地面沉降和地裂縫的工程地質(zhì)分析2012

第八章地面沉降與地裂縫的工程地質(zhì)分析工程地質(zhì)分析原理

8.l基本概念及研究意義8.l.1地面沉降與地裂縫的基本類(lèi)型及危害

定義：地面沉降與地裂縫（landsubsidenceandearthfissures）是地面巖土體在自重應(yīng)力場(chǎng)（構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)參與）條件下垂向變性破壞及向深部架空或潛在方向的運(yùn)動(dòng)。

基本類(lèi)型：美國(guó)地調(diào)局：

地下水開(kāi)采型：地下水資源開(kāi)采

土壤疏干型：開(kāi)墾濕地而排水疏干

以上二者均因下伏土層中地下水位降落、有效應(yīng)力增加造成固結(jié)壓密而引起地面沉降。多為區(qū)域性的，可伴隨著地裂縫。

洞穴塌陷型：

8.l基本概念及研究意義8.l.1地面沉降與地裂縫的基本類(lèi)型及危害

基本類(lèi)型：

中國(guó)：

區(qū)域性地面沉降：緩慢、累進(jìn)，大范圍、嚴(yán)重、難恢復(fù)（1）區(qū)域型構(gòu)造變動(dòng)；（2）海面升降；（3）地震；（4）地下水（油氣）開(kāi)采。洞穴塌陷型地面沉降：突發(fā)

（1）巖溶塌陷地面沉降；（2）地下采空區(qū)塌陷地面沉降。

8.l基本概念及研究意義8.l.1地面沉降與地裂縫的基本類(lèi)型及危害

危害：(1)造成建筑物的直接破壞：房屋、橋梁破裂垮塌，地下管道、通道的斷裂與破損。

(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)造成近海和河流附近地面低于海潮或洪水警戒線(xiàn)而造成海潮和洪水襲擊，及海水倒灌惡化地下水質(zhì)，造成土壤鹽堿化等。

(5)地面沉降引起的地裂縫往往成為地面污染源侵入深部地下水源的通道，造成水質(zhì)污染。

(6)城市地下水位大面積、大幅度降落改變了地質(zhì)體的熱容量，可能會(huì)造成熱島現(xiàn)象，破壞原有的生態(tài)環(huán)境。

(7)地裂縫可成為深部有害氣體溢出地表的通道（氡氣），對(duì)人體健康的危害是極為嚴(yán)重的。

8.l基本概念及研究意義8.l.2我國(guó)區(qū)域性地面沉降與地裂縫發(fā)育分布狀況

20世紀(jì)初：發(fā)達(dá)國(guó)家大量開(kāi)采地下水的大城市和一些石油開(kāi)采區(qū)陸續(xù)發(fā)現(xiàn)地面沉降現(xiàn)象，尤以美國(guó)的加州、墨西哥的墨西哥城、日本的東京等濱海城市最突出。如加州1925-1977年間總沉降量達(dá)到9m，最大沉降速度70cm/a。

20世紀(jì)50年代至世紀(jì)末：我國(guó)地面沉降波及90多個(gè)城市。主要在濱海平原和河流三角洲地區(qū)：上海、天津、滄州、寧波、嘉興、湛江、?？?、臺(tái)北、基隆等濱海城市；長(zhǎng)江三角洲的蘇錫常；黃淮海平原的北京、德州、滄州、鄭州、阜陽(yáng)、菏澤、邯鄲；松遼平原的沈陽(yáng)、哈爾濱、佳木斯等。地裂縫：分布在第二階梯的斷陷盆地中：西安、太原、大同、臨汾等。國(guó)名地點(diǎn)沉降面積（km2）最大沉降速率（cm/a）最大沉降量（m）發(fā)生沉降的主要時(shí)間備注州或省市具體地點(diǎn)日本東京江東及城北工業(yè)區(qū)29019.54.231892－1968開(kāi)發(fā)地下水大阪16.32.81925－1968九州佐賀縣白石平原88201954－1965尼崎3.1

