l a rl o a d ，t os t u d yt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nb u i l d i n gl o a d sa n dt h ee q u i v a l e n t l o a d s ，a n dt h ei m p a c tf r o mt h es u p e r p o s i t i o no fa d d i t i o n a ls t r e s so nt h ef o u n d a t i o ns o i l b a s e d o nt h es e t t l e m e n td a t af r o ml o n g - t e r mo b s e r v a t i o no nt h es t a n d a r dh i e r a r c h i c a ls e t t l e m e n ti n x i a n ，a n dt h en e a r b yr e g i o n a ls i t u a t i o n , t h i sp a p e re x p l a i n st h ei m p a c to fi n t e r a c t i o n i n f l u e n c eo fb u i l d i n g so nf o u n d a t i o ns o i ls u b s i d e n c e f i n a l l y , b yu s i n ga n s y sf i n i t e e l e m e n ts o f t w a r e ，t h i sp a p e rm o d e l sa n dc a r r i e so u tt h e s i m u l a t i o n t h ec o n c l u s i o ni sc o n s i s t e n tw i t ht h et h e o r y i na d d i t i o n ，t h i sp a p e rg e t ss e v e r a l c o n c l u s i o n s ：s u r f a c el o a dh a sc e r t a i ni m p a c to nd e e pf o u n d a t i o ns o i ls u b s i d e n c e ；t h e s u p e r p o s i t i o no fa d d i t i o n a ls t r e s s ，f r o mt h ei n t e r a c t i o no fb u i l d i n g s ，s e t t l e m e n to ff o u n d a t i o n s o i lc h a n g e sw i d e l y , i sa f f e c t e db yt h es p a c i n gb e t w e e nb u i l d i n g s ；t h ei m p a c t so ns u b s o i l s u b s i d e n c eo fb u i l d i n g sa n ds i n g l eb u i l d i n ga r eo b v i o u s l yd i f f e r e n t k e y w o r d ：s u b s i d e n c e ；e q u i v a l e n ti m p a c tl o a d ；a d d i t i o n a ls t r e s ss u p e r p o s i t i o n ；l o a d ； s t a n d a r dh i e r a r c h i c a ls e t t l e m e n t ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n l l l 目录 第一章绪论1 1 1 地面沉降及其影响因素l 1 2 城市建设引起地面沉降的研究现状3 1 3 论文的研究思路与主要研究内容4 第二章荷载影响的沉降。