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1、地面沉降和地裂缝的评估与防治,主讲： 王兰生,2004年4月,5.1.1 地面沉降与地裂缝及其危害 地面沉降与地裂缝作为地质灾害的一种灾种区别于崩塌滑坡，它是地面岩土体在自重应力场（或构造应力场的参与）条件下垂向变形破坏及向深部架空或潜在空间方向的运动。美国地质调查局（USGS）1999年出版的美国地面沉降研究报告中将地面沉降按引发的原因分为地下水开采型（Mining Ground Water-Introduction ）;土壤疏干型（Drainage of Organic Soils-Introduction）；和洞穴塌陷型（Collapsing Cavities-Introduction）
2、三种类型。按成因机制地下水开采与土壤疏干属于同一类型，两者的区别前者是将地下水作为水资源开采，后者则是为了开垦湿地采取排水疏干，但两者均因下伏土层中地下水位的降落，有效应力的降低造成固结压密而引起地面沉降。这类地面沉降多为区域性的，在一定条件下随沉降伴生地裂缝。洞穴塌陷包括岩溶塌陷和地下采掘洞穴塌陷，塌陷的范围局限于洞穴和地下洞室的影响带。 （1）区域性地面沉降 （2）岩溶塌陷地面沉降 （3）地下采空区塌陷地面沉降,8.1 慨述,主要危害,（1）地面沉降及地裂缝会造成建筑物的直接破坏，如房屋、桥梁破裂跨塌，地下管道、通道的断裂和破损等。 （2）地面沉降可能造成近海和河流附近地面低于海潮或洪水警
3、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。 （3）地面沉降引起的地裂缝往往可成为地面污染源侵入深部地下水源的通道，造成水质污染。 （4）城市地下水位大面积，大幅度的降落，改变了地质体的热容量，可能会造成热岛现象，破坏了原有的生态环境。 （5）地裂缝常常可成为深部有害气体逸出地面的通道，尤其是氡气的超标，对人体的健康的危害是极为严重的。,8.11 地面沉降涵义及危害 1地面沉降的涵义 (1)广泛涵义：系指地壳表面在自然力作用下或人类经济活动影响下造成区域性的总体下降运动。其特点是以向下的垂直运动为主体，而只有少量或基本上没有水平向位移。其速度和沉降量值以及持续时间和范围均
4、因具体诱发因素或地质环境的不同而异。 (2)工程涵义： 目前国内外工程界所研究的地面沉降主要是指由抽取液体(以地下水为主，也包括油、气)所引起的区域性地面沉降。我国岩土工程勘察规范中规定的：在较大面积(100km2以上)内由于抽取地下水引起水位下降或水压下降而造成的地面沉降。,2地面沉降的公害特点 地面沉降作为一项公害，其主要特点有： (1)一般发生得比较缓慢而难以明显感觉。 (2)一旦发生了地面沉降，即使不考虑产生地面沉降的原因，沉降了的地面是几乎不可能完全复原样。 3地面沉降给工农业生产，交通运输、城市建设和人民生活造成的危害和严重的经济损失，它使城市环境明显恶化，对农村农田的影响也较大，
5、其具体环境灾害表现如下：,82 区域性地面沉降 1区域性地面沉降的成因及主要类型 分为自然因素和人为因素两大类 (1)自然因素分析 1)新构造运动可使地面随基底面升降 以垂直升降为主的新构造运动可使地面随基底而升降。中国天津、西安和大同等城市66地面沉降均受到新构造运动的影响。例如，天津处于新华夏构造体系华北沉降带，长期以来缓慢下沉。 2)强烈地震对地面沉降的影响 强烈地震是新构造运动的一种突发事件，在短期内可引起变幅较大的区域性地面垂直变形。 另外，强震使软土地基震陷和古河道新近沉积土液化，也可造成局部地区的地面下沉。,3)海平面上升 海平面上升将导致地面的相对下降，如意大利威尼斯市海平面上
