地面沉降問題的工程地質(zhì)分析

1、地面沉降問題的工程地質(zhì)分析,提 要,基本概念及研究意義地面沉降的形成機制地面沉降的產(chǎn)生條件地面沉降的研究、預測及防治,一. 基本概念及研究意義,地面沉降　　地面沉降是指在一定的地表面積內(nèi)所發(fā)生的地面水平面降低的現(xiàn)象。地面沉降現(xiàn)象很早就為史書所記載。作為自然災害，地面沉降的發(fā)生有著一定的地質(zhì)原因。但是，隨著人類社會經(jīng)濟的發(fā)展、人口的膨脹，地面沉降現(xiàn)象越來越頻繁，沉降面積也越來越大。在人口密集的城市，地面沉降現(xiàn)象尤為嚴重?，F(xiàn)在我們

2、研究地面沉降的原因時，不難發(fā)現(xiàn)，人為因素已大大超過了自然因素?，F(xiàn)在的地面沉降現(xiàn)象與其說是自然災害，倒不如稱之為人為禍患。,地面沉降的地質(zhì)原因 　　從地質(zhì)因素看，自然界發(fā)生的地面沉降大致有下列3種原因。 　　1. 地表松散地層或半松散地層等在重力作用下，在松散層變成致密的、堅硬或半堅硬巖層時，地面會因地層厚度的變小而發(fā)生沉降。 　　2. 因地質(zhì)構造作用導致地面凹陷而發(fā)生沉降。 　　3. 地震導

3、致地面沉降。,地面沉降的人為原因 　　地面沉降現(xiàn)象與人類活動密切相關。尤其是近幾十年來，人類過度開采石油、天然氣、固體礦產(chǎn)、地下水等直接導致了今天全球范圍內(nèi)的地面沉降。在我國，由于各大中城市都處于巨大的人口壓力之下，地下水的過度抽采更為嚴重，導致大部分城市出現(xiàn)地面沉降，在沿海地區(qū)還造成了海水入侵。 地面沉降導致了地表建筑和地下設施的破壞。據(jù)統(tǒng)計，我國每年因地面沉降導致的經(jīng)濟損失達1億元人民幣以上。值得慶幸的是，我國已

4、開始重視這個問題，控制人口增長、合理開采地下水等一系列政策的出臺使我國很多地區(qū)的地面沉降現(xiàn)象已經(jīng)或?qū)⒌玫娇刂啤?,主要危害 (1).沿海地區(qū)沉降使地面低于海面，受海水侵襲； (2)一些港口城市，由于碼頭、堤岸的沉降而喪失或降低了港灣設施的能力; (3)橋墩下沉，橋梁凈空減小，影響水上交通. (4)在一些地面沉降強烈的地區(qū)，伴隨地面垂直沉陷而發(fā)生的較大水平位移，往往會對許多地面和地下構筑物造成巨大危害;

5、 (5)在地面沉降區(qū)還有一些較為常見的現(xiàn)象，如深井管上升、井臺破壞，高擺脫空，橋墩的不均勻下沉等，這些現(xiàn)象雖然不致于造成大的危害，但也會給市政建設的各方面帶來一定影響。,天津市地面沉降,西安市地面沉降,上個世紀90年代以來，由于采取限采、禁采地下水和回灌地下水等措施，上海、嘉興、寧波等地沉降速度趨緩，但總體沉降范圍卻在迅速擴展。如杭、嘉、湖的沉降正向整個平原蔓延，長江三角洲地區(qū)的地面沉降在區(qū)域上有連成一片的趨勢。蘇錫常地區(qū)的沉降速度

6、也在加大，蘇州市自1949年以來累計地面沉降600毫米的面積已達180平方公里，常州43平方公里，無錫59.5平方公里。地面沉降最嚴重的是上海，其次是蘇錫常，再次是杭嘉湖。40年來，上海市因地面沉降的直接經(jīng)濟損失達2900億元，其中潮損1755億元，澇損848億元，安全高程損失189億元。,北京供水三分之二來自地下水。近年來，由于地下水的超量開采，北京平原地面沉降呈快速增加趨勢。到目前為止，在東郊八里莊—大郊亭、東北郊來廣營、昌平沙河—