5 2 1 地表荷载的作用引起的沉降5 2 2 地面沉降的原因及影响因素5 2 3 基坑工程对沉降的影响7 2 4 沉降量的计算方法9 第三章单体建筑物荷载的影响1 7 3 1 地基中的土1 7 3 1 1 地基土的特性1 7 3 1 2 地基强度的一些基本概念1 8 3 1 3 地基破坏的形式1 9 3 1 4 地基压缩层厚度2 1 3 2 地基附加应力2 4 3 2 1 竖向集中力下的地基附加应力2 4 3 2 2 矩形荷载和圆形荷载下的地基附加应力2 6 第四章建筑物共同作用荷载对其影响。3 0 4 1 地基土中荷载特点3 0 4 2 大面积荷载的影响深度3 l 4 3 等效影响荷载分析31 4 3 1 建筑物等效为线荷载3 2 4 3 2 建筑物等效为条形荷载3 3 4 3 3 建筑物等效为集中荷载3 4 4 3 4 建筑物等效为等间距矩形荷载3 6 4 4 大量建筑物作用的水平影响范围分析3 9 4 4 1 建筑物等效为均布荷载3 9 4 4 2 建筑物等效为等间距分布线荷载4 0 第五章西安市分层沉降标及数值模拟方法应用4 2 5 1 西安市分层沉降标4 2 5 2a n s y s 软件及数值模拟4 5 5 2 1 有限元法简介4 5 致 射6 5 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 地面沉降及其影响因素 由人为和自然原因所造成的地面沉降现象，是地基土的表层受到压缩，产生的地面 标高的区域下降，从而导致的地址环境系统破环，的一种地质现象。这种资源损失和环 境破坏将是永久性的。地面沉降最早的研究出现在日本，早在1 8 9 0 年，在新泻被发现 的。然而，地面沉降这个课题被国际学术界所关注，则是在1 9 3 6 年，墨西哥的地面沉 降问题这篇文章在墨西哥被发表时。现在，有地面沉降现象记载的国家已经到达5 0 多个，其中意大利、中国、日本、美国和墨西哥等曾经出现过比较严重的沉降现象。 在我国，地面沉降的主要地区是松辽平原、长江、珠江三角洲、环渤海地区、东南沿海 平原和黄河地区，每年平均的直接经济损失到达一个亿人民币以上的城市有，宁波、苏 州、天津、大连、上海、台北等城市。在我国地区和城市所发生的地面沉降的影响大小 有所不同，以上是比较严重的例子。 地面沉降是自然和人为因素作用下出现的情况，我们把它总结如下【2 】： 1 、自然因素 1 ) 土体的自然作用 作为土体的自然作用，有机质氧化和土层自重固结是主要的两种。在1 9 2 7 年到1 9 3 9 年，和1 9 5 8 年到1 9 9 4 年两个时期，位于意大利境内的德拿平原的平均沉降速度为 5 0 m m a 和3 0 m m a 。在这个地区，泥炭层生物氧化、一为排水固结和土层自重固结与地 面沉降有着密切的关系，并且，地面沉降的范围一致于泥炭沉淀积层的分布情况。 2 ) 海平面上升 联合国政府的有关部门曾经对海平面上升速度进行了研究，1 9 9 5 年气候变化专门委 员会( i p c c ) 的评估综合结论中显示了最近的一百年里，平均的全球范围海平面上升速 度为1 8 m m a 。在中国，国家海洋局的数据表明，从1 9 8 1 年到1 9 9 0 年，我国的境内的 海平面的平均上升的速度为1 8 m m a ；但是从1 9 9 0 年以后，平均速度上升到了2 2 m m a 。 海平面上升，造成了地面相对沉降。 3 ) 地壳活动 地壳活动主要是由于构造作用引起的，如断裂构造等。例如，日本神户在1 9 9 5 年 时曾发生了大地震，这次地震直接导致了灾害性的砂土液化，造成了无法弥补的大面积 地面沉降。还有意大利的波河平原也是由于构造直接导致了地面沉降的速率约为 2 m m a 。 1 第一章绪论 2 、人为因素 1 ) 地下工程施工 地下工程上面的土体或者岩体处于自然情况下时，都是比较稳定的。施工过程中， 必须先对这些进行开挖。这便会由于土体中的水的流漏等导致本身处于应力平衡状态的 土体或岩体变为不平衡状态。这样就直接表现为土体或岩体的变形甚至坍塌，继而造成 地面的沉降。 