地面沉降的原因分析

地面沉降的原因分析

摘要

关键词

1.引言

地面沉降在世界各地非常普遍，在城市地区尤为显著。随着工业化、城市化进程的加速，人类的经济与工程活动在地面沉降中的作用成为决定性的关键因素。地面沉降已成为影响经济社会可持续发展的典型的环境地质问题和重要的城市地质灾害之一。

本文阐述了地面沉降的发展现状与原因，全面的分析地面沉降的原因，以及以上海地面沉降的原因为例，分析了制约影响因素及其在地面沉降中的作用，在此基础上，提出面对地面沉降的防治措施与建议。

2.地面沉降的原因分析

2.1地面沉降发展与现状

地面沉降是指自然和人为因素作用下地面高程降低的现象。自然因素包括地壳的升降运动、地震、火山活动、气候变化海平面上升及土体自然固结等;人为因素包括开采地下流体资源(地下水、石油、天然气)、开采地下固体矿产(金属矿、煤、岩盐等)、工程施工、灌溉(尤指黄土或泥炭土壤灌溉区)以及地表的静动荷载等。

伴随着工业革命的兴起和发展，人为因素在地面沉降中的作用日益凸显，特别是大规模持续地开发利用地下水和石油等资源，导致区域性的地面沉降迅速发展，成为地面沉降的主要影响因素。19世纪末期，地面沉降现象已开始显露，而在20世纪初中期急速发展，并在世界各地逐步蔓延。地面沉降已成为城市化进程中普遍存在的环境地质问题，由此导致的环境影响和社会危害日渐突出且日趋严重，成为制约社会经济可持续发展的重要地质灾害之一。自从意大利威尼斯城最早发现地面沉降以来, 世界上已有200多个城市或地区发生了不同程度的地面沉降现象。我国最早于1921年在上海地区发现地面沉降以来, 天津、西安、太原、苏州以及内蒙等地相继出现了地面沉降现象。

2.2地面沉降的原因

2.2.1地下水资源的开采

地下水资源由五个组成部分，水资源各组份的性质及其对地面沉降的影响所有的地面沉降，都是从地层中抽汲流体的结果。因此，进一步探讨水资源各组份对地面沉降的影响。

第一部分，即因压力水头下降，水体积膨胀而增加的水量。这部分水原来就存在于含水层中，属于储存资源。取用之后，只要能使含水层的水压恢复到原来高度，则水的体积仍可压缩到原来状态；从这个意义讲，是可偿补的储存资源。这部分水的数量很小，而且并不对地面沉降产生直接影响。

第二部分，即因含水层骨架压缩而排出的水量。一般含水层的主要成分是石英类矿物}石英有很大的抗压强度，几个大气压或更大些的压力一般不足以使其破裂，而只能使其轻微压缩，增大相互接触的面积，减少孔隙度，从而排出含水层的部分水量。这部分水量应属储存资源。由于这种压缩是弹性变形(含水层并非主要由石英或其它坚硬矿物组成时则例外)。当含水层中的压力恢复，转嫁给颗粒的那一部分负荷去除后，被压缩的含水层骨架仍能复原，含水层的储容水量也能复原。所以，这部分水属于可偿补的储存资源。这一部分水量的排出是引起暂时性地面沉降的-主要原因。

第三部分，是粘性土释水。由于粘性土孔隙度较大，孔隙微小，其中绝大部分是结合水，只有当含水层与粘性土层间的水头差足以克服水与颗粒之间的结合力后，水才从粘性土层中排出。粘性土的颗粒主要为粘土矿物，释水时孔隙的压缩，不仅由于颗粒接触面积增大，还由于颗粒间发生相对位移以及结构孔隙的破坏。变形是塑性的。这部分水原来存在于地层之中，当然属于储存资源。当含水层中水的压力恢复之后，栅邻粘性土层中水的压力也会逐渐恢复与之平衡。但是，由于变形是塑性的，所以只能使已被压缩的孔隙中水的压力加大，而孔隙度与储容水量均不可能恢复到初始状态，由此可知，这部分水基本上属于不可偿补的储存资源。它的排除是造成永久性地面沉降的原因。

第四部分，相邻含水层通过粘性土层向取水层运移的水量，即越流量。它虽然来自取水层之外，但通常仍属同一含水系统中的水，来源也不出乎其余四种组分。因此，这部分水的资源性质及其对地面沉水量通常并不大，对地面沉降的影

响也不明显。

第五部分，即含水层从外界获得的补给水量，属于补给资源。由于其随采随补，并不造成水位下降，开采它不会引起地面沉降。

2.2.2地面工程建设

城市建设施工中采用的工程措施可归结为以水平方向为主及以垂直方向为主两大类型。前者以重大市政工程为代表, 如地铁、隧道、合流污水工程、道路改扩建等, 利用开挖或盾构掘进, 并敷设各种市政管线。后者以高层建筑基础施工为代表, 如基坑开挖、降排水、沉

桩等。各种工程措施均可造成一定的沉降影响。沉降效应较为明显的工程措施有开挖、降排水、盾构掘进、沉桩等。

开挖常能揭遇具流砂性质的饱水砂层和具流变特性的饱和淤泥质软土, 对于深度与面积较大的基坑, 均有可能造成支护结构失稳, 从而导致基坑周边地区地面沉降。道路开挖的规模虽较基坑开挖为小, 但相对来说对支护结构要求不甚严格, 沉降有时很明显。而规模较大的隧涵等的明挖有时较基坑开挖有更显著的沉降。

