地面沉降工程地質(zhì)研究

1、地面沉降工程地質(zhì)研究,一、概述,地面沉降：指地面高程的降低，均指地殼表面某一局部范圍內(nèi)的總體下降運動。,特點：以緩慢的、難于察覺的向下垂直運動為主，只有少量的或基本沒有水平向的位移，可能影響的平面范圍可大至幾千平方公里。在某些實例中地面沉降是一種自然動力地質(zhì)現(xiàn)象，而在多數(shù)實例中這種現(xiàn)象是由人類活動所引起的，常以地殼表層一定深度內(nèi)巖土體的壓密固結(jié)或下沉為主要形式。近年來的研究成果表明，地面沉降產(chǎn)生于特定的地質(zhì)環(huán)境中并受到多種誘發(fā)因素的制約

2、和影響。,誘因：引起地面沉降的因素包括自然地質(zhì)因素和人類工程活動因素兩大類。地面沉降可以由單一因素誘發(fā)，而在許多情況下是由幾種因素綜合作用的結(jié)果。在諸因素中，人類工程活動因素常起著重要的作用。,自然動力地質(zhì)因素　　 (1) 地球內(nèi)營力作用 它包括地殼近期下降運動、地震、火山運動等。由地殼運動所引起的地面下降是在漫長的地質(zhì)歷史時期中緩慢地進(jìn)行的，其沉降速率較低，一般不構(gòu)成災(zāi)害性后果。例如我國天津地區(qū)第四紀(jì)以來的地殼年平均

3、沉降速率約為0.17－0.2mm，近期的年平均下降速率為1－2mm。但是在地殼沉降區(qū)內(nèi)的不同地點下降速率并非完全一致，常常表現(xiàn)出相對不均一性。 (2) 地球外營力作用 它包括溶解、氧化、凍融等作用。地下水對土中易溶鹽類的溶解，土壤中有機組分的氧化，地表松散沉積物中水分的蒸發(fā)等，均可能造成土體孔隙率或密度的變化，促進(jìn)土體自重固結(jié)過程而引起地面下降。,人類活動因素　　人類活動因素是誘發(fā)高速率地面沉降的重要因

4、素。在諸多人類活動因素中對地面沉降的發(fā)生和發(fā)展關(guān)系最為密切的因素是抽取地下液體的活動。由于各種形式的抽取地下液體而導(dǎo)致地面沉降的實例，幾乎占當(dāng)前世界范圍內(nèi)地面沉降全部事例的絕大部分。由于這種情況下的地面下沉是逐漸演變的，其后果往往在已明顯地表現(xiàn)為災(zāi)害之后才被認(rèn)識，因而其危害性也最大。抽液活動包括以下幾種典型情況：,(1) 持續(xù)性超量抽取地下水 在松散介質(zhì)含水系統(tǒng)中長期的、周期性的開采地下水，當(dāng)開采量超過含水系統(tǒng)的補給資源

5、(即動儲量)限額時，將導(dǎo)致地下水位的區(qū)域性下降，從而引起含水砂層本身的壓密以及其頂?shù)撞恳欢ǚ秶鷥?nèi)飽水粘性土層中的孔隙水向含水層運移(即越流作用)。在滲流的動水壓力和土層孔隙水排出所相當(dāng)之附加有效應(yīng)力作用下，粘土層發(fā)生壓密固結(jié)，從而綜合影響導(dǎo)致了地面沉降。,(2) 開采石油 開采石油是人工抽取地下液體的另一種重要形式，在某些埋藏較淺的半固結(jié)砂巖含油層中，抽取石油可引起砂巖孔隙液壓的下降，未完全固結(jié)的砂巖在上覆巖層自重壓力作

6、用下繼續(xù)固結(jié)，引起采油區(qū)地斷下降。典型實例是美國長灘威明頓油田，該地區(qū)含油氣層位于地下600－1500m深度內(nèi)，自1926－1968年期間共鉆2800口油井，采出油氣5.2×109m3，其地面總沉降量達(dá)9.0m，使油田設(shè)施遭到嚴(yán)重破壞。經(jīng)向油層注水(1.75×105m3／d)后沉降停止并有少量地面回彈。(3) 開采水溶性氣體 日本新隅因開采水溶性天然氣——甲烷而持續(xù)地大量抽水，導(dǎo)致開采層地下水位下降