6、升速度为127mm年，所引起的地面相对下沉约占该地区年平均沉降量的40。 另外全球气候的转暖，气温上升，必加速冰川消融，从而使海平面上升，地面相对下沉。 4)土层的天然固结欠固结土在其自重力的固结作用和正常固结土的次固结作用，将使土层压缩变形，进而引起地面沉降。,(2)人为因素原因 人类工程及经济活动的能力和强度与日俱增，其对地面沉降的影响通常已占主导地位，这类地面沉降现象，目前已成为重点。 影响地面沉降的人为因素包括：抽取地下气、液体，大面积地面堆载，固体矿产开采和诱发性岩溶塌陷等。 1)抽取地下气、液体的影响 因各种目的而进行的浅层疏干排水和抽取深层的气、液体，使地层内的气、液压降低，土粒
7、间有效应力增加，地层压密，形成区域性碟形洼地。这种因抽取地下水而形成的地面沉降，是地面沉降现象中发育最普遍，危害性最严重的一类。,2)大面积地面堆载的影响 分布有巨厚的高压性淤泥和淤泥质土的低洼地区，随经济建设的开发，需在洼地上大面积堆填。其软土 在堆载(填土)荷重的作用下，产生一维压缩固结，可形成地区性的地面沉降。此类沉降，受场地软土的工程特性，层厚和堆载大小的控制，是构成滨海平原城市总地面沉降的一个组成部分，不可忽视。如天津市占地40km2的塘沽开发区及保税区，在盐池和滩涂上堆填l2m厚填土，因堆载荷重的影响，地面沉降量可达十余厘米。 8.2.3 地下水开采型地面沉降的形成机制 地下水经过
8、抽水后会使地层压密，是由于含水层水位下降引起土层中孔隙水压力降低，颗粒间有效应力增加的缘故。因此，有效应力原理是抽水引起土层压密的基本原理。见图8.1。,图中p为土层的总压力，为抽水前的有效应力， 为抽水前的孔隙水压力，抽水前上述诸力处于平衡状态，即 （8.2.2.1) 抽水后随着水压下降了 ,土层中孔隙水压力随之下降，颗粒间浮托力减小，但由于抽水过程中土层的总压力基本保持不变，故此下降了 的值即转化为有效应力增量。 (8.22.2) 在大多数情况下，这种压密可以认为是一维的。压密的时间延滞将随土层的透水性而异。此压密过程一般仍近似采用Terzaghi的经典固结方程表示，即： （8.2.2.3
9、）,8.2.3 地面沉降预测及估算方法 1预测地面沉降的前提条件 (1) 查明场地的工程地质，水文地质条件，划分压缩层和含水层。 (2)进行室内外测试，取得抽水压密试验，渗透试验、前期固结试验、流变试验、反复载荷试验等成果和沉降观测资料。 2，预测地面沉降量的估算方法 (1)分层总和法计算地面沉降量粘性土及粉土层按下式计算 （8.2.3.1）,砂层按下式计算 （8.2.3.2） 式中 土层最终沉降量(mm)； 压缩或回弹系数，压缩时为 ，回弹时 ( )； eo土层原始孔隙比； 由于地下水位变化施加于土层上的平均荷载(kPa)； H计算土层的厚度(mm)； E砂层的弹性模量，压缩时为 ，回弹时为
10、 (kPa)。 总沉降量等于各土层沉降量的总和。,总沉降量等于各土层沉降量的总和。 (2)单位变形量法计算地面沉降量 1)基本假设：土层变形量与水位升降幅度及土层厚度之间都呈线性比例关系。 2)根据：以已有的地面沉降实际观测资料（在某一水位升降幅度及已知土层厚度条件下）为根据。 3)方法：一般可根据预测期前34年中的实测资料，计算土层在某一特定时段(水位上升或下降)内，含水层水头每变化lm时，其相应的变形量，称为单位变形量，可由 下式计算：,3地面沉降发展趋势的预测 在水位升降已经稳定不变的情况下，土层变形量与时间变化关系可用下式计算： （6.5.3.8） （6.5.3.9） 式中 St预测某
11、时刻7个月以后土层变形量(mm)； U固结度，以小数表示； t时间(月)； N时间因素； Cv固结系数，压缩时为Cvc，回弹时为Cvs(mm2月)； H土层的计算厚度(mm)。 地面沉降量估算预测算例： (例1) 某城市地卞水下降速率为2ma，试问15年后，地面沉降将达多少米I举层资料及有关参数如下表6531所列。,(解) 按岩土工程勘察规范(GB5002194)推荐公式计算地面沉降量： 黏土层： 砂层： 总计地面沉降量 黏土12m，现地下水位地表下10m 粉细砂，15m 粉质黏土，27m。15年后水位地表下40m 细中砂，7m 粉质黏土，18m 黏质粉土，7m 页岩，50m,8.2.4 地面
