工程地质学基础-地面沉降工程地质研宄

工程地质学基础881，地面沉降是指地壳表面在内力地质作用、外力地质作用与人类活动的作用下，造成地壳表面某一局部范围内或大面积的、区域性的沉降活动，其垂直位移一般大于水平位移。

十、地面沉降工程地质研宄

• 1.掌握地面沉降的基本概念
  • 地面沉降是指地壳表面在内力地质作用、外力地质作用与人类活动的作用下，造成地壳表面某一局部范围内或大面积的、区域性的沉降活动，其垂直位移一般大于水平位移。
• 2.了解我国地面沉降的基本特征
  • 1. 发展比较缓慢，无仪器观测难以察觉
  • 2. 一旦发生即使除去地面沉降的原因也难以完全恢复
  • 3. 不同地区由于其地质结构与影响因素不同，导致其地面沉降的范围与沉降速率不同。一般而言，地面沉降的面积较大，沉降速率多在 80mm/a以上。
  • 4. 许多情况下是几种因素综合作用的结果，人类工程活动因素常起着重要的作用，绝大多数地面沉降是由于抽取地下液体(水与石油)引起的。
  • 5. 由于地面沉降与人类工程活动有着直接的联系，它常常产生于具备了特定地质环境的工业化和城市化地区
  • 6. 引起不良后果
    • 1. 沿海城市低地面积扩大，海堤高度下降而引起海水倒灌，海港建筑物破坏和装卸能力降低
    • 2. 油田区地面运输线和地下管线扭曲断裂
    • 3. 城市建筑物基础脱空开裂，桥梁净空减小，城市供水及给排水系统失效
    • 4. 长期过量抽取地下水而导致的地下水资源枯竭和水质恶化
• 3.掌握地面沉降的诱发因素及地质环境
  • 地面沉降的发生和发展需具备必要的地质环境和诱发因素，地面沉降一般发生在未完全固结成岩的近代沉积地层中，其密实度较低，孔隙度较高，孔隙中常为液体所充满。地面沉降过程实质上是这些地层的渗透固结过程的继续。其沉降量大小和不均匀性受控于地层类型和地质结构
  • 诱发因素
    • 自然动力地质因素
      • 地球内营力作用
        • 1. 地壳近期下降运动
          • 1. 由地壳运动所引起的地面下降是在漫长的地质历史时期中缓慢地进行的，其沉降速率较低
          • 2. 但是在地壳沉降区内的不同地点下降速率并非完全一致，常常表现出相对不均一性
          • 3. 这种相对沉降差可能对某些地区的水准基点产生影响，从而影响到地面沉降量的测量精度
        • 2. 地震
        • 3. 火山运动
        • 地震或火山活动常引起地面的陷落 一些已经发生地面沉降的地区，在大震后可能引起短时期的沉降速率增加。 一般不会造成长期沉降后果
        • 4. 基底构造
      • 地球外营力作用
        • 1. 溶解
        • 2. 氧化
        • 3. 冻融
        • 4. 蒸发
        • 地下水对土中易溶盐类的溶解、土壤中有机组分的氧化、地表松散沉积物中水分的蒸发等，均可能造成土体孔隙率或密度的变化，促进土体自重固结过程而引起地面下降。 就全球范围而言，大气圈的温度变化可引起极地冰盖和陆地小冰川的融化或冻结。它除在气候上有累积效应外，还将引起海水体积的变化和海平面的升降，导致了大陆沿海地带地面相对降低，出现现代海浸和海岸后退现象。
    • 人类工程活动因素
      • 1. 持续性超量抽取地下水
        • 在松散介质含水系统中，长期地、周期性地开采地下水当开采量超过含水系统的补给资源 (即动储量)时，将导致地下水位的区域性下降，从而起含水砂层本身的压密以及其顶底部一定范围内饱水粘性土层中的孔隙水向含水层运移(即越流作用)。在渗流的动水压力和土层孔隙水排出所相当之附加有效应力作用下，粘土层发生压密固结，从而综合影响导致了地面沉降
      • 2. 开采石油
        • 开采石油是人工抽取地下液体的另一种重要形式，在某些埋藏较浅的半固结砂岩含油层中，抽取石油可引起砂岩孔隙液压的下降，未完全固结的砂岩在上覆岩层自重压力作用下继续固结，引起采油区地段下降。 此外，某些封闭油藏中存在着异常孔隙压力(超孔隙液体压力)，当采油过程导致超孔隙液压消散时，含油砂岩孔隙结构将发生调整，孔隙率下降，岩层总体积减小，在上覆地层随之“松动”的条件下，导致油田地面沉降
      • 3. 开采水溶性气体
        • 日本新隅因开采水溶性天然气，而持续地大量抽水，导致开采层地下水位下降及含气层的压缩，产生了大幅度的地面沉降
      • 4. 其他诱发因素
        • 1. 大面积农田灌溉引起敏感性土的水浸压缩