美國(guó)加州圣克拉拉流域600213.901915－1967圣華金流域900046.08.551935－1968洛斯貝諾斯－開(kāi)脫爾曼市2330404.88－1955邱拉里華茲科＞303.961926－1954長(zhǎng)灘市威明頓油田327191926－1968開(kāi)采石油內(nèi)華達(dá)州拉斯維加斯50011935－1963抽取地下水亞利桑那州鳳凰城31031952－1970得克薩斯州休斯頓－加爾維斯頓100001－21943－1969路易斯安那州巴吞魯日5000.31934－1965墨西哥墨西哥城7560427.51890－1957意大利波河三角洲80030＞0.251953－1960開(kāi)采石油中國(guó)上海天津臺(tái)灣市區(qū)及郊區(qū)臺(tái)北盆地730010.121.622.6671.761.701921－19871959－19831963－抽取地下水表8－1

8.l基本概念及研究意義天津市地面沉降西安市地面沉降

8.l基本概念及研究意義8.l.3區(qū)域性地面沉降研究現(xiàn)狀

（1）地面沉降與地下水（氣、液）開(kāi)采關(guān)系的研究★地面沉降發(fā)生在大量抽汲地下水或其他液體從而造成地下水位或液壓大幅度下降、土層固結(jié)壓密地區(qū)，而且沉降中心與地下水位降落漏斗的中心吻合?！锏孛娉两档乃俾逝c地下液體的開(kāi)采量或開(kāi)采速率有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系?！镆恍┑貐^(qū)通過(guò)人工回灌或限制地下水的開(kāi)采以恢復(fù)和抬高地下水位的辦法有效地控制了地面沉降的發(fā)展，甚至促使地面有所回升，進(jìn)一步證實(shí)了地面沉降與開(kāi)采地下液體引起的水位或液壓下激昂之間的成因聯(lián)系。上海：1921-1965：中心區(qū)下沉1.76m，最大下沉2.63m。之后回灌，逐步得到控制。

8.l基本概念及研究意義8.l.3區(qū)域性地面沉降研究現(xiàn)狀（2）地面沉降與地裂縫的研究★內(nèi)陸盆地地裂縫：西安、太原、大同、臨汾等。展布具有明顯的方向性，不受降落漏斗控制。原因：地下水超采；活動(dòng)構(gòu)造。

（3）區(qū)域性地面沉降防治對(duì)策研究嚴(yán)格控制地下水的開(kāi)采量，逐步增大地表水的利用量，乃至全面取代地下水供給系統(tǒng)，是防治地面沉降的根本措施。

8.2地面沉降與地下水開(kāi)采8.2.1地下水開(kāi)采引起的地面沉降的形成機(jī)制（1）地面沉降與土體的有效應(yīng)力原理★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?yàn)闈撍子谖廴就_(kāi)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(duì)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(chēng)為孔隙水壓力，它不能引起土層的壓密，故又稱(chēng)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(chēng)為有效應(yīng)力；二者之和等于總應(yīng)力。假定抽水過(guò)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(huì)引起土層成比例的固結(jié)。

8.2地面沉降與地下水開(kāi)采8.2.1地下水開(kāi)采引起的地面沉降的形成機(jī)制（2）地面沉降水動(dòng)力模式與量化評(píng)價(jià)★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(duì)較小，因此無(wú)論從理論或?qū)嶋H應(yīng)用上，即可以把這類(lèi)由于抽水引起的地面沉降問(wèn)題按平面固結(jié)問(wèn)題處理。

以上海區(qū)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)為例闡述：

Ⅱ砂層為地下水開(kāi)采層；

Ⅰ砂層為地下水開(kāi)采層；

Ⅰ和Ⅲ砂層為地下水開(kāi)采層。

8.2地面沉降與地下水開(kāi)采8.2.1地下水開(kāi)采引起的地面沉降的形成機(jī)制（3）地面沉降的時(shí)間效應(yīng)★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(guò)程，在砂層和粘土層中的表現(xiàn)不同。在砂層中基本上可以認(rèn)為是“瞬時(shí)”完成的。然而在粘土層中卻進(jìn)展緩慢，往往需要幾個(gè)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(guò)程(也就是固結(jié)過(guò)程)最終完成之前的相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)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(chēng)為剩余孔隙水壓力或超孔隙水壓力。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(qiáng)烈程度的重要標(biāo)志，通?？梢酝ㄟ^(guò)實(shí)測(cè)加以查明。沉降固結(jié)公式參見(jiàn)《土力學(xué)》。

