地面沉降和地裂缝的工程地质分析2012

第八章地面沉降与地裂缝的工程地质分析工程地质分析原理

8.l基本概念及研究意义8.l.1地面沉降与地裂缝的基本类型及危害

定义：地面沉降与地裂缝（landsubsidenceandearthfissures）是地面岩土体在自重应力场（构造应力场参与）条件下垂向变性破坏及向深部架空或潜在方向的运动。

基本类型：美国地调局：

地下水开采型：地下水资源开采

土壤疏干型：开垦湿地而排水疏干

以上二者均因下伏土层中地下水位降落、有效应力增加造成固结压密而引起地面沉降。多为区域性的，可伴随着地裂缝。

洞穴塌陷型：

8.l基本概念及研究意义8.l.1地面沉降与地裂缝的基本类型及危害

基本类型：

中国：

区域性地面沉降：缓慢、累进，大范围、严重、难恢复（1）区域型构造变动；（2）海面升降；（3）地震；（4）地下水（油气）开采。洞穴塌陷型地面沉降：突发

（1）岩溶塌陷地面沉降；（2）地下采空区塌陷地面沉降。

8.l基本概念及研究意义8.l.1地面沉降与地裂缝的基本类型及危害

危害：(1)造成建筑物的直接破坏：房屋、桥梁破裂垮塌，地下管道、通道的断裂与破损。

(2)一些港口城市，由于码头、堤岸的沉降而丧失或降低了港湾设施的能力。

(3)桥墩下沉，桥梁净空减小，影响水上交通。

(4)造成近海和河流附近地面低于海潮或洪水警戒线而造成海潮和洪水袭击，及海水倒灌恶化地下水质，造成土壤盐碱化等。

(5)地面沉降引起的地裂缝往往成为地面污染源侵入深部地下水源的通道，造成水质污染。

(6)城市地下水位大面积、大幅度降落改变了地质体的热容量，可能会造成热岛现象，破坏原有的生态环境。

(7)地裂缝可成为深部有害气体溢出地表的通道（氡气），对人体健康的危害是极为严重的。

8.l基本概念及研究意义8.l.2我国区域性地面沉降与地裂缝发育分布状况

20世纪初：发达国家大量开采地下水的大城市和一些石油开采区陆续发现地面沉降现象，尤以美国的加州、墨西哥的墨西哥城、日本的东京等滨海城市最突出。如加州1925-1977年间总沉降量达到9m，最大沉降速度70cm/a。

20世纪50年代至世纪末：我国地面沉降波及90多个城市。主要在滨海平原和河流三角洲地区：上海、天津、沧州、宁波、嘉兴、湛江、海口、台北、基隆等滨海城市；长江三角洲的苏锡常；黄淮海平原的北京、德州、沧州、郑州、阜阳、菏泽、邯郸；松辽平原的沈阳、哈尔滨、佳木斯等。地裂缝：分布在第二阶梯的断陷盆地中：西安、太原、大同、临汾等。国名地点沉降面积（km2）最大沉降速率（cm/a）最大沉降量（m）发生沉降的主要时间备注州或省市具体地点日本东京江东及城北工业区29019.54.231892－1968开发地下水大阪16.32.81925－1968九州佐贺县白石平原88201954－1965尼崎3.1

美国加州圣克拉拉流域600213.901915－1967圣华金流域900046.08.551935－1968洛斯贝诺斯－开脱尔曼市2330404.88－1955邱拉里华兹科＞303.961926－1954长滩市威明顿油田327191926－1968开采石油内华达州拉斯维加斯50011935－1963抽取地下水亚利桑那州凤凰城31031952－1970得克萨斯州休斯顿－加尔维斯顿100001－21943－1969路易斯安那州巴吞鲁日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开采石油中国上海天津台湾市区及郊区台北盆地730010.121.622.6671.761.701921－19871959－19831963－抽取地下水表8－1

8.l基本概念及研究意义天津市地面沉降西安市地面沉降

8.l基本概念及研究意义8.l.3区域性地面沉降研究现状

（1）地面沉降与地下水（气、液）开采关系的研究★地面沉降发生在大量抽汲地下水或其他液体从而造成地下水位或液压大幅度下降、土层固结压密地区，而且沉降中心与地下水位降落漏斗的中心吻合。★地面沉降的速率与地下液体的开采量或开采速率有良好的对应关系。★一些地区通过人工回灌或限制地下水的开采以恢复和抬高地下水位的办法有效地控制了地面沉降的发展，甚至促使地面有所回升，进一步证实了地面沉降与开采地下液体引起的水位或液压下激昂之间的成因联系。上海：1921-1965：中心区下沉1.76m，最大下沉2.63m。之后回灌，逐步得到控制。