7、八仙莊、大興榆垡—禮賢、順義平各莊等地已經(jīng)形成了五個較大的沉降區(qū)，沉降中心累計沉降量分別達到722毫米、565毫米、688毫米、661毫米、250毫米。最嚴重的地方，地表還在以每年20至30毫米的速度下沉。由于地面沉降，北京城市基礎設施受到一定程度的損害。在部分沉降區(qū)發(fā)現(xiàn)工廠、居民區(qū)樓房墻壁開裂、地基下沉、地下管道工程損壞等50余處險情，一些建筑物的抗震能力和使用壽命也受到影響。,北京每年平均超采地下水約1億立方米，這是造成地面沉降的主

8、要原因。 　　近年來，北京市每年開采地下水量達26億至27億立方米———平均每年超采1億立方米。在2003年，北京平原形成的5個沉降區(qū)中，形成了近1100平方公里的降落漏斗，導致大面積地面沉降，根據(jù)1999年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，累計地面沉降量大于50毫米的地區(qū)達到2815平方公里。,二. 地面沉降的形成機制1 承壓水位降低所引起的應力轉(zhuǎn)變及土層的壓密 位于末固結(jié)或半固結(jié)疏松沉積層地區(qū)內(nèi)的大城市，因為潛水易于污染往往開發(fā)深層的承

9、壓水作為工業(yè)及生活用水的水源。 在孔隙承壓含水層中，抽汲地下水所引起的承壓水位的降低，必然要使含水層本身和其上、下相對含水層中的孔隙水壓力隨之而減小。根據(jù)有效應力原理可知，土中由復蓋層荷載引起的總應力是由孔隙中的水和土顆粒骨架共同承擔的。,由水承擔的部分稱為孔隙水壓力，它不能引起土層的壓密，故又稱為中性壓力，而由土骨架承擔的部分則能直接造成土層的壓密，故稱為有效應力；二者之和等于總應力。假定抽水過程中土層內(nèi)的總應力不變，那么

10、孔隙水壓力的減小必然導致土中有效應力的等量增大，結(jié)果就會引起土層成比例的固結(jié)。由于區(qū)域性地面沉降范圍較廣闊，壓縮層厚度與沉降范圍相比較，又相對較小，因此無論從理論或?qū)嶋H應用上，即可以把這類由于抽水引起的地面沉降問題按一維固結(jié)問題處理。 以三層結(jié)構條件下單層抽水的情況為例，對抽水過程中土層中應力的轉(zhuǎn)變及土層的固結(jié)問題進行具體分析。,,,,由于透水性能的顯著差異，上述孔隙水壓力減小，有效應力相應增大的過程，在砂層和粘土層中的表現(xiàn)是截

11、然不同的。在砂層中這一過程基本上標志著固結(jié)進展程度的應力轉(zhuǎn)換線逐漸地向最終邊界線推進(圖1)，而達到AB線(與降低后的承壓水位相平衡的孔隙水壓力線)所需的時間，正如模型試驗(圖2)所表明的，往往需要幾個月、幾年甚至幾十年(取決于土層厚度和透水性)。這樣，在承壓水位降低后，直到應力轉(zhuǎn)變過程(也就是固結(jié)過程)最終完成之前的相當長的一段時間里，粘土層中始終不同程度地存在有高于和新的承壓水位相平衡的孔隙水壓力，這部分孔隙水壓力通常被稱為剩余孔隙

12、水壓力或超孔隙水壓力。,圖1,圖2 由承壓水頭降低引起的土層固結(jié)的模擬試驗結(jié)果,,,土層內(nèi)現(xiàn)有的剩余孔隙水壓力的大小，是衡量該土層在現(xiàn)存的應力條件下可能最終產(chǎn)生的固結(jié)、壓密的強烈程度的重要標志，通?？梢酝ㄟ^實測加以查明。 以上通過一種較簡單的三層結(jié)構、單層抽水模式的機制。其它多層結(jié)構(甚至多層抽水)類型的沉降機制仍然是相同的，所以就不再一一地進行討論了。,2. 土層的性質(zhì)及其變化與地面沉降的關系(1). 土層的固結(jié)

13、狀態(tài)與地面沉降的關系 討論了承壓水位下降引起地面沉降盡管情況要復雜得多。如前所述，在土的固結(jié)、壓密過程中起作用的只是有效應力，也就是說，土的固結(jié)、壓密程度主要取決于曾經(jīng)作用于土體上的有效應力的大小。通常將曾經(jīng)作用于土層中的最大有效應力稱為該土層的予固結(jié)應力(或先期固結(jié)應力)，它相當于壓縮曲線上開始的近水平段終點處的壓力值，故可通過實驗加以測定。,如果抽水前土層不同深度處的固結(jié)程度都與土中現(xiàn)有的天然有效應力此相適應，那么這