地下工程引起的地面沉降主要有以下原因：如支护不及时或者支护应力不够，土体 向应力方向移动，引起开挖面上方的地面沉降；土层受到扰动，土体表面的应力释放，孔 隙水压力下降，地基便发生排水固结，引起固结变形；施工过程中引起地层的损失【3 1 。 2 ) 矿产资源开发 矿产资源主要有固、液、气等资源，其在开发的过程期间及后期都会导致地表的大 面积沉降的发生。如果开发期间不加注意，会造成很大的经济损失。例如，波兰的莱格 纳卡铜矿就是因为开发过程中过量的降水，导致了地面大范围的沉降，且沉降值甚至达 到了o 8 m ；南斯拉夫吐斯拉城岩盐矿经过长期的过量开发，造成地面沉降甚至有1 0 m 之多。 开采地下水所导致的地面沉降，目前普遍采用有效应力原理解释。承压含 水层地下水大量开采，进而地下水位下降，相邻的各粘土层孔隙水向含水层中释 水，孔隙水压力下降，有效应力增大，粘土层被压缩；渗透力作用、水体流动 及重力场的变化，使粘土层土颗粒重新排列、引起结构变形或破坏，并会发生侧 向移动，造成土层压密；抽水作用使砂砾石含水层土颗粒排列紧密，间隙减小。 上述三者共同作用，造成地面沉降。 3 ) 地表各类荷载的作用 地表的各类荷载的影响，都会导致区域性的沉降现象的发生。尤其是近几十年城市 的逐渐扩充，地面沉降对城市建设的影响越来越明显。 最近几十年，学者们都认识到了城市的建设与沉降的密切相关性，是不可忽视的问 题。地基沉降是地面沉降的一种，也是影响建( 构) 筑物设计、施工和正常使用的主要因 素，所以在土力学中产生了重要影响。2 0 世纪初期，k t e r z a g h i 等人就得出了地基沉降 的方法，目前一切认为这种方法的分析非常经典，之后许多学者又把这种方法进行了进 一步的分析改进，得出更为完善的理论，他们对地基沉降理论做出了杰出的贡献。后来， 2 长安大学硕士学位论文 有限元方法进行模拟地基沉降普遍应用，但至今这个课题还是没有从具体工程中解决工 程人员的实际l 口- j 题【3 巧】。时至今天，地基沉降的计算还是用k t e r z a g h i 等人创建的计算 方法，到具体的工程中，技术人员一般采用经验方法，而且起到了举足轻重的作用。这 个课题非常的复杂，结合工程实际运用起来效果一直都不是很好，而且工程中由于各种 因素比较复杂，且均有可能造成工程事故。 地基土的沉降计算在土力学中非常重要，而且受到广泛的关注，已经是重要的研究 对象，其主要有以下几方面：一、地基沉降计算应该与工程实际结合，对于工程技术员 则希望能够尽量的把这方面的内容简化易懂，要求实验数据尽量的直观，而且工程情况 尽可能理想化，所以我们必须在计算中引用一些工程实际经验来解决；二、到目前为止 还没有成熟的理论和工程技术来彻底解决，但是在这种情况下却对工程技术员的水平和 施工方法有比较高的要求。目前，众多工程都采用有限元方法分析，它为地基沉降提供 了便利条件，使用起来也非常方便，但是，它不可能完全代替地基沉降的理论计算方法； 三、地基沉降的理论计算许多知识点，如，土的固结度计算、应力计算、土体变形计算、 土的物理力学性质等等，它们之间互相作用，互相影响，而且还与时间联系紧密【3 巧】。 1 2 城市建设引起地面沉降的研究现状 快速的城市发展和土地需求的增加，使得填海工程规模性增长，比较常见的是由于 海边居民对用地需求的增长，而进行的填海造陆工程，在天津市的填海工程正是为了满 足这样的需求。另外，在南疆海岸的大规模的填海工程是中国最大面积的填海工程之一， 首期工程扩展陆地2 0 k m 2 ，最后大概会扩展出5 0 k m 2 的陆地，它将被建成城市临港工业 区，在2 0 0 6 年，1 4 k m 2 的填土工程已经竣工，达到“三通一平 的面积有9k m 2 。为了 处理地基软土的问题，一般采用的办法就是地基土预压固结，当要处理大面积的地基土 预压固结，而且大于一般建筑物的基底面积时，就会类似于大面积荷载问题，如垃圾填 满场、码头堆场等【锄】，面积很大的地基土的变形规律，会不同于一般面积的地基土的 变形规律。深层土受到建筑物荷载和大面积堆载的影响是一致的，为了指导城市的发展 建设，研究它们之间内在的一致性和大规模荷载产生的地面沉降的影响具有重要的意 义。 