8.l基本概念及研究意义8.l.3区域性地面沉降研究现状（2）地面沉降与地裂缝的研究★内陆盆地地裂缝：西安、太原、大同、临汾等。展布具有明显的方向性，不受降落漏斗控制。原因：地下水超采；活动构造。

（3）区域性地面沉降防治对策研究严格控制地下水的开采量，逐步增大地表水的利用量，乃至全面取代地下水供给系统，是防治地面沉降的根本措施。

8.2地面沉降与地下水开采8.2.1地下水开采引起的地面沉降的形成机制（1）地面沉降与土体的有效应力原理★位于末固结或半固结疏松沉积层地区内的大城市，因为潜水易于污染往往开发深层的承压水作为工业及生活用水的水源。在孔隙承压含水层中，抽汲地下水所引起的承压水位的降低，必然要使含水层本身和其上、下相对含水层中的孔隙水压力随之而减小。根据有效应力原理可知，土中由覆盖层荷载引起的总应力是由孔隙中的水和土颗粒骨架共同承担的。由水承担的部分称为孔隙水压力，它不能引起土层的压密，故又称为中性压力，而由土骨架承担的部分则能直接造成土层的压密，故称为有效应力；二者之和等于总应力。假定抽水过程中土层内的总应力不变，那么孔隙水压力的减小必然导致土中有效应力的等量增大，结果就会引起土层成比例的固结。

8.2地面沉降与地下水开采8.2.1地下水开采引起的地面沉降的形成机制（2）地面沉降水动力模式与量化评价★由于区域性地面沉降范围较广阔，压缩层厚度与沉降范围相比较，又相对较小，因此无论从理论或实际应用上，即可以把这类由于抽水引起的地面沉降问题按平面固结问题处理。

以上海区水文地质结构为例阐述：

Ⅱ砂层为地下水开采层；

Ⅰ砂层为地下水开采层；

Ⅰ和Ⅲ砂层为地下水开采层。

8.2地面沉降与地下水开采8.2.1地下水开采引起的地面沉降的形成机制（3）地面沉降的时间效应★由于透水性能的显著差异，上述孔隙水压力减小，有效应力相应增大的过程，在砂层和粘土层中的表现不同。在砂层中基本上可以认为是“瞬时”完成的。然而在粘土层中却进展缓慢，往往需要几个月、几年甚至几十年(取决于土层厚度和透水性)。这样，在承压水位降低后，直到应力转变过程(也就是固结过程)最终完成之前的相当长的一段时间里，粘土层中始终不同程度地存在有高于和新的承压水位相平衡的孔隙水压力，这部分孔隙水压力通常被称为剩余孔隙水压力或超孔隙水压力。土层内现有的剩余孔隙水压力的大小，是衡量该土层在现存的应力条件下可能最终产生的固结、压密的强烈程度的重要标志，通常可以通过实测加以查明。沉降固结公式参见《土力学》。

以上通过一种较简单的三层结构、单层抽水模式机制，讨论承压水位下降引起地面沉降机制。其它多层结构(甚至多层抽水)类型的沉降，制仍然是相同的，所以就不再一一讨论了。

8.2地面沉降与地下水开采8.2.2地面沉降与岩土性能的关系（1）与土层的固结状态的关系★如前所述，在土的固结、压密过程中起作用的只是有效应力，也就是说，土的固结、压密程度主要取决于曾经作用于土体上的有效应力的大小。通常将曾经作用于土层中的最大有效应力称为该土层的予固结应力(或先期固结应力)，它相当于压缩曲线上开始的近水平段终点处的压力值(如图8-7)，故可通过实验加以测定。如果抽水前土层不同深度处的固结程度都与土中现有的天然有效应力相适应，那么这种土层就称为正常固结的土层，此时该土层内的天然孔隙水压力线(即静水压力线)与预固结应力线相重合。这里所谓的预固结应力线，是指在不同深度上，从总应力线向左方截取该深度土的预固结应力值所得各点的连线。倘若当前土层内不同深度处的固结程度不与现有的天然有效应力此相适应，就称为超固结土。在相同的条件下，超固结土层的压密量将小于正常固结土层，同理，欠固结土层的压密量则将大于正常固结土层。（2）与土层的应力—应变性状的关系

在承压水位下降期，土层内的有效应力增大，土层因之压密；而在其后的承压水位回升期，土层内的有效应力又有所减小，土层又会产生部分回弹。（3）与砂层和粘土层的压密性能的关系

在较低的有效应力增长条件下，粘土层的压密在地面沉降中起主要作用，而在水位回升过程中，砂层的膨胀回弹则有决定意义。8.2.3地下水位变化的动态特征与地面沉降的关系(1)承压水位作等变幅波动的情况