14、種土層就稱為正常固結(jié)的土層，此時該土層內(nèi)的天然孔隙水壓力線(即靜水壓力線)與預固結(jié)應力線相重合。這里所謂的預固結(jié)應力線，是指在不同深度上，從總應力線向左方截取該深度土的預固結(jié)應力值所得各點的連續(xù)。倘若當前土層內(nèi)不同深度處的固結(jié)程度不與現(xiàn)有的天然有效應力此相適應， 在相同的條件下，超固結(jié)土層的壓密量將小于正常固結(jié)土層，同理欠固結(jié)土層的壓密量則將大于正常固結(jié)土層。,(3). 砂層與粘土層的壓密在地面沉降中的相對重要性

15、 在較低的有效應力增長條件下，粘土層的壓密在地面沉降中起主要作用，而在水位回升過程中，砂層的膨脹回彈則有決定意義。,三. 地面沉降的產(chǎn)生條件 從前面的討論中可以看出，地面沉降的產(chǎn)生需要一定的地質(zhì)、水文地質(zhì)條件和土層內(nèi)的應力轉(zhuǎn)變(由水所承擔的那部分應力不斷轉(zhuǎn)移到土顆粒上)條件。 從地質(zhì)、水文地質(zhì)條件來看，疏松的多層含水體系；其中承壓含水層的水量豐富，適于長期開采；開采層的影響范圍內(nèi)，特別是它的頂、底板，有厚層的正常固結(jié)甚或欠

16、固結(jié)的可壓縮性粘性土層等，對于地面沉降的產(chǎn)生是特別有利的。,從土層內(nèi)的應力轉(zhuǎn)變條件來看，承壓水位大幅度波動式的趨勢性降低，則是造成范圍不斷擴大的、累進性應力轉(zhuǎn)變的必要前提。 四. 地面沉降的研究、預測及防治 1. 地面沉降的工程地質(zhì)研究 為了掌握地面沉降的規(guī)律和特點，合理擬定控制地面沉降的措施，研究工作必須包括下述內(nèi)容： (1)地區(qū)地質(zhì)結(jié)構的研究； (2)地面水準點的定期測量，,(3)地下水開采量

17、統(tǒng)計及地下水位的長期觀測； (4)粘性土層孔隙水壓力的觀測； (5)土層性質(zhì)的測試； (6)各土層實際沉降量的監(jiān)測及土性參數(shù)的反算。 其中前三項工作屬常規(guī)性質(zhì)，用一般通用的方法進行。 粘性土層孔隙水壓力的觀測 為研究抽、灌水作用下，土層不同深度處孔隙水壓力的有關數(shù)據(jù)，應有計劃地開展現(xiàn)場孔隙水壓力觀測工作。除常規(guī)土工試驗外，還需進行以下一些專門性質(zhì)的試驗研究工作：,為此，需在不同地區(qū)的粘性土層內(nèi)

18、埋沒孔隙水壓力觀測孔，在夏季用水期一般每5天觀測一次，其他季節(jié)每10天一次。 土層性質(zhì)的測試研究 從地面沉降角度研究土層的性質(zhì) 壓縮試驗，高壓固結(jié)試驗 各土層實際沉降量的監(jiān)測及土層性質(zhì)參數(shù)的反算 基巖標與分層標的埋設, 合成孔徑雷達(InSAR)和 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)的應用。,2. 地面沉降的預測及防治 防治地面沉降的原則和方法 控制地下水開采和地下水人工回灌從1966年起，上

19、海開始限采地下水，向地層回灌自來水，“冬灌夏用”、“夏灌冬用”，以地下含水層儲能及開采深部含水層等眾多措施把上海地面沉降穩(wěn)住，1966年至1971年還出現(xiàn)了回彈3毫米。上海市過去地下水取水點多如牛毛，現(xiàn)在已經(jīng)壓縮到800個左右。地下水年開采量從過去的2億立方米，下降至2002 年的9635 萬立方米。      上海采取控制地下水開采和地下水人工回灌兩大措施，使上海地面沉降從歷史最高的年沉降量