地下水资源的大规模开发，是造成地面沉降的最初原因，并且因此而造成的沉降已 经得到了深刻的认识。为了控制地下水资源造成的地面沉降，对于它产生的内在原因进 行了一系列的研究，由此而制定并实施的一系列有效的控制方法，比如地下水回灌和地 下水开发的限制等，在实践工作中起到了重要的作用。 3 第一章绪论 并且，地面沉降现象呈现上升的趋势的一个重要原因，就是现代城市的迅速发展所 引起的建筑物密集建设。据有关数据显示，西安市在1 9 7 2 年到1 9 8 8 年之间、1 9 8 9 年到 1 9 9 5 年之间的平均的地面沉降速度，从3 3 9 m m 增长到了之前的3 倍。另外有数据表明， 近些年，作为城市地面沉降加速的原因之一，城市的大规模发展造成的沉降问题已经越 来越凸显出来，成为控制地面沉降的重要课题。龚士t 9 j1 1 0 】在研究中使用系统工程来测 量地面沉降的面积，并且表明其中3 0 是由于城市发展产生的。因此，在地表沉降的研 究中，城市发展建设的地位日益增长。 研究表明地面沉降和城市建设之间存在的相互关系。主要特点如下： 1 ) 大面积荷载比小区域荷载的沉降值大； 2 ) 沉降的速率与此区域建筑物数量的增加速率成正比，数量越大，荷载越大，沉 降速率越快，沉降值越大； 3 ) 容积率也是导致沉降的主要因素之一，其值与沉降值成线性关系； 4 ) 建筑物改建比新建造成的沉降值大，城区改造比新建设城区造成的沉降值大， 等等。 1 3 论文的研究思路与主要研究内容 论文的基本研究思路：首先对沉降进行分析，研究单体建筑物荷载的影响，包括地 基土的特性、强度、破坏形式、压缩层厚度、附加应力等。其次，针对建筑物共同作用 荷载对其影响的研究，主要对影响深度、等效影响荷载、水平影响范围进行分析。最后， 采用西安市分层沉降标和三维有限元软件分析进行研究讨论。 从目前的研究成果来看，针对建筑物对地面沉降的影响只有描述该现象的原因等 等，并没有对其讨论。本篇论文论述了地面沉降的影响的分析等方面的研究工作，并且 叙述了下面一些主要内容：只有描述该现象的原因，并没有讨论。 1 ) 由荷载影响的沉降分析及沉降量的计算方法； 2 ) 考虑单体建筑物荷载的影响及附加应力； 3 ) 假定建筑物之间的间距，分析建筑地基共同作用下的附加应力和等效影响荷载 之间的联系； 4 ) 以西安市分层沉降标为研究进行分析； 5 ) 假设以某工程建设为代表，用三维有限元方法分析建筑物荷载的影响。 4 侧向和剪切的变形，从而导致各点竖向和侧向的位移。其中，地基表面竖向变形称为地 基沉降，也可以称为基础沉降。 因为建筑物荷载的差异以及地基不均匀等因素，基础或路堤的各部分沉降不论多少 总有一些不均匀，这样就使得上部结构或者路面结构中相应产生额外的变形和应力。当 地基的不均匀沉降超过了一定限度，建筑物将会出现歪斜开裂，甚至破坏，砖墙出现裂 缝、高耸构筑物倾斜、路面开裂等都是因为这样而发生的。正因如此，对于维持建筑物 的正常使用，保障建筑物的经济牢固，研究地基变形确实具有很大的实践意义【1 1 】【1 2 】f 1 3 】。 2 1 地表荷载的作用引起的沉降 交通工具和地表建筑物等的动静荷载作用，会造成区域性的地面沉降现象。由于城 市建设的大规模进行，地面沉降受建筑物的影响日益凸显出来。沉降的地区分布和工程 密集程度有关，地表的沉降大部分分布于对地基土影响较小的浅部使用率高的土层中， 如果分布于软土壤中，需区分地下水抽取导致的深层砂含水部分沉降的情况；由于不同 区域的沉降的主要原因；在深水砂层的沉降的，沉降的影响程度与工程施工方法联系紧 密。例如，对施工工艺的改进就可以做到减小沉降的程度，有可能成为决定性因素。对 工程周围一些影响沉降的情况采取措施，如，在大面积建筑物荷载集中的地方，沉降活 动会明显减小，可是，如果没有在对其控制的地方，沉降活动会偏大，上述两点之间对 沉降的影响甚至会达到1 2 个数量级【2 l 【9 】【l0 1 。 施工时期的沉降是最为明显的，动荷载要比静荷载影响的沉降值小。因此，建筑物 应该加强基础设计和采用桩基础对沉降控制效果明显。 