        • 2. 地面高载荷建筑群相对集中时，其静载荷超过土体极限载荷而引起的地面持续变形
        • 3. 在静载荷长期作用下软土的蠕变引起的地面沉降
        • 4. 地面振动载荷引起的地面沉陷
        • 5. 有机质士疏干引发的地面沉降
        • 6. 洞穴塌陷引发的地面沉降等
  • 地质环境
    • 1. 近代河流冲积环境模式
      • 以河流中下游高弯度河流沉积相为主 属于这种模式的河流常处于现代地壳沉降带中，河床迁移频率高，因而沉积物特征为多旋回的河床沉积土一下粗上细的粗粒土和泛原沉积土，并以细粒粘性土为主的多层交错叠置结构。一般来说，粗粒土层平面分布呈条带状或树枝状，侧向连续性较差。不同层序的细粒土层相互衔接包围在砂体的上、下及两侧。
        • 长江中下游
        • 黄淮海平原
        • 松嫩平原
    • 2. 近代三角洲平原沉积环境模式
      • 三角洲位于河流入海地段，介于河流冲积平原与滨海大陆架的过渡地带。随着地壳的节奏性升降运动，河口地段接受了陆相和海相两种沉积物。其沉积结构具有由陆源碎屑一一以中细砂为主夹有机粘土与海相粘性土交错叠置的特征。在没有强大潮流和波浪能量作用时，三角洲前沿不断向海洋发展，形成建设性三角洲。在平面上可分为三角洲平原、三角洲前沿和前三角洲。
        • 长江三角洲 上海、常州、无锡
    • 3. 断陷盆地沉积环境模式
      • 临海式断陷盆地
        • 台北盆地
        • 宁波盆地
      • 内陆式断陷盆地
        • 汾渭地堑中的盆地
      • 断陷盆地沉积环境模式一般位于三面环山，中部以断块下降为主的近代活动性地区。盆地在下降过程中不断接受来自周围剥蚀区的碎屑物质，堆积了多种成因的、粒度不均一的沉积层。沉积物结构受断陷速率和节奏的控制。
• 4.掌握地面沉降机理（主要是降水引起的地面沉降)
  • 机制分析
    • 原理
      • I. 位于未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
      • II. 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、下相对隔水层中的孔隙水压力随之减小。
      • III. 根据有效应力原理可知，士中由覆盖层载荷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
      • IV. 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地固结
    • 变形
      • 砂层变形
        • 随着承压水头的降低，砂层内的有效应力随着多余水分的排出而迅速地增至与降低后的承压水位相平衡的程度，所以砂层的压密可以认为是“瞬时”完成的
      • 粘土层变形
        • 粘土层中却进行得十分缓慢，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)。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内，粘土层中始终不同程度地存在高于与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
        • 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。
      • 地面沉降总量
        • 砂层与粘土层两者压密量之和
  • 影响因素
    • 1. 土层的固结状态
      • 粘性土层固结历史
        • 土体自沉积后在各种自然地质作用下所经历的固结变形过程称为土体的固结历史
      • 正常固结状态
        • 表明在现今有效覆盖压力下，地层已完成相应的固结过程，该土层在沉积和压密过程中未受到其它变动。
      • 欠固结状态
        • 表征土层的自重固结过程尚在继续
          • 1. 上覆土层的堆积速率超过土层本身的固结速率
          • 2. 土层的物理化学条件的变化
            • 例如当土的含水量降低时，胶体颗粒减少，离子分散度降低。因而，土粒扩散层厚度减少，粒间孔隙度增加。在这种条件下，正常固结或超固结土有可能因孔隙度的增加而转变为欠固结状态。
          • 3. 土中生物造孔活动，冰融作用等也可能导致土层欠固结状态
