基于地下水位变化高层建筑群引起土体分层沉降机理研究

Land subsidence exists throughout the world, especially in the cities. With the increase of the high-rise buildings and the engineering dewatering, land subsidence induced by the human factors accelerates. This project focuses on the clayey soil layer and the silty sand layer. Through loading the high-rise building group, controlling the groundwater level and comparing with the measured data in site, model tests are conducted to study the subsurface settlements of soils induced by the high-rise building group and the groundwater changing, respectively. Based on the pictures by the digital cameras, the subsurface settlements are measured by the particle image velocity analysis technique (PIV). Building the mechanical model to analyze the stress and the interface effect between the clayey soil layer and the silty sand layer, the macro-mechanism of subsurface settlements is studied. Based on the change law of the earth pressure and pore water pressure among the soils, the mercury intrusion porosimetry test (MIP) and the scanning electron microscope test (SEM) are conducted to analyze the microstructure of soils with the different stress levels. The micro-mechanism of subsurface settlements is also studied. The subsurface settlements of soils induced by the high-rise building group and the changing groundwater level are numerically simulated by the 3D finite element method. The results of this project will provide references for the city government to control the land subsidence in the soft soil area induced by the ground water and the high-rise building group.

地面沉降在世界各地非常普遍，在城市地区尤为显著，随着高层建筑的不断增多和大量工程降水，人为诱发的地面沉降有加速的趋势。本项目拟以上海软土地区的粘性土层和粉砂土层为研究对象，通过模型试验施加建筑荷载和控制水位、结合现场实测数据，研究高层建筑群和地下水位变化对土体分层沉降的各自影响；基于数码照相，采用粒子图像速度分析技术（PIV）对土体分层沉降进行量测，建立力学模型分析粘性土层和粉砂层的层间应力和界面效应，研究土体分层沉降的宏观机理；基于土层内土压力和孔隙水压力的变化规律，通过压汞试验（MIP）和扫描电镜试验（SEM），分析不同应力水平下土体的微观结构，研究土体分层沉降的微观机理；通过三维有限元方法对基于地下水位变化高层建筑群引起土体分层沉降进行数值模拟。本项目研究成果为地下水和高层建筑群作用下软土地区城市地面沉降的防治具有重要的理论指导意义。

本项目以上海地区地面沉降为研究背景，采用理论分析、数值模拟和室内试验等手段，对软土地区高层建筑荷载和地下水位变化共同作用引起的地面沉降进行研究，为软土地区地面沉降防治提供理论基础。（1）根据位移协调条件，建立多层土单井抽水引起地面沉降计算模型；通过调整桩长、建筑间距、降深和抽水层次，对建筑荷载、抽水以及二者共同作用引起的地面沉降进行数值模拟。开采第一含水层，建筑物的存在降低了地面沉降，建筑物所在位置沉降减少约50%；开采第二含水层，建筑物对土体变形影响很小。桩基础受力状态的变化是建筑物及附近土体在抽水阶段沉降分布发生变化的主要原因；（2）通过模型试验，采用颗粒图像测速技术，研究建筑荷载和地下水开采引起土体分层变形特性。抽水时，建筑物桩基础的负摩擦作用降低了建筑物及建筑物周围土体的沉降，相应地增加了建筑物周围的差异沉降；相对于加载引起的沉降，抽水引起的沉降发展较为缓慢，但持续时间长。加载和抽取地下水引起的地面沉降，都是软土层的变形占整个地面沉降的比例很大；（3）对比室内模型试验与数值模拟结果，高层建筑荷载引起的地面沉降，建筑范围内部因叠加效应存在，沉降量值增加，但差异沉降相对降低。在已有建筑物的影响下，抽水引起的地面沉降，因桩土间相互作用，建筑物附近沉降值降低，但差异沉降增加，同时建筑桩基础轴力增加。在建筑加载阶段因叠加效应沉降值增加、沉降差值相对降低的地区，在抽水阶段受建筑物影响依然较大，但沉降差值增加，沉降值相对降低；建筑荷载及抽水共同作用，使得建筑物附近沉降差变小，沉降趋于平缓。但若抽水量过大，则会引起沉降差反向增加；（4）基于SEM扫描照片，运用计算机图形处理，提取土体微观结构参数是比较可靠的研究方法；阈值的选取直接决定运用SEM图片计算所得土体孔隙比的大小，所取阈值越大，计算所得孔隙比越小；运用大津法计算土体孔隙比大于实际孔隙比，可采用大津法计算所得的孔隙比减去15%来估算实际孔隙比；（5）压汞试验中，随着进汞压力的增加，进汞孔径逐步减小，一方面说明了土的微观结构发生一定坍缩，另一方面说明较大的孔隙已被汞液填充，汞液能够进入更小的孔隙；进汞体积随进汞压力变化曲线呈明显的“马鞍形”；进汞体积增量随着进汞压力变化先是台阶式的少量增长之后显著增加，取其曲线斜率明显增加的点作为进汞压力阈值点，此点的汞压力更具有阈值的代表性。