7、及含氣層的壓縮，產(chǎn)生了大幅度的地面沉降。,自l9世紀(jì)末以來，隨著世界范圍內(nèi)人類工程活動強度和規(guī)模的不斷增大，在許多具備適宜的地質(zhì)環(huán)境的地區(qū)陸續(xù)出現(xiàn)了地面下沉現(xiàn)象。在諸多實例中由于人類抽取地下液體的工程活動而引起的地面沉降的情況最為普遍。意大利的威尼斯城是最早被發(fā)現(xiàn)因抽取地下水而產(chǎn)生地面沉降的城市。之后，日本、美國、墨西哥、中國、歐洲和東南亞一些國家中的許多位于沿?；虻推皆系某鞘械貐^(qū)，由于抽取地下液體的工程活動，均先后出現(xiàn)了較嚴(yán)重的地面

8、沉降問題。表10-1列出了世界各典型地面沉降地區(qū)的沉降量值、速率、誘發(fā)因素及已采取的治理措施等一般概況。,表10-1 世界各地地面沉降概況,由于地面沉降與人類工程活動有著直接的聯(lián)系，它常常產(chǎn)生于具備了特定地質(zhì)環(huán)境的工業(yè)化和城市化地區(qū)，給這些地區(qū)的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展、城市建設(shè)、環(huán)境保護(hù)和人類生活帶來危害?！　〉孛娉两凳怯啥喾N動力地質(zhì)因素特別是人類活動因素所引起的工程動力地質(zhì)作用。這種作用的后果無論對城市環(huán)境或各種類型工程建筑物的穩(wěn)定都是不

9、利的。該問題的嚴(yán)重性已愈來愈引起有關(guān)學(xué)科專家的重視。因而近年來人們已把地面沉降問題列為工程地質(zhì)學(xué)及環(huán)境地質(zhì)學(xué)的重要課題加以研究。,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(shè)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(gòu)筑物造成

10、巨大危害; (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(shè)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(jì)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(kuò)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

11、地區(qū)的沉降速度也在加大，蘇州市自1949年以來累計地面沉降600毫米的面積已達(dá)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(yán)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(jì)損失達(dá)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

12、營、昌平沙河—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(dá)到722毫米、565毫米、688毫米、661毫米、250毫米。最嚴(yán)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(chǔ)設(shè)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。,上海市地面沉降使橋墩錯位,二、地面沉降的地

13、質(zhì)環(huán)境,地面沉降一般發(fā)生在未完全固結(jié)成巖的近代沉積地層中，其密實度較低，孔降度較高，孔隙中常為液體所充滿。地面沉降過程實質(zhì)上是這些地層的滲透固結(jié)過程的繼續(xù)。,近代河流沖積環(huán)境模式,近代三角洲平原沉積環(huán)境模式,斷陷盆地沉積環(huán)境模式,二、地面沉降的地質(zhì)環(huán)境（續(xù)1）,近代河流沖積環(huán)境模式：,以河流中下游高彎度河流沉積相為主。,屬于這種模式的河流常處于現(xiàn)代地殼沉降帶中，河床遷移頻率高，因而沉積物特征為多旋回的河床沉積土－－下粗上細(xì)的粗粒土和泛原

14、沉積土，并以細(xì)粒粘性土為主的多層交錯疊置結(jié)構(gòu)。,我國東部許多河流沖積平原如長江中下游，黃淮海平原、松嫩平原等均屬于此種類型。,二、地面沉降的地質(zhì)環(huán)境（續(xù)2）,近代三角洲平原沉積環(huán)境模式：,三角洲位于河流入海地段，介于河流沖積平原與濱海大陸架的過渡地帶。,其沉積結(jié)構(gòu)具有由陸源碎屑——以中細(xì)砂為主夾有機粘土與海相粘性土交錯疊置的特征。,我國長江三角洲主體部分屬于建設(shè)性三角洲，并繼續(xù)向外淤積擴(kuò)展形成廣闊的三角洲平原。位于其上的上海、常州、無錫