      • 超固结状态
        • 表征土层在历史上曾经受过高于现今地层覆盖压力的有效应力
          • 1. 由于地质作用引起的土层上覆载荷的减小
            • 由于地壳上升，上部土层被侵蚀或剥蚀
            • 大面积冰川覆盖后的冰退作用(卸荷作用)
          • 2. 矿化孔隙水的物理化学作用
            • 海相粘性土堆积过程中，由于含钠、钙的矿化水的作用，土粒凝集，颗粒和粒团间胶结作用增强，使固体体积减小，使海相粘性土呈现超固结土的特征
            • 黄土在多次浸水和反复淋滤作用下，其水溶液析出物填充孔隙，粒间胶结强度提高，也常使黄土有较高的先期固结压力值而表现为超固结状态
          • 3. 干缩作用
            • 高含水量的粘性在干燥环境中因水分蒸发而干化收缩，呈现超固结特点。在其它条件相同的情况下，粘性土的液限越高，土体干化收缩量愈大
          • 4. 人类工程活动
            • 打桩、碾压和振动
    • 2. 土层的应力应变特性
    • 3. 地下水位的变化与特点
    • 4. 粘土层的微观结构
      • 粘土层变形机理
        • 1. 从微观结构的研究可知，土体压缩过程是土颗粒间距离和孔隙空间减小以及土粒重新排列的结果。这些变化减少了土体孔隙度，增加了密度，并使土层厚度变小
        • 2. 粘性土层孔隙水压力的调整需要较长的时间，即有效应力增长与粘性土相应的压密变形过程之间存在着时间滞后
        • 3. 在较低的有效应力增长条件下，粘土层的压密和非弹性的永久变形在地面沉降中起主要作用
        • 4. 当地下水位回升时，只有粘性土弹性变形的量值部分和砂层的膨胀回弹量可构成地面总的回弹量
      • 成因环境决定微观结构
        • 1. 片架型(颗粒杂乱排列)
        • 2. 絮凝型(颗粒呈端对面接触)
          • 结构孔隙较大
        • 粒间孔隙大，颗粒之间为“弱联结”的开放式排列，微结构复杂度高。当颗粒受到外力作用时，颗粒间距离不同程度地减小，相对位置发生变化，定向排列不同程度地加强。
        • 3. 分散型(颗粒呈面对面接触)
          • 结构孔隙较小
        • 4. 片堆型(颗粒高度定向排列)
        • 土体密度加大而厚度相应变小，由于粘土颗粒之间联结方式的不规律性和颗粒变位的多向性，其颗粒之间的相对位置变化一般是不可逆的。这种土颗粒变位的不可逆过程在宏观上的表现，即为粘性土的塑性变形。直到粘土颗粒之间的接触关系基本上达到“硬联结”程度，颗粒之间相对位移的多方位自由度已受到相当大的限制时，粘性土体变形才有可能呈现弹性介质的特点。
• 5.了解地面沉降预测的内容、基本方法及预测成果
  • 预测成果
    • 预测所需要的地质资料
      • 1. 区域新构造运动发展史、晚中生代和新生代沉积环境、区域地质结构
      • 2. 场地的沉积环境、年代与所属地貌单元，如第四纪冲积、湖积或浅海相沉积的平原或盆地以及古河道、洼地、河间地块等微地貌情况
      • 3. 第四纪松散堆积物的岩性、厚度与埋藏条件
      • 4. 最大取水深度范围内的主要可压缩层和含水层的变形特征
      • 5. 第四纪含水层的水文地质特征;如含水层的颗粒组成、岩性特点、渗透性与单位出水量等
      • 6. 地下水的埋深及承压性及各含水层之间的水力联系
      • 7. 地下水天然条件下的补给、径流与排泄条件及有关参数
      • 8. 历年来地下水的采灌量和实际开采的含水层、段
      • 9. 历年来各含水层水位的变化幅度与速率
      • 10. 地下水位下降漏斗的形成与发展过程，以及灌水时地下水反漏斗的形成与变化
      • 11. 地面沉降对已有建筑物的影响
    • 预测性图件 各种基础性地质图件
      • 1. 反映砂层、粘性土层厚度变化，地下水位或液压变化以及其它人类活动诱发因素指标变化的等值线图
      • 2. 通过综合分析做出的地面沉降发展趋势分区预测图
      • 地区性预测图件，应尽可能详细表明在预计的地下液压降低或其它人类活动因素影响下，预期的沉降区范围和沉降幅度
    • 预测性曲线
      • 1. 在定量数据齐全的条件下，应对可能沉降区作出综合性的沉降定量预测