以上通過(guò)一種較簡(jiǎn)單的三層結(jié)構(gòu)、單層抽水模式機(jī)制，討論承壓水位下降引起地面沉降機(jī)制。其它多層結(jié)構(gòu)(甚至多層抽水)類(lèi)型的沉降，制仍然是相同的，所以就不再一一討論了。

8.2地面沉降與地下水開(kāi)采8.2.2地面沉降與巖土性能的關(guān)系（1）與土層的固結(jié)狀態(tài)的關(guān)系★如前所述，在土的固結(jié)、壓密過(guò)程中起作用的只是有效應(yīng)力，也就是說(shuō)，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(chēng)為該土層的予固結(jié)應(yīng)力(或先期固結(jié)應(yīng)力)，它相當(dāng)于壓縮曲線(xiàn)上開(kāi)始的近水平段終點(diǎn)處的壓力值(如圖8-7)，故可通過(guò)實(shí)驗(yàn)加以測(cè)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)力相適應(yīng)，那么這種土層就稱(chēng)為正常固結(jié)的土層，此時(shí)該土層內(nèi)的天然孔隙水壓力線(xiàn)(即靜水壓力線(xiàn))與預(yù)固結(jié)應(yīng)力線(xiàn)相重合。這里所謂的預(yù)固結(jié)應(yīng)力線(xiàn)，是指在不同深度上，從總應(yīng)力線(xiàn)向左方截取該深度土的預(yù)固結(jié)應(yīng)力值所得各點(diǎn)的連線(xiàn)。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)，就稱(chēng)為超固結(jié)土。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。（2）與土層的應(yīng)力—應(yīng)變性狀的關(guān)系

在承壓水位下降期，土層內(nèi)的有效應(yīng)力增大，土層因之壓密；而在其后的承壓水位回升期，土層內(nèi)的有效應(yīng)力又有所減小，土層又會(huì)產(chǎn)生部分回彈。（3）與砂層和粘土層的壓密性能的關(guān)系

在較低的有效應(yīng)力增長(zhǎng)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(guò)程中，砂層的膨脹回彈則有決定意義。8.2.3地下水位變化的動(dòng)態(tài)特征與地面沉降的關(guān)系(1)承壓水位作等變幅波動(dòng)的情況

沉降的特點(diǎn)取決于變幅和變動(dòng)周期。沉降持續(xù)增大，直至充分固結(jié)。(2)下降大于回升的水位波動(dòng)類(lèi)型

這是地面沉降區(qū)水位變動(dòng)的主要類(lèi)型。在預(yù)固結(jié)應(yīng)力線(xiàn)以上的土層因固結(jié)已經(jīng)完成，只能引起彈性變形；以下的部分則將造成較大的塑性變形。(3)下降小于回升的水位波動(dòng)類(lèi)型

要求回灌后的水位上升值大于前面抽水期的水位下降值。8.3地面沉降的產(chǎn)生條件

從前面討論中可以看出，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(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(lái)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(zhǎng)期開(kāi)采；開(kāi)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(duì)于地面沉降的產(chǎn)生是特別有利。從土層內(nèi)的應(yīng)力轉(zhuǎn)變條件來(lái)看，承壓水位大幅度波動(dòng)式的趨勢(shì)性降低，則是造成范圍不斷擴(kuò)大的、累進(jìn)性應(yīng)力轉(zhuǎn)變的必要前提。8.4地面沉降與地裂縫

(1)地裂縫的成因機(jī)制類(lèi)型

■地裂縫：狹義、廣義本書(shū)：狹義----與區(qū)域性的地面沉降和構(gòu)造活動(dòng)相聯(lián)系的大地裂縫。區(qū)別于：活動(dòng)構(gòu)造斷裂，滑坡、巖溶塌陷、黃土塌陷、地下采礦塌陷等引起的變形破裂。

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地震引發(fā)的地面沉降和地裂縫海城地震、唐山地震、昆侖山口地震、汶川地震

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構(gòu)造活動(dòng)引發(fā)的地面沉降和地裂縫西安地裂縫★