沉降的特点取决于变幅和变动周期。沉降持续增大，直至充分固结。(2)下降大于回升的水位波动类型

这是地面沉降区水位变动的主要类型。在预固结应力线以上的土层因固结已经完成，只能引起弹性变形；以下的部分则将造成较大的塑性变形。(3)下降小于回升的水位波动类型

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地面沉降的产生条件

从前面讨论中可以看出，地面沉降的产生需要一定的地质、水文地质条件和土层内的应力转变(由水所承担的那部分应力不断转移到土颗粒上)条件。从地质、水文地质条件来看，疏松的多层含水体系；其中承压含水层的水量丰富，适于长期开采；开采层的影响范围内，特别是它的顶、底板，有厚层的正常固结甚或欠固结的可压缩性粘性土层等，对于地面沉降的产生是特别有利。从土层内的应力转变条件来看，承压水位大幅度波动式的趋势性降低，则是造成范围不断扩大的、累进性应力转变的必要前提。8.4地面沉降与地裂缝

(1)地裂缝的成因机制类型

■地裂缝：狭义、广义本书：狭义----与区域性的地面沉降和构造活动相联系的大地裂缝。区别于：活动构造断裂，滑坡、岩溶塌陷、黄土塌陷、地下采矿塌陷等引起的变形破裂。

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地震引发的地面沉降和地裂缝海城地震、唐山地震、昆仑山口地震、汶川地震

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构造活动引发的地面沉降和地裂缝西安地裂缝★

开采地下水引发的地面沉降和地裂缝苏锡常地区：抽水；地下基岩起伏变化大。从而造成差异沉降，产生地裂缝。8.4地面沉降与地裂缝

(2)构造活动引发的地面沉降与地裂缝基本模式

■地裂缝的形成是盆地构造扩展与盖层自身重力场相互联合作用的产物

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构造重力扩展型：西安地裂缝

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剪张扩展型：大同地裂缝、临汾地裂缝

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底辟扩展型：汉江盆地江陵凹陷、潜江凹陷中的盐丘8.5地面沉降与地裂缝的防治与调研(1)地面沉降与地裂缝的防治原则

★是生态环境保护和综合治理的一个重要组成部分。

★及时采取控制性措施

★定位于治本(2)地面沉降与地裂缝的防治措施★控制性措施（已发生地面沉降地区）：

▲减少和压缩地下水开采量，减少水位降深幅度；

▲对因过量开采地下水而引起的地面沉降，应采取控制地下水开采量，调整开采层次，开展人工回灌，开辟新的供水水源等综合措施；

▲向含水层进行人工回灌，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；▲避开地裂缝。8.5地面沉降与地裂缝的防治与调研(2)地面沉降与地裂缝的防治措施★预防性措施（可能发生地面沉降地区）：▲估算沉降量，并预测其发展趋势；▲结合水资源评价，研究确定地下水资源合理开采方案▲采取适当的建筑保护措施，避开可能沉降中心；▲采取预留标高措施；▲预处理可能液化地基；▲在欠固结土层，可采用强夯、真空预压或固化软土等措施。8.5地面沉降与地裂缝的防治与调研(3)地面沉降的工程地质研究

为了掌握地面沉降的规律和特点，合理拟定控制地面沉降的措施，研究工作必须包括下述内容：

(1)地区地质结构的研究；

(2)地面水准点的定期测量；

(3)地下水开采量统计及地下水位的长期观测；

(4)粘性土层孔隙水压力的观测；

(5)土层性质的测试；

(6)各土层实际沉降量的监测及土性参数的反算。其中前三项工作属常规性质，用一般通用的方法进行。★

粘性土层孔隙水压力的观测

为研究抽、灌水作用下，土层不同深度处孔隙水压力的消散过程，为沉降计算提供有关数据，应有计划地开展现场孔隙水压力观测工作。为此，需在不同地区的粘性土层内埋设孔隙水压力观测孔，观测在夏季用水期一般每5天一次，其他季节每10天一次。★

土层性质的测试研究

从地面沉降角度研究土层的性质，除常规土工试验外，还需进行以下一些专门性质的试验研究工作：（1）反复荷载下的变形试验；（2）土层先期固结压力的测定；（3）粘性土层的流变试验。

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各土层实际沉降量的监测及土性参数的反算

埋设位移检测装置，监测各层顶底面变化。根据水位变化、土层位移变化，反演土性参数（压缩系数、回弹系数）8.5地面沉降与地裂缝的防治与调研(4)地面沉降与地裂缝的地质调查与监测