      • 2. 在抽液地区作综合性预测，要求有较精确的地层结构剖面及相应的岩土物理力学研究数据。通过相应的应力和变形的计算和分析，预测不同抽液方案条件下可压缩层中释液的速度及可能压缩量
      • 3. 所有的预测资料可以由变量的时序曲线或变量之间的相关曲线的形式表示，以便与其它图件配合，为制订资源合理开发方案及沉降灾害防治措施提供依据。
  • 预测方法
    • 1. 常规方法
      • 分层总和法
    • 2. 数理统计方法
      • 影响函数法
      • 灰色理论
    • 3. 准三维计算法
    • 4. 基于真三维水流模型的计算法
    • 5. 三维完全耦合模型
  • 地面沉降的量测系统 地面沉降长期观测站
    • 原理
      • 目前普遍采用在沉降层中分别埋设观测标点-沉降标的方法，对各标点进行精密水准测量以确定各沉降层的变形量。同时观测各压缩层的孔隙水压力变化及各开采含水层的地下水位
    • 组成
      • 1. 基岩标
        • 基岩标埋设于稳定的基岩中的标杆式地面水准基点，应选在地质构造稳定且基岩埋藏较浅的地区
      • 2. 分层标
        • 埋设在地面沉降区内不同深度压缩层中的水准观测标。通常是在同一个观测地点，不同深度的沉降层中分别埋标，组成分层标组。通过对分层标的定期水准测量，可以得到不同深度测点处十层的高程变化并据以计算土层的压缩和回弹量。为了观测粘性土压缩层内孔隙水压力的变化，应设置相应的孔隙水压力观测系统
      • 3. 地面标
        • 埋设于地表的水准标点。通过地面标的观测得到地面的总变形量
  • 地面沉降的测量方法
    • 1. 水准测量
    • 2. 全球定位系统(GPS) 测量
    • 3. 延伸仪测量
      • 钻孔延伸仪可以记录地表与参照点或钻孔底部“地下桩标”之间垂直距离的连续变化。在含水层系统被压缩的地区，延伸仪是确定某一点精确连续变形的最有效手段
    • 4. 合成孔径干涉雷达(InSAR)测量
• 6.掌握地面沉降控制和治理的原则和措施
  • 对已经产生地面沉降的地区对已产生地面沉降的地区
    • 原则
      • 进行地下水资源管理
    • 措施
      • 1. 压缩地下水开采量，减少水位降深幅度。在地面沉降剧烈的情况下，应暂时停止开采地下水。
      • 2. 向含水层进行人工回灌，严格控制回灌水源的水质标准，以防止地下水被污染，并要根据地下水动态和地面沉降规律，制定合理的采灌方案
        • 1. 选择适宜的地点和部位向被开采的含水层、含油层施行人工注水或压水，使含水(油、气) 层中孔隙液压保持在初始平衡状态上，使沉降层中因抽液所产生的有效应力增量减小到最低限度，总的有效应力低于该层的预固结应力
        • 2. 在抽水引起海水入侵和地下水质恶化的海岸地带，人工回灌井应布置在海水和淡水体的分界线附近，以防止淡水体的缩小或水质恶化
        • 3. 利用不同回灌季节、灌入水的温度不同调整回灌层次及时间，实施回灌水地下保温节能措施，冬灌低温水作为夏季工业降温水源，夏灌高温水作为冬季热水来源
        • 4. 把地表水的蓄积贮存与地下水回灌结合起来，建立地面及地下联合调节水库
      • 3. 调整地下水开采层次，进行合理开采，适当开采更深层地下水或以地面水源代替地下水源
        • 1. 以地面水源代替地下水供水源地
        • 2. 停止开采引起沉降量较大的含水层而改为利用深部可压缩性较小的含水层或基岩裂隙水
        • 3. 根据预测方案限制地下水的开采量或停止开采地下水
      • 4. 在沿海低平原地带修筑或加高挡潮堤、防洪堤，防止海水倒灌、淹没低洼地区
      • 5. 改造低洼地形，人工填土加高地面
      • 6. 改建城市给、排水系统和输油、气管线，整修因沉降而被破坏的交通线路等线性工程，使之适应地面沉降后的情况。
      • 7. 修改城市建设规划，调整城市功能分区及总体布局。规划中的重要建筑物要避开沉降区。
  • 对可能发生地面沉降的地区
    • 原则
      • 预测地面沉降的可能性及危害程度
    • 措施
      • 1. 估算沉降量，并预测其发展趋势
      • 2. 结合水资源评价，研究确定地下水资源的合理开采方案。在最小的地面沉降量条件下抽取最大可能的地下水开采量
      • 3. 采取适当的建筑措施，如避免在沉降中心或严重沉降地区建设一级建筑物，在进行房屋、道路、管道、堤坝、水井等规划设计时，预先对可能发生的地面沉降量作充分考虑。