2 2 地面沉降的原因及影响因素 除了超采地下水资源外，在城市建设发展的今天，研究人员发现城市地面建筑物大 量堆积也对地面沉降有着很大的影响。从他们的数据显示中可以得出，对于城市沉降的 明显增加的现象，其最主要因素是城市大面积改扩建，沉降控制面临新的挑战。地面沉 降和城市建设之间有着相互关系，表现在：( 1 ) 大面积荷载比小区域荷载的沉降值大； ( 2 ) 沉降的速率与此区域建筑物数量的增加速率成正比，数量越大，荷载越大，沉降 速率越快，沉降值越大；( 3 ) 容积率也是导致沉降的主要因素之一，其值与沉降值成 5 第二章荷载影响的沉降 线性关系； ( 4 ) 建筑物改建比新建造成的沉降值大，城区改造比新建设城区造成的沉 降值大，等等。 容积率就是在一定地块中，总建筑面积和建筑用地面积的比值。建筑占地面积和建 筑用地面积之比则是建筑密度。不难看出，当容积率一定时，高层建筑多，建筑物的间 距大，则建筑密度小；相反，则建筑密度大。 比较合理的做法是，选择低密度、低容积率的建筑模式来进行城市规划，扩大建筑 物的间距。另外，作为沉降的控制条件，应该将建筑容积率控制在0 9 - - 1 2 之间，以此 作为城市规划的决策性技术指标【1 4 】i l s 。 单体建筑物对沉降的影响是有限的，并且局限于一定范围内。然而，大量按规范设 计彼此互不干扰的建筑物则会引起整个区域地面的下沉。 此外，市政工程建设对地面沉降也会产生影响。 工程性的地面沉降，包括基坑降水、工程施工等原因造成的沉降。由工程因素引起 的地面沉降一般是因为工程施工引起下卧土层的应力状态发生变化，而后使得土层发生 压缩。因为多高层建筑建设所引起的地面沉降问题越来越严重，在总沉降量中所占的比 重也越来越大。 沉降影响会持续到建筑竣工以后，这从高层建筑周边沉降发展变化的趋势可以看 出。而且，高层建筑的沉降影响范围较大，在一定程度上体现了桩基础施工对周围的土 层破坏的应力传递作用。另外，由于高层建筑会有对地面沉降影响有叠加的作用，当一 个区域内周边高层密集，其周围沉降也有明显变化。由此看来，要想控制建储物的沉降作 用，另外一个条件就是要对高层建筑的建筑密度和建筑容积率有所规划。而这一规划的 确定，应该以这一地区的建筑物的沉降影响范围作为一项控制条件。还有一点需要注意 的是，多层建筑的沉降表现在与建筑物距离不同的区域会有明显不同。在一般情况下， 沉降会随着距离建筑物渐远，而逐渐减少，距离建筑物最近的区域，沉降也越大。可以 看出，相比较建筑物周围的地表沉降，沉降量较大的还是多层建筑物它本身。建筑物的 地面沉降会随着时间的推迟，明显下降。综上所述，地面沉降会受到建筑的结构形式和 建筑荷重的明显影响。如果一个多层建筑具有相对小的荷重，它的地面沉降量以及沉降 的作用范围都相对有限，周围地面沉降只会持续有限的一段时间，建筑的容积率也不会 高。 另外，地面沉降的另外一个原因是地裂缝。地裂缝会导致它所经之处的地面建筑物 与地下设施的变形甚至毁坏。它曾经给西安市政建设带来过严重的问题，一些学校、厂 6 长安大学硕士学位论文 房、居民楼和道路都被地裂缝所破坏，使得建筑损坏，桥梁和路面变形，管道破裂，造 成的直接经济损失高达数十亿元。另外，已经存在的地裂缝的不断蔓延和新的地裂缝的 产生，不仅仅为城市建筑埋下了安全隐患，而且已经成为城建土地的安全规划与有效利 用的严重制约1 0 1 。因而，作为一个独立的地质灾害种类，地裂缝已经被国内外的地学 界和工程界的学者所重视，成为了一项重要的环境地质课题，而且已经有了很多的相关 研究。 由西安地面分层沉降标监测资料显示，当地面沉降和地裂缝在同一地区发生，构造 应变场和附加应力场的互相迭加，西安的地面沉降发生发展的特点和沉降漏斗的形态表 现出它自身的特殊性：地面沉降的超常性、发育的时空不均匀性、继承性、水平发展的 局限性以及持续性。 经过一系列的研究，得出以下结论：西安地面沉降超常发展的一项主要原因是由人 为抽汲深层承压水所引起的含水系统释水压密，另外引起西安地面沉降不断发展的主要 因素则是由周边地区构造活动所引起的区域性下沉。 2 3 基坑工程对沉降的影晌 基坑坑底隆起直接影响支护结构的变形和基坑周围地表的沉降与支护结构的变形， 基坑周围地表的沉降与支护结构的变形也有密切关系。