15、等城市地面沉降的發(fā)生和發(fā)展均受這種地質(zhì)環(huán)境模式的控制。,二、地面沉降的地質(zhì)環(huán)境（續(xù)3）,斷陷盆地沉積環(huán)境模式 ：,一般位于三面環(huán)山，中部以斷塊下降為主的近代活動性地區(qū)。盆地下降過程中，不斷接受來自周圍剝蝕區(qū)的碎屑物質(zhì)，堆積了多種成因的粒度不均一的沉積層。沉積物結(jié)構(gòu)受斷陷速率和節(jié)奏的控制。按其地理位置可分為兩種類型。,二、地面沉降的地質(zhì)環(huán)境（續(xù)4）,（1）臨海式斷陷盆地：,這類盆地位于濱海地區(qū)，常受到近期海浸影響。其沉積結(jié)構(gòu)由海陸交互相地

16、層組成。我國臺北和寧波盆地均屬于這種模式。,（2）內(nèi)陸式斷陷盆地：,這類盆地位于內(nèi)陸高原的近代斷陷活動地區(qū)。盆地內(nèi)接受來自周圍物源區(qū)的多種成因的陸相沉積。由于斷陷運動的不均一性，造成沉積物粒度變化和不同的旋回韻律。我國汾渭地塹中的盆地屬于此種類型。,圖10－7 寧波斷陷盆地剖面圖(據(jù)沈孝宇等)1－亞粘土；2－淤泥質(zhì)亞粘土；3－亞砂土；4－粉土質(zhì)砂礫；5－砂±；6－砂礫土；7－砂礫巖；8－凝灰?guī)r,三. 地面沉降的形成機制

17、1 承壓水位降低所引起的應(yīng)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(yīng)力原理可知，土中由覆蓋層荷載引起的總應(yīng)力是由孔隙中的水和土顆粒骨架共同承擔(dān)的。,由水承擔(dān)的部分稱為孔隙水壓力，它不能引起土層的壓密，故又

18、稱為中性壓力，而由土骨架承擔(dān)的部分則能直接造成土層的壓密，故稱為有效應(yīng)力；二者之和等于總應(yīng)力。假定抽水過程中土層內(nèi)的總應(yīng)力不變，那么孔隙水壓力的減小必然導(dǎo)致土中有效應(yīng)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(yīng)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(gòu)條件下單層抽水的情況為例，對抽水過程中土層中應(yīng)力的轉(zhuǎn)變

19、及土層的固結(jié)問題進(jìn)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(yīng)力相應(yīng)增大的過程，在砂層和粘土層中的表現(xiàn)是截然不同的。在砂層中這一過程基本上標(biāo)志著固結(jié)進(jìn)展程度的應(yīng)力轉(zhuǎn)換線逐漸地向最終邊界線推進(jìn)(圖1)，而達(dá)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(yīng)力轉(zhuǎn)變過程(也就是固結(jié)過程)最終完成

20、之前的相當(dāng)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(yīng)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(biāo)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(gòu)、單層抽水模式的機制。其它多層結(jié)構(gòu)(甚至多層抽水)類

21、型的沉降機制仍然是相同的，所以就不再一一地進(jìn)行討論了。,承壓含水層系統(tǒng)中單層抽水壓力關(guān)系圖解　　a－地層剖面；b－壓力相互關(guān)系，相對隔水層B層頂及底部地層總壓力初始值為p1及p2，水壓力初始值為pω1及pω2。承壓含水層中承壓面降低值z2導(dǎo)致的水壓力變化由虛線表示，有效應(yīng)力由虛線pex標(biāo)出,美國Sunyvale和Pixley地面沉降區(qū)的觀測實例,2. 土層的性質(zhì)及其變化與地面沉降的關(guān)系(1). 土層的固結(jié)狀態(tài)與地面沉降的關(guān)系

22、 討論了承壓水位下降引起地面沉降盡管情況要復(fù)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(yīng)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(yīng)力的大小。通常將曾經(jīng)作用于土層中的最大有效應(yīng)力稱為該土層的預(yù)固結(jié)應(yīng)力(或先期固結(jié)應(yīng)力)，它相當(dāng)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(yīng)力此相適應(yīng)，那么這種土層就稱為正常固結(jié)的