開(kāi)采地下水引發(fā)的地面沉降和地裂縫蘇錫常地區(qū)：抽水；地下基巖起伏變化大。從而造成差異沉降，產(chǎn)生地裂縫。8.4地面沉降與地裂縫

(2)構(gòu)造活動(dòng)引發(fā)的地面沉降與地裂縫基本模式

■地裂縫的形成是盆地構(gòu)造擴(kuò)展與蓋層自身重力場(chǎng)相互聯(lián)合作用的產(chǎn)物

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構(gòu)造重力擴(kuò)展型：西安地裂縫

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剪張擴(kuò)展型：大同地裂縫、臨汾地裂縫

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底辟擴(kuò)展型：漢江盆地江陵凹陷、潛江凹陷中的鹽丘8.5地面沉降與地裂縫的防治與調(diào)研(1)地面沉降與地裂縫的防治原則

★是生態(tài)環(huán)境保護(hù)和綜合治理的一個(gè)重要組成部分。

★及時(shí)采取控制性措施

★定位于治本(2)地面沉降與地裂縫的防治措施★控制性措施（已發(fā)生地面沉降地區(qū)）：

▲減少和壓縮地下水開(kāi)采量，減少水位降深幅度；

▲對(duì)因過(guò)量開(kāi)采地下水而引起的地面沉降，應(yīng)采取控制地下水開(kāi)采量，調(diào)整開(kāi)采層次，開(kāi)展人工回灌，開(kāi)辟新的供水水源等綜合措施；

▲向含水層進(jìn)行人工回灌，防止地下水被污染，制定合理的采灌方案（冬灌夏用、夏灌冬用）；▲回灌砂；▲避開(kāi)地裂縫。8.5地面沉降與地裂縫的防治與調(diào)研(2)地面沉降與地裂縫的防治措施★預(yù)防性措施（可能發(fā)生地面沉降地區(qū)）：▲估算沉降量，并預(yù)測(cè)其發(fā)展趨勢(shì)；▲結(jié)合水資源評(píng)價(jià)，研究確定地下水資源合理開(kāi)采方案▲采取適當(dāng)?shù)慕ㄖＷo(hù)措施，避開(kāi)可能沉降中心；▲采取預(yù)留標(biāo)高措施；▲預(yù)處理可能液化地基；▲在欠固結(jié)土層，可采用強(qiáng)夯、真空預(yù)壓或固化軟土等措施。8.5地面沉降與地裂縫的防治與調(diào)研(3)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(diǎn)，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(diǎn)的定期測(cè)量；

(3)地下水開(kāi)采量統(tǒng)計(jì)及地下水位的長(zhǎng)期觀測(cè)；

(4)粘性土層孔隙水壓力的觀測(cè)；

(5)土層性質(zhì)的測(cè)試；

(6)各土層實(shí)際沉降量的監(jiān)測(cè)及土性參數(shù)的反算。其中前三項(xiàng)工作屬常規(guī)性質(zhì)，用一般通用的方法進(jìn)行?！?/p>

粘性土層孔隙水壓力的觀測(cè)

為研究抽、灌水作用下，土層不同深度處孔隙水壓力的消散過(guò)程，為沉降計(jì)算提供有關(guān)數(shù)據(jù)，應(yīng)有計(jì)劃地開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)孔隙水壓力觀測(cè)工作。為此，需在不同地區(qū)的粘性土層內(nèi)埋設(shè)孔隙水壓力觀測(cè)孔，觀測(cè)在夏季用水期一般每5天一次，其他季節(jié)每10天一次?！?/p>

土層性質(zhì)的測(cè)試研究

從地面沉降角度研究土層的性質(zhì)，除常規(guī)土工試驗(yàn)外，還需進(jìn)行以下一些專(zhuān)門(mén)性質(zhì)的試驗(yàn)研究工作：（1）反復(fù)荷載下的變形試驗(yàn)；（2）土層先期固結(jié)壓力的測(cè)定；（3）粘性土層的流變?cè)囼?yàn)。

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各土層實(shí)際沉降量的監(jiān)測(cè)及土性參數(shù)的反算

埋設(shè)位移檢測(cè)裝置，監(jiān)測(cè)各層頂?shù)酌孀兓?。根?jù)水位變化、土層位移變化，反演土性參數(shù)（壓縮系數(shù)、回彈系數(shù)）8.5地面沉降與地裂縫的防治與調(diào)研(4)地面沉降與地裂縫的地質(zhì)調(diào)查與監(jiān)測(cè)