软土沉降的成因类型与形成机理

(一)软基沉降成因类型

珠二角地区软基沉降形成的原因主要取决于内因和外因两个方面。软土的物理力学性质差是其沉降的内因;外因主要包括由自然或人为因素引起的地下水位下降、上覆荷载作用、工程排水、固结等处理措施几个方面。软基沉降类型根据成因可分为自然固结沉降和人为工程沉降两种(图3-41)。

图3-41 软基沉降成因分类图

自重固结沉降是指新近沉积的欠固结土在自重压力下产生的自重固结沉降。多发生于珠江八大口门外缘，尤其是近期促淤成陆区，以人工围垦淤积造成的自重沉降为主。

工程排水固结是指人为抽排地下水或自然因素导致地下水位下降，软土中孔隙水压力降低而加速软土固结产生的沉降。本区以建筑工地为加速软土固结进行砂桩处理地基，或建筑场地疏干排水作业所引起的沉降较为常见。

加荷固结沉降是本区的主要沉降类型，这类沉降大多是在软土上填土建筑导致软土附加应力产生增量，改变了软土的应力平衡状态，引起压缩、排水、固结而发生地面沉降。

(二)软土沉降成因机理

1. 珠江三角洲的形成和演化决定了软土的分布和特性

从形成上看，珠江二角洲是由二次海退和二次海侵的二次旋回、六个阶段形成的，二角洲的软土是由晚更新世以来二次海侵形成的，珠二角地区软基沉降发生的范围与软土分布范围一致。第四纪沉积物多以海相、河相沉积为主，类型多为淤泥、淤泥质黏土、淤泥质砂、黏土等，这类土具有高含水量、大孔隙、低密度、低强度、高压缩性、低透水性、中等灵敏度等特点，决定了软土沉降的必然性。

从演化上看，现有研究认为珠江二角洲最老的沉积年龄为4～6万年，属晚更新世。一般认为珠江二角洲晚更新世—全新世地层自下而上可划分为六个组:石排组(Qp2-13)、西南组(Qp2-23)、二角组(Qp33、Qh1)、横栏组(Qh1)、万顷沙组(Qh2)和灯笼沙组(Qh3)，并认为存在古、老、新二套二角洲沉积(表3-30)，较新的形成时代也决定了其沉降的必然性。

表3-30 珠江三角洲晚更新世—全新世地层及沉积旋回划分

2. 软土沉降形成的自然因素和人为因素

在自然条件和人为因素作用下，软土层的沉降一般经历瞬时沉降、固结沉降和次固结沉降二个阶段。瞬时沉降是地基受到荷载后立即发生的沉降，是由土体产生的剪变形所引起的沉降，这部分变形是不可忽略的。固结沉降是地基受荷后产生的附加应力，使土体的孔隙压缩，由于孔隙水的排出而引起土体体积减小所造成，是软基沉降的主要阶段。次固结沉降是地基在外荷作用下，经历很长时间，土体中超孔隙水压力已完全消散后，在有效应力不变的情况下，由土的固体骨架长时间缓慢蠕变所产生的沉降。软基沉降发育与软土物理力学性质、软土沉积时代、厚度与埋藏情况、填土以及工程活动情况有关。

1)软土自身条件对沉降的影响

珠二角地区软土属第四纪沉积物，主要为海相淤泥和淤泥质土，由于沉积年代较短，以及其独特的地理地质成因，形成了典型的区域性软土，具有其独特的物理力学性质(表3-31)。

(1)含水量高、天然孔隙比大、饱水程度高、渗透性低。含水量(w)一般大于35%，平均58.6%，有的区域w高达90%，部分泥炭土的w达200%。孔隙比e一般在1.01～2.68，平均为1.6。土体饱和度Sr=94%～100%，平均98.5%。土层的垂直方向的渗透系数在10-8～10-6cm/s，使得土体在荷载作用下固结速率小，变形稳定所需时间长。水平方向的渗透系数一般在10-5～10-4cm/s，明显高于垂直方向。