23、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(yù)固結(jié)應(yīng)力線相重合。這里所謂的預(yù)固結(jié)應(yīng)力線，是指在不同深度上，從總應(yīng)力線向左方截取該深度土的預(yù)固結(jié)應(yīng)力值所得各點的連續(xù)。倘若當(dāng)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(yīng)力此相適應(yīng)， 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 在較低的有效應(yīng)力增長

24、條件下，粘土層的壓密和非彈性的永久變形在地面沉降中起主要作用，而在水位回升過程中，上述變形不能恢復(fù)，只有粘性土彈性變形部分和砂層的膨脹回彈可構(gòu)成地面總的回彈量。 此外，粘性土層孔隙水壓力的調(diào)整需要較長的時間，即有效應(yīng)力增長與粘性土相應(yīng)的壓密變形過程之間存在時間滯后。因此，地面沉降的開始可能與抽水所引起的水位下降同步，但沉降過程的結(jié)束則常滯后于該地下水位的下降期。,四. 地面沉降的產(chǎn)生條件 從前面的討論中可以看出

25、，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(yīng)力轉(zhuǎn)變(由水所承擔(dān)的那部分應(yīng)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(yīng)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(kuò)大的、累進(jìn)性應(yīng)力轉(zhuǎn)變的必要

26、前提。,五. 地面沉降的研究、預(yù)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(gòu)的研究； (2)地面水準(zhǔn)點的定期測量， (3)地下水開采量統(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

27、作屬常規(guī)性質(zhì)，用一般通用的方法進(jìn)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(guān)數(shù)據(jù)，應(yīng)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(jìn)行一些專門性質(zhì)的試驗研究工作： 為此，需在不同地區(qū)的粘性土層內(nèi)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

28、 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(biāo)與分層標(biāo)的埋設(shè), 合成孔徑雷達(dá)(InSAR)和 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)的應(yīng)用。,2、地面沉降預(yù)測,對由于開采地下水而引起的地面沉降的研究主要分為沉降機理的研究和計算與預(yù)測模型的研究。對機理的研究普遍采用有效應(yīng)力原理進(jìn)行解釋。,目前地面沉降預(yù)測計算模型可分為三類 :,土水模型,生命旋回模型,系統(tǒng)工程方法,2、地面沉降預(yù)測（續(xù)1）,土水模型:,土水模型包括兩個過程：,水位模型：

29、確定含水層水位與開采 （回灌 ）之間的關(guān)系,土力學(xué)模型：計算由于含水層水位變化引起粘性土及含水層本身的變形規(guī)律 。,含水層的變形計算：一般采用彈性公式,2、地面沉降預(yù)測（續(xù)2）,粘性土層的變形計算：,滲透固結(jié)理論的計算模型,流固耦合的計算模型,彈塑性理論的計算模型,實測參數(shù)法,最優(yōu)化計算法,3、地面沉降的防治措施,表面治理措施：對已產(chǎn)生地面沉降的地區(qū)，要根據(jù)其災(zāi)害規(guī)模和嚴(yán)重程度采取地面整治及改善環(huán)境，其方法主要有；,（1）在沿海低平原地

30、帶修筑或加高擋湖堤、防洪堤，防止海水倒灌、淹沒低洼地區(qū)。,3、地面沉降的防治措施（續(xù)1）,（2）改造低洼地形，人工填土加高地面。,（3）改建城市給、排水系統(tǒng)和輸油、氣管線，整修因沉降而被破壞的交通線路等線性工程，使之適應(yīng)地面沉降后的情況。,（4）修改城市建設(shè)規(guī)劃，調(diào)整城市功能分區(qū)及總體布局。規(guī)劃中的重要建筑物要避開沉降區(qū)。,3、地面沉降的防治措施（續(xù)2）,根本治理措施：,（l）壓縮用水量,（2）人工補給地下水（人工回灌）,（3）調(diào)整地下

31、水開采層位,用沉降預(yù)測和科學(xué)實驗來指導(dǎo)防治措施，確定一個最有效的采灌方案，其中包括采灌時間、深度、周期和強度等。,從1966年起，上海開始限采地下水，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。 &