较大的支护结构变形，会导致较 大的周边地表沉降和水平位移，甚至可能会使临近的建筑物不能够安全使用。过大的周 边的地表沉降可能是由地下水位的变化和渗透所导致的地基土体中细颗粒流失过多，所 引起的【2 l l 2 2 】。对深基坑开挖周围土体变形的影响因素可以总结为以下三点：( 1 ) 地 下水、相邻房屋的分布、工况环境、交通状况、土层特性等先天条件； ( 2 ) 支撑系统、 预应力大小、开挖区形状、永久结构施工方法、挡土结构、开挖深度、开挖顺序及方法、 等：( 3 ) 挡土结构的水密性、预应力的施加时间、开挖时机及技术、支撑系统施工技 术、施工抽水控制、施工顺序、支撑拆除及回填等渊。 在基坑开挖过程中，坑内土体被挖除的过程，土体应力场也相应发生了变化，因此 而引起了周边的土体向基坑的方向产生位移，同时导致了基坑的周边地表沉降。地表沉 降曲线形态受到支护方式、工程地况和开挖阶段等的影响，一般表现为以下三种情况【2 5 】 【2 6 】 2 7 】： 第一，当基坑开挖较浅时，地表沉降趋势如图2 1 所示。具体表现为，在开挖初期， 由于支撑还没有设置，地表沉降曲线和支护结构水平变位曲线相同，类似一个三角形的 7 第二章荷载影响的沉降 分布。这是在使用悬臂式结构支护基坑时，发生的情况。基坑边缘的沉降值最大，沉降 值会随着距离的逐渐加大，而按线性分布逐渐下降。 、 ，一 l 、 、 、 、 、 、 、 、 i a a 图2 1 基坑开挖较浅时的地表沉降曲线 第二，图2 2 表现的地表沉降趋势，是在软弱土层发生的情况。支护结构入土不深 而且底层比较软时，坑底会发生较大的水平位移。靠近基坑的边缘，地表沉降会受到支 护结构变位的影响，而持续增大。这种情况下的沉降趋势呈现出类似三角形分布的曲线， 特点是数值比较大，沉降的范围也相对变大。 ， ，一 ， ， ， ， ， ， ， ， j i l i i a a 图2 2 软弱土层的地表沉降曲线 第三，当支护结构插入比较好的土层时，则地表沉降会呈现图2 3 所表现的趋势。 在地层较硬或者支护结构的入土较深的情况下，地表沉降曲线和支护结构的变形随着开 挖深度的增加，呈现类似梁的变化趋势。此时，地表沉降最大值距离基坑边缘一定距离。 8 长安大学硕七学位论文 ，、一”一， ， ， ， ， ， ， i i 、 t a a 图2 3 支护结构插入较好土层时的地表沉降曲线 为了使建筑物不受影响，最有效的办法就是，控制土体受到地下工程挖掘的影响。 最重要的一点，由于地基土质对地面沉降的影响最大，加固地基显然是控制地面沉降的 有效办法之一，在规划施工中，有一些重要的参数：加固土的强度、加固范围、不透水 发生，堵水措施尤其是对涌水冒砂的阻止成为重要的措施。另外，另一个有效控制沉降 的措施就是要及时的支护，尤其是在隧道开挖后，为了及时有效地控制隧道的形变，锚 喷初期的支护显得非常重要。地面沉陷的严格控制和地表沉陷的严格监测，是在施工支 护方法的选择中必不可少的部分【2 8 】1 2 9 】1 3 0 】。 2 4 沉降量的计算方法 天然土层往往由成层土组成，还可能具有尖灭和透镜体等构造，即使是同一厚层土 其变形性质也随深度而变。因此，地基土的非均质性是很显著的。通常在计算地基变形 的方法上，先把地基看成是均质的线性变形体，从而直接引用弹性力学来计算地基中的 附加应力，然后利用某些简化假设来解决成层土地基的沉降计算问题。 下面介绍地基最终沉降量的计算方法【1 1 1 【1 2 】。 1 、分层总和法 分层总和法计算地基的最终沉降量，即在地基沉降计算深度范围内划分为若干分 层，计算各分层的压缩量，然后求其总和。所谓地基沉降计算深度，是指自基础底面向 下需要计算压缩变形所达到的深度，亦称地基压缩层深度。该深度以下土层的压缩变形 值小到可以忽略不计。计算时应先按基础荷载、基底形状和尺寸以及土的有关指标求得 土中应力的分布( 包括基底附加应力、地基中的自重应力和附加应力) 。分层总和法单 9 第二章荷载影响的沉降 向压缩基本公式，通常假定地基土压缩时不考虑侧向变形，采用侧限条件下的压缩性指 标，适用于可压缩土层位于两层坚硬密度土之间或在大面积荷载作用时的沉降计算。 