降排水常作为基坑等开挖的配套工艺实施, 旨在疏干工作区作业面, 其机理与抽汲地下水引发沉降一致。

盾构掘进在软土层中具有优越性, 但由于破坏了原本较差的土体结构, 使土层在盾构前进轴线有滞后沉降, 并波及其外围地区。

沉桩则可导致土层内孔隙水压力升高, 挤土效应使地面产生隆起变形, 而孔隙水压力消散在软土层中要持续相当长时间, 从而造成滞后沉降。

城建施工造成的沉降具如下特点: 沉降动态无采灌地下水的冬升夏沉季节性变化, 而与工程施工进度密切相关; 沉降地区与工程密集程度有关, 与是否为地下水集中开采区无明显关系; 沉降主要集中于浅部工程活动相对频繁和集中的地层中, 软土层尤为明显, 与开采地下水引起的沉降主要在深部含水砂层有根本区别; 沉降大小和影响范围与施工艺关系密切, 优化工艺能显著减弱沉降, 甚至能降至最低限度; 工程施工的沉降控制重视程度往往取决于周围环境条件, 在原有建筑、地下管线密集等沉降敏感地区, 沉降较小, 而在对沉降影响无控制要求地区沉降反而偏大, 两者相差有时能达1- 2 个数量级;沉降主要集中于基础施工

阶段, 即动荷造成的沉降较为明显, 静荷增加造成的沉降相对较小，以建筑物自身沉降而言, 采用天然地基的中小型建筑物最终沉降量一般要大于采用桩基础的高层建筑物最终沉降量。

3.上海地面沉降的原因

地面沉降是由于过量抽取地下水引起地层压密、固结产生的, 多见于大城市, 沿海城市沉降尤为严重。上海市1921 年发现地面沉降, 至1949 年已平均下沉36. 7 cm。上海地面沉降主要与超量抽取地下水有关,上海地区地下水资源基本属于消耗型, 除人工回灌外, 主要靠消耗本区和周边地区含水层储存资源获得。由于周边江浙地区也在大量开采地下水, 进水量主要来自东海、东海大陆架含水层。只要东部补给量减少, 边界水位下降速度将加快, 并进一步引起该区的地下水位下降。

在市区地下水采灌格局未有大的变化情况下, 自七五( 1986～

末期开始, 市区地面沉降较前期有显著增加，调查分析结果表明, 大规模城市改造建设是近年来市区沉降加剧的重要原因, 已成为上海地面沉降新的制约因素, 使沉降控制面临新的形势。

上海市区第四纪地层厚达300m 以上, 其中75 m 浅土层的工程地质性质是决定城建施工地面沉降影响的基础。该段土层可分为9个工程地质层, 除耕填土层外, 自上而下依次为表土层、第 1 砂层、第 1 软土层、第 2 软土层、第1 硬土层、第 2 砂层( 第Ⅰ承压含水层) 、第 3 软土层、第 3 砂层( 第Ⅱ承压含水层) 。表土层一般可作天然地基, 第 1 砂层可作短桩基础, 发育良好的第 2 软土层中砂土夹层、第 1 硬土层、第 2 砂层是主要的桩基持力层, 特大工程则以第 3 砂层为桩基持力层。上海地区潜水位埋藏浅, 地表下数m 至40 m 区间内普遍分布饱和淤泥质粘性土层( 第1、2 软土层) , 使上海成为典型软土地基地区, 在工程施工过程中很易诱发地面沉降等环境地质问题。一般认为, 工程施工造成的沉降影响是局部和短暂的。但由于近年来上海城建施工面广量大, 使沉降影响彼此叠加, 形成线状或面状沉降带, 给沉降控制带来影响。

除超量抽取地下水和城市建设之外, 造成近期上海地面沉降加速的原因是多方面的:

( 1) 上海地区地下水开采量在较长时间内仍将持续高水平。

(2) 上海市第四纪沉积层厚达300 多m, 在潜水含水层以下有7 个粘性土层, 上部粘土层在反复抽水与回灌的加卸载过程中, 回弹效应愈来愈差, 其力学性状已经发生明显变化。

( 3) 长江三角洲的苏、锡、常地区和杭、嘉、湖地区地面沉降明显, 已经和上海地区地面沉降几乎连成一片, 造成周边地区与上海地区地面沉降的地面沉降的相互影响加剧。

( 4) 全球海平面升高影响, 上海海平面目前以每年1. 5mm 上升, 地面沉降必须考虑与海平面升高的共同影响。

4.地面沉降防治

地面沉降防治是一项系统工程，涉及到城市生产、生活和管理的方方面面。从学术角度和纯技术层面而言，针对目前地面沉降新的发展态势和出现的新特点，地面沉降防治工作应在下述方面予以进一步加强:

①严格限制地下水开采，切实缩减深部含水层开采量。

②强化地下水回灌管理，切实提高回灌实效。

③加强监测，以地下水位变化作为沉降发展与调控效果的检验标志。

④开展工程性地面沉降的深入研究，寻求防治对策措施。

5.结论

地面沉降是一种广泛分布的城市地质灾害，与地区经济发展及对地下水资源和土地资源的开发利用关系密切，经济与工程活动在地面沉降中的作用已然成为关键的决定性因素。

全面分析了地面沉降的因素，阐述了主要影响因素的作用及其内在机制，开采地下水和地面工程建设活动是主要的和决定性的外在原因。开采地下水是区域性地面沉降的主导因素；地面工程建设活动是城市区地面沉降的重要原因。最后，提出了地面沉降防治的对策与措施。