12、沉降地区的勘察评价方法 1. 地面沉降勘察主要内容 (1)对已发生地面沉降的地区 1)应查明地面沉降的原因和现状； 2）对地面沉降发展趋势作出预测； 3) 提出控制和治理方案。 (2)对可能发生地面沉降的地区 1)应结合资源评价预测发生地面沉降的可能性； 2)并对可能的沉降层位做出估计； 3)对沉降量进行计算，提出预防和控制地面沉降的建议 和措施。,2. 地面沉降原因的调查内容 (1)场地工程地质条件 1)场地的沉积环境和年代、地貌单元，并查明第四纪冲积、湖积和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。 2)第四系松散堆积物的岩性、厚度和埋藏条件，并查明硬土层和软弱压缩层的分布
13、。必要时还可根据地层分布，划分出不同地面沉降地段的地质结构单元。 3)测定在最大取水深度范围内的可压缩层和含水导致变形特征。当地下水位升降频繁、幅度较大时，还可模拟水位升降变化进行土的反复载荷试验，并测定土的压缩与回弹特性。,(2)地下水埋藏条件 1)第四系含水层的水文地质条件，包括含水层的岩性、渗透性、单位涌水量、矿化度等。 2)地下水埋藏深度和承压性质，含水层间或地下水与地面水间的水力联系。 3)地下水的补给、径流、排泄条件及有关参数，隔水层越流的可能性。 (3)地下水动态 1)历年地下水的开采回灌量，开采的含水层、段，分析侧向补给的可能和水量及与总取水量的比例。 2)历年地下水位、水头的
14、变化幅度和速率。 3)地下水位下降漏斗的形成和发展过程及回灌时地下水反漏斗的形成动态。,3地面沉降现状调查的要求 (1)地面沉降的长期观测： 设标：按不同的地面沉降结构单元体设置高程基标准、地面沉降和分层沉降标。 高程基准标指标是设立在不受排取地下水影响的地层上，用做衡量地面沉降基准的标点。 地面沉降标指的是用于观测地面沉降的地面水准点。 分层沉降标指的是用来观测某一土层沉降幅度的标点。 2)测量：进行精密水准测量时，其方法和要求应按国家水准测量规范中工、等级水准测量的规定执行。,(2)地下水动态观测 对地下水的水位升降，开采量和回灌量、化学成分、污染情况及孔隙水压力消散和增长情况观测。 (3
15、)对已有建筑物的影响监测 调查地面沉降对建筑物的影响，包括建筑物的变形、倾斜、裂缝及发生时间和发展过程。 (4)场面沉降现状的分析 1)绘制不同时间的地面沉降等值线图，并分析地面沉降中心与地下水位漏斗的关系及地面回弹与地下水位反漏斗的关系。 2)分析地面沉降在时间、地点及地下水位开采、回灌等不同情况下的变化规律。 3)绘制以地面沉降为特征的工程地质分区图。 4地面沉降勘察阶段的划分 根据调查区有无明显的地面沉降现象，把地面沉降勘察划分为两个阶段。不同阶段的勘察工作，其目的任务、方法手段和工作内容也有所不同，见表6.5.4.1,5. 勘探网的布设和技术要求 (1)沿地面沉降或地下水降落漏斗的长、
16、短轴方向布成纵贯沉降区的“十”字形主剖面；当沉降漏斗中心不止一处时，可布成“十十”或“井”形主剖面，其余地区按网状布孔。 (2)在主剖面线上的勘探点为孔组，由水文地质孔和工程地质孔组成，其中，工程地质孔在不同沉降量或不同地质结构地段可用于设置基岩标，分层标或孔隙水压力测点；水文地质孔在抽水试验后，留作地下水长期观测孔。 (3)勘探点间距，在乎剖面线上，勘探点间距为1000m，重点地段，如水平方向上地层结构变化较大或沉降量有较大差异的阶段。勘探点可适当加密；一般地区，孔距为3000m。 (4)孔深确定原则，控制孔应揭露基岩，当覆盖层较厚且下部土层强度高，沉降变形不明显时，工程地质孔可只达沉降层底板、水文地质
