西安地面沉降分析

西安地面沉降分析
作者：兰洋孟繁钰
来源：《科技探索》2013年第01期
摘要：地面沉降是西安市较为突出的地质灾害之一，研究地面沉降的影响因素及沉降机理具有重要的意义，本文通过收集资料总结西安地面沉降的特征，研究地面沉降的机理，并对西安地面沉降量进行理论计算。

关键词：西安沉降机理沉降量
1、前言
地面沉降是西安较为突出的地质灾害之一，其形成发展的历史较长，涉及范围广，并具有独特的活动特征。

地面沉降的发展还加剧了西安地裂缝的活动，其灾害形式主要表现为地表建筑物随基础断裂受损，地下水及煤气地下管道被错断，井管“上升”和深部井管受损，功能失效，以及道路路面差异变形等，这些都给西安市的市政设施及城市建设造成很大危害，对正在进行的西安地下铁路建设也有重大不利影响。

因此，研究地面沉降机理及主要影响因素具有重要的意义。

2、西安地面沉降原因分析
从上世纪50年代初到90年代，西安城郊区开采承压水井数从最初的2眼增加到500多眼，开采量也从7.7×104m3/a剧增到11223×104m3/a，持续多年的超量开采，引起区域承压水位大幅度下降，形成了250km2的降落漏斗，截至1995年水位降深达80～130m，有90 km2的地区水位降至第一承压含水层顶板以下[1]，然而西安地面沉降中心与承压水降落漏斗基本一致，由此表明西安市区地面沉降，主要是由于过量开采承压水引起水位大幅度下降所致，除此之外区域构造沉降、黄土湿陷性和地面荷载作用等对地面沉降也有一定的影响。

3、地面沉降机理分析
从上世纪50年代初到90年代西安市持续多年的超量开采地下水，引起区域承压水位大幅度下降，这必然要使含水层本身和其上下相对隔水层中的空隙水压力随之减小。

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水压力和有效应力组成的，土的体积压缩和抗剪强度的变化只取决于有效应力的变化。

假定抽水过程中土层内的总应力不变，初始承压含水层中的承压水位与上部潜水含水层的水位相一致，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，结果就会引起土体的压缩和固结[2] [3]。

4、西安地面沉降量计算
根据西安地层情况，由抽取承压水引起的地层压缩层可分为5层，具体情况描述如下：
（1）第一层隔水层：该层主要为粉质粘土，层厚约为27m，岩土参数：孔隙比e0=0.65，压缩系数av=0.08MPa-1。

（2）第一层承压含水层：该层主要为中粗砂，层厚约为4.5m，岩土参数：弹性模量
E=40000kpa（经验值），降低的水头△h1=20m。

（3）第二层隔水层：该层主要为粘土，层厚约为79m，岩土参数：孔隙比e0=0.58，压缩系数av=0.06MPa-1。

（4）第二层承压含水层：该层主要为中砂，层厚约为8m，岩土参数：弹性模量
E=40000kpa（经验值），降低的水头△h2=20m。

（5）第三层隔水层：该层主要为粘土，层厚约为78m，岩土参数：孔隙比e0=0.57，压缩系数av=0.049 MPa-1
根据土力学原理，各层压缩层的最终沉降量的计算公式分别如下表示：
（1）第一层隔水层：
（2）第一层承压含水层：
（3）第二层隔水层：
（4）第二层承压含水层：
（5）第三层隔水层：
根据上述模型及各压缩层的计算公式，即可计算出各压缩层的沉降量，由计算结果表明由抽水引起地面沉降中，承压含水层沉降量相对较小，总沉降量主要取决于隔水层。

由理论计算的地面总沉降量大约为1.016m，根据砖瓦研究所附近的沉降水准点的观测资料得到该点的总沉降量约为0.890m，这与计算结果相近。

沉降计算结果列如下表1所示：
表1 各层压缩层沉降量统计表
5、结论
西安市区地面沉降，主要是由于过量开采承压水引起水位大幅度下降所致，由于西安市大量抽取地下水，使得土中的孔隙水压力减小，从而导致有效应力的增加，因此引起土体的压缩和固结，由抽水引起地面沉降中，承压含水层沉降量相对较小，总沉降量主要取决于隔水层的沉降量。

参考文献：
[1]李新生，王静，王万平，王鹏鹏等.西安地铁二号线沿线地裂缝特征、危害及对策[J].工程地质学报，2007年第四期
[2]唐辉明.工程地质学基础[M].北京：化学工业出版社，2008
[3]陈仲颐，周景星，王洪瑾.土力学[M].北京：清华大学出版社，1994。