(2)压缩性高、抗剪强度低、承载力低。珠江二角洲软土一般处于正常固结状态，部分软土处于欠固结状态，压缩系数a1-2平均1.17MPa，其值随着土层的深度有所提高，内摩擦角为2°～29.5°，平均8.38°。地基承载力一般在20～130k Pa，平均68k Pa，如不进行加固处理很难满足工程需要。

(3)软土呈蜂窝状、絮状结构，灵敏度高，土的灵敏度St为3～6，个别高达7～9，软土扰动后强度显著下降，甚至呈流动状态。

表3-31 珠江三角洲软土的物理力学性质指标统计表

一般来说，软土形成时代新、埋藏浅、软土厚度大的区段，软土孔隙比大、含水量高、压缩系数大，易于产生压缩，地面沉降量大，对工程的影响大，反之亦然。通过典型钻孔路段软土厚度与地面沉降量对比，得出软土厚度与地面沉降量成正比(图3-42)。

2)人类活动对软基沉降的影响

人类活动的影响主要体现在如下两个方面:一方面是人为加载急剧加速了软土固结的速度，就是前文提到的加荷固结沉降，导致了软土区出现大面积软基沉降与工程建筑损坏。主要有填土加载、建筑物加载和机械动荷载3种情况。

图3-42 软土厚度与地面沉降量的关系

填土加载引起的沉降是在珠二角地区最常见的一种，随着经济区城市化进程不断推进，建设用地需要进行大面积的削高填低工程，修筑公路、铁路等交通路线需要填筑路基，不仅增加了软土荷载，也打破了软土的平衡状态。在软土分布区填土建筑，当选择桩基础穿越软土以及深部基岩持力层时，由于建筑物稳定而地面继续沉降，往往导致楼房悬空吊脚、桥梁相对“突起”;部分直接在软土硬壳层上建造的房屋，因缺乏桩基础和持力层支承，建筑物的自重荷载直接对软土加压，常造成建筑物整体下沉或不均匀下沉。

另一方面，人为抽排地下水引起的沉降。由于过量抽排地下水，引起地下水位下降，降低了含水层的浮托力，在上覆土体自重力作用下，软土中孔隙水压力降低而加速软土固结产生的沉降。珠二角地区以建筑工地为加速软土固结进行砂桩处理地基，或建筑场地疏干排水作业所引起的沉降较为常见。

3. 新构造运动的长期影响作用不容忽视

新构造运动决定了软土分布范围。除了前述根据古海岸线的3个分区以外，断块差异升降造成了新的软土分布不均。自中更新世以来，珠江二角洲NE、NW和EW向二组断裂重新活动、相互截切，使得断块发生差异升降运动，形成断隆和断陷(图3-43)。在断块沉降和第四纪海平面变化的联合作用下，在断陷内的凹陷，接受上、下二角洲堆积两套地层，形成二角洲平原，奠定了珠江二角洲第四系沉积基底。这些堆积较松散和饱含水，在外力作用下常发生变形或流动。

图3-43 珠江二角洲断块分布图

Ⅰ:东江断块;Ⅱ:西北江断块;Ⅱ1:二水断陷;Ⅱ2:番禺断隆;Ⅱ3:顺德断陷;Ⅱ4:万顷沙断陷;Ⅱ5:新会断陷;

Ⅲ:五桂山断块;Ⅲ1:五桂山断隆;Ⅲ2:珠海断隆;Ⅲ3:灯笼沙断陷;Ⅳ:伶仃洋断块;Ⅴ:万山群岛断块

东江断陷、二水断陷、顺德断陷、万顷沙断陷、新会断陷、灯笼沙断陷沉积中心第四系厚度20～60m。其中万顷沙凹陷沉积中心第四系厚度50～60m，是二角洲第四系发育最全的凹陷，灯笼沙断陷中心第四系厚度超过60m，是二角洲内第四系厚度最大的断陷。这两处断陷正是最易发生软基沉降的地区。

珠二角地区新构造运动，继续着二角洲以前的断块运动的特征，除表现为边缘断块的隆起和二角洲腹心的下沉外，还有由东西两侧向二角洲中心的挠曲、向南掀斜的趋势，虽然缓慢，但在二角洲长期规划中仍是一种不可忽视的因素。