图2 4 所示薄压缩层地基，下卧不可压缩层的埋藏较浅，其上覆可压缩土层的厚度日 小于基底宽度b 的1 2 时，由于基础底面和不可压缩层顶面的摩阻力对可压缩土层的限 制作用，土层压缩时只出现很少的侧向变形，因而认为它与固结仪中土样的受力和变形 条件很相近。地基的最终沉降量s ，就可直接以s 代替肼，以日代替日，既得： s ：刍二垒日s = l 3 爿 1 + p l ( 2 1 ) 式中h 薄压缩土层的厚度； 巳根据薄土层顶、底面处自重应力平均值仃，即原始压应力a = 仃。，从 土的压曲线上查得相应的孔隙比； 乞根据薄土层项、底面处自重应力平均值仃。与附加应力平均值仃：( 本情 况近似等于基底平均附加应力p 0 ) 之和，即总压应力p 2 = 吒+ 吒，从 土的压缩曲线上得到相应的孔隙比。 图2 4 薄压缩土层的沉降计算 实际上，大多数地基的可压缩土层较厚而且是成层的。计算时必须确定地基沉降计 算深度，且在此深度范围内进行分层，然后计算各分层的顶、底面处自重应力平均值和 附加应力平均值。地基沉降计算深度的下限，取地基附加应力等于自重应力的2 0 处， 即仃，：0 2 仃。处；在该深度以下如有高压缩性土，则应继续向下计算至仃：0 1 叮。处； 核算精度均为5k p a 。沉降计算深度范围内的分层厚度可取l 2 m ，成层土的层面和地 下水位面是当然的分层面。 计算地基最终沉降量s 的分层总和法单向压缩基本公式如下： 1 0 式中 s ：第f 分层土的压缩量； 岛第，分层土的压缩应变； e 第形 层土的厚度。 因为 占，：譬：型导趔：监：p ， (22b)1 。 + e l j1 + p es f 。“ 所以 s = mr ，ap ，h ， ( 2 2 c ) 式中 p 。，根据第f 分层土的自重应力平均值( 仃。，+ 仃州) 2 ，即p ，从压 缩曲线上得到相应的孔隙比； p ：，根据第f 分层土的自重应力平均值( 仃。，+ a 州- 1 ) ) 2 与附加应力平 均值( 仃：，+ 仃州1 ) ) 2 之和，即p ：，= p 。，+ p ，相应的孔隙比； 口，e 妒m 第f 分层土的压缩系数、压缩模量和体积压缩系数。 2 、弹性力学公式 给出一个竖向集中力尸作用在弹性半空间表面时半空间内任意点m ( x ，y ，z ) 处产生 的竖向位移( x ，y ，z ) 的解答。如取m 点坐标z = o ，则所得的半空间表面任意点竖向 位移( x ，y ，0 ) 就是地基表面的沉降s 。 s ：( ，o ) ：业掣鱼 ( 2 3 ) 】ll 0 r 式中j 竖向集中力p 作用下地基表面任意点沉降； r 地基表面任意点到竖向集中力作用点的距离，= 4 x 2 + 少2 ； 昂地基土的变形模量( 或弹性模量e ) ； 地基土的泊松比。 对于局部柔性荷载作用下的地基沉降，则可利用上式，根据叠加原理求得。 对于均布的矩形荷载p 。= ( 考，叩) = 常数，其角点c 的沉降按上式积分的结果为： s = 占。po ( 2 4 ) 式中皖是单位均布矩形荷载p 。= 1 在角点c 处引起的沉降，称为角点沉降系数。 利用上式，以角点法容易求得均布的矩形荷载下地基表面任意点的沉降。 第二章荷载影响的沉降 以上角点法的计算结果和实践经验都表明，柔性荷载下地面的沉降不仅产生于荷载 面范围之内，而且还影响到荷载面以外，沉降后的地面呈碟形。但般基础都具有一定 的抗弯刚度，因而基底沉降依基础刚度的大小而趋于均匀，所以中心荷载作用下的基础 沉降可以近似地按柔性荷载下基底平均沉降计算，即 s = ( is ( x ，y ) d x a y ) 彳 ( 2 5 a ) a 式中a 为基底面积。对于均布的矩形荷载，上式积分的结果为： s ：。三譬6 p 。 ( 2 5 b ) s2 _ 6 p o 厶 d o 通常为了便于计算，统一表达为地基沉降的弹性力学公式的一般形式： s = ( 1 一p2 ) b p 。eo ( 2 6 ) 式中 平均沉降影响系数； 6 矩形或者圆形基础负荷时，基础的宽或者直径； 沉降影响系数。计算时，根据影响系数的刚度、底面的形状和位置。 对于中心荷载下的刚性基础，由于它具有无限