工程地质地面沉降

北京供水三分之二来自地下水。近年来，由于地 下水的超量开采，北京平原地面沉降呈快速增加 趋势。到目前为止，在东郊八里庄—大郊亭、东 北郊来广营、昌平沙河—八仙庄、大兴榆垡—礼 贤、顺义平各庄等地已经形成了五个较大的沉降 区，沉降中心累计沉降量分别达到722毫米、565 毫米、688毫米、661毫米、250毫米。最严重的 地方，地表还在以每年20至30毫米的速度下沉。 由于地面沉降，北京城市基础设施受到一定程度 的损害。在部分沉降区发现工厂、居民区楼房墙 壁开裂、地基下沉、地下管道工程损坏等50余处 险情，一些建筑物的抗震能力和使用寿命也受到 影响。
地面沉降导致了地表建筑和地下设施的破坏。据 统计，我国每年因地面沉降导致的经济损失达1亿元 人民币以上。值得庆幸的是，我国已开始重视这个问 题，控制人口增长、合理开采地下水等一系列政策的 出台使我国很多地区的地面沉降现象已经或将得到控 制。
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主要危害
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(1).沿海地区沉降使地面低于海面，受海水侵袭；
• (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)在一些地面沉降强烈的地区，伴随地面垂直 沉陷而发生的较大水平位移，往往会对许多地面和地 下构筑物造成巨大危害;
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(5)在地面沉降区还有一些较为常见的现象，如
深井管上升、井台破坏，高摆脱空，桥墩的不均匀下
地面沉降的地质原因
从地质因素看，自然界发生的地面沉降大致有 下列3种原因。
1. 地表松散地层或半松散地层等在重力作用下， 在松散层变成致密的、坚硬或半坚硬岩层时，地面 会因地层厚度的变小而发生沉降。
2. 因地质构造作用导致地面凹陷而发生沉降。
3. 地震导致地面沉降。
地面沉降的人为原因
地面沉降现象与人类活动密切相关。尤其是近几 十年来，人类过度开采石油、天然气、固体矿产、地 下水等直接导致了今天全球范围内的地面沉降。在我 国，由于各大中城市都处于巨大的人口压力之下，地 下水的过度抽采更为严重，导致大部分城市出现地面 沉降，在沿海地区还造成了海水入侵。
北京每年平均超采地下水约1亿立方米， 这是造成地面沉降的主要原因。
近年来，北京市每年开采地下水量达 26亿至27亿立方米———平均每年超采1 亿立方米。在2003年，北京平原形成的5 个沉降区中，形成了近1100平方公里的降 落漏斗，导致大面积地面沉降，根据1999 年的统计数据，累计地面沉降量大于50毫 米的地区达到2815平方公里。
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。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一维固结问题处理。
图1
图2 由承压水头降低引起的土层固结的模拟试验结果
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。
二. 地面沉降的形成机制
1 承压水位降低所引起的应力转变及土层的压密 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，土中由复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。
以三层结构条件下单层抽水的情况为例，对抽 水过程中土层中应力的转变及土层的固结问题进 行具体分析。
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 中的表现是截然不同的。在砂层中这一过程基本 上标志着固结进展程度的应力转换线逐渐地向最 终边界线推进(图1)，而达到AB线(与降低后的承 压水位相平衡的孔隙水压力线)所需的时间，正如 模型试验(图2)所表明的，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。
沉等，这些现象虽然不致于造成大的危害，但也会给
市政建设的各方面带来一定影响。
西 安 市 地 面 沉 降
上个世纪90年代以来，由于采取限采、禁采地下 水和回灌地下水等措施，上海、嘉兴、宁波等地 沉降速度趋缓，但总体沉降范围却在迅速扩展。 如杭、嘉、湖的沉降正向整个平原蔓延，长江三 角洲地区的地面沉降在区域上有连成一片的趋势。 苏锡常地区的沉降速度也在加大，苏州市自1949 年以来累计地面沉降600毫米的面积已达180平方 公里，常州43平方公里，无锡59.5平方公里。地 面沉降最严重的是上海，其次是苏锡常，再次是 杭嘉湖。40年来，上海市因地面沉降的直接经济 损失达2900亿元，其中潮损1755亿元，涝损848亿 元，安全高程损失189亿元。
工程地质学 基础
第十三章 地面沉降问题的工程地质分析
提要
基本概念及研究意义 地面沉降的形成机制 地面沉降的产生条件 地面沉降的研究、预测及防治
天 津 市 地 面 沉 降
一. 基本概念及研究意义
地面沉降
地面沉降是指在一定的地表面积内所发生的地 面水平面降低的现象。地面沉降现象很早就为史书 所记载。作为自然灾害，地面沉降的发生有着一定 的地质原因。但是，随着人类社会经济的发展、人 口的膨胀，地面沉降现象越来越频繁，沉降面积也 越来越大。在人口密集的城市，地面沉降现象尤为 严重。现在我们研究地面沉降的原因时，不难发现， 人为因素已大大超过了自然因素。现在的地面沉降 现象与其说是自然灾害，倒不如称之为人为祸患。