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（構(gòu)造應(yīng)力場參與）條件下垂向變性破壞及向深部架空或潛在方向的運動。

基本類型：美國地調(diào)局：

地下水開采型：地下水資源開采

土壤疏干型：開墾濕地而排水疏干

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型及危害

基本類型：

中國：

區(qū)域性地面沉降：緩慢、累進，大范圍、嚴重、難恢復(fù)（1）區(qū)域型構(gòu)造變動；（2）海面升降；（3）地震；（4）地下水（油氣）開采。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），對人體健康的危害是極為嚴重的。

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

20世紀初：發(fā)達國家大量開采地下水的大城市和一些石油開采區(qū)陸續(xù)發(fā)現(xiàn)地面沉降現(xiàn)象，尤以美國的加州、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年間總沉降量達到9m，最大沉降速度70cm/a。

20世紀50年代至世紀末：我國地面沉降波及90多個城市。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、?？?、臺北、基隆等濱海城市；長江三角洲的蘇錫常；黃淮海平原的北京、德州、滄州、鄭州、阜陽、菏澤、邯鄲；松遼平原的沈陽、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。國名地點沉降面積（km2）最大沉降速率（cm/a）最大沉降量（m）發(fā)生沉降的主要時間備注州或省市具體地點日本東京江東及城北工業(yè)區(qū)29019.54.231892－1968開發(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－開脫爾曼市2330404.88－1955邱拉里華茲科＞303.961926－1954長灘市威明頓油田327191926－1968開采石油內(nèi)華達州拉斯維加斯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開采石油中國上海天津臺灣市區(qū)及郊區(qū)臺北盆地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地下液體的開采量或開采速率有良好的對應(yīng)關(guān)系?！镆恍┑貐^(qū)通過人工回灌或限制地下水的開采以恢復(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，進一步證實了地面沉降與開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；活動構(gòu)造。

（3）區(qū)域性地面沉降防治對策研究嚴格控制地下水的開采量，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采8.2.1地下水開采引起的地面沉降的形成機制（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)。

8.2地面沉降與地下水開采8.2.1地下水開采引起的地面沉降的形成機制（2）地面沉降水動力模式與量化評價★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平面固結(jié)問題處理。

以上海區(qū)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)為例闡述：

Ⅱ砂層為地下水開采層；

Ⅰ砂層為地下水開采層；

Ⅰ和Ⅲ砂層為地下水開采層。

8.2地面沉降與地下水開采8.2.1地下水開采引起的地面沉降的形成機制（3）地面沉降的時間效應(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為是“瞬時”完成的。然而在粘土層中卻進展緩慢，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)最終完成之前的相當長的一段時間里，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。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志，通?？梢酝ㄟ^實測加以查明。沉降固結(jié)公式參見《土力學(xué)》。

以上通過一種較簡單的三層結(jié)構(gòu)、單層抽水模式機制，討論承壓水位下降引起地面沉降機制。其它多層結(jié)構(gòu)(甚至多層抽水)類型的沉降，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)力稱為該土層的予固結(jié)應(yīng)力(或先期固結(jié)應(yīng)力)，它相當于壓縮曲線上開始的近水平段終點處的壓力值(如圖8-7)，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)力相適應(yīng)，那么這種土層就稱為正常固結(jié)的土層，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)力值所得各點的連線。倘若當前土層內(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地下水位變化的動態(tài)特征與地面沉降的關(guān)系(1)承壓水位作等變幅波動的情況

沉降的特點取決于變幅和變動周期。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類型

這是地面沉降區(qū)水位變動的主要類型。在預(yù)固結(jié)應(yīng)力線以上的土層因固結(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類型

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。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大的、累進性應(yīng)力轉(zhuǎn)變的必要前提。8.4地面沉降與地裂縫

(1)地裂縫的成因機制類型

■地裂縫：狹義、廣義本書：狹義----與區(qū)域性的地面沉降和構(gòu)造活動相聯(lián)系的大地裂縫。區(qū)別于：活動構(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)造活動引發(fā)的地面沉降和地裂縫西安地裂縫★

開采地下水引發(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)造擴展與蓋層自身重力場相互聯(lián)合作用的產(chǎn)物

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構(gòu)造重力擴展型：西安地裂縫

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剪張擴展型：大同地裂縫、臨汾地裂縫

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底辟擴展型：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)境保護和綜合治理的一個重要組成部分。

★及時采取控制性措施

★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采量，減少水位降深幅度；

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

▲向含水層進行人工回灌，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)測其發(fā)展趨勢；▲結(jié)合水資源評價，研究確定地下水資源合理開采方案▲采取適當?shù)慕ㄖＷo措施，避開可能沉降中心；▲采取預(yù)留標高措施；▲預(yù)處理可能液化地基；▲在欠固結(jié)土層，可采用強夯、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，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。其中前三項工作屬常規(guī)性質(zhì)，用一般通用的方法進行。★

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消散過程，為沉降計算提供有關(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。為此，需在不同地區(qū)的粘性土層內(nèi)埋設(shè)孔隙水壓力觀測孔，觀測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)土工試驗外，還需進行以下一些專門性質(zhì)的試驗研究工作：（1）反復(fù)荷載下的變形試驗；（2）土層先期固結(jié)壓力的測定；（3）粘性土層的流變試驗。

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各土層實際沉降量的監(jiān)測及土性參數(shù)的反算

埋設(shè)位移檢測裝置，監(jiān)測各層頂?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