地面沉降工程地质研究.ppt

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地面沉降工程地质研究,一、概述,地面沉降指地面高程的降低,均指地壳表面某一局部范围内的总体下降运动。,特点以缓慢的、难于察觉的向下垂直运动为主,只有少量的或基本没有水平向的位移,可能影响的平面范围可大至几千平方公里。在某些实例中地面沉降是一种自然动力地质现象,而在多数实例中这种现象是由人类活动所引起的,常以地壳表层一定深度内岩土体的压密固结或下沉为主要形式。近年来的研究成果表明,地面沉降产生于特定的地质环境中并受到多种诱发因素的制约和影响。,诱因引起地面沉降的因素包括自然地质因素和人类工程活动因素两大类。地面沉降可以由单一因素诱发,而在许多情况下是由几种因素综合作用的结果。在诸因素中,人类工程活动因素常起着重要的作用。,自然动力地质因素 1 地球内营力作用 它包括地壳近期下降运动、地震、火山运动等。由地壳运动所引起的地面下降是在漫长的地质历史时期中缓慢地进行的,其沉降速率较低,一般不构成灾害性后果。例如我国天津地区第四纪以来的地壳年平均沉降速率约为0.17-0.2mm,近期的年平均下降速率为1-2mm。但是在地壳沉降区内的不同地点下降速率并非完全一致,常常表现出相对不均一性。 2 地球外营力作用 它包括溶解、氧化、冻融等作用。地下水对土中易溶盐类的溶解,土壤中有机组分的氧化,地表松散沉积物中水分的蒸发等,均可能造成土体孔隙率或密度的变化,促进土体自重固结过程而引起地面下降。,人类活动因素 人类活动因素是诱发高速率地面沉降的重要因素。在诸多人类活动因素中对地面沉降的发生和发展关系最为密切的因素是抽取地下液体的活动。由于各种形式的抽取地下液体而导致地面沉降的实例,几乎占当前世界范围内地面沉降全部事例的绝大部分。由于这种情况下的地面下沉是逐渐演变的,其后果往往在已明显地表现为灾害之后才被认识,因而其危害性也最大。抽液活动包括以下几种典型情况,1 持续性超量抽取地下水 在松散介质含水系统中长期的、周期性的开采地下水,当开采量超过含水系统的补给资源即动储量限额时,将导致地下水位的区域性下降,从而引起含水砂层本身的压密以及其顶底部一定范围内饱水粘性土层中的孔隙水向含水层运移即越流作用。在渗流的动水压力和土层孔隙水排出所相当之附加有效应力作用下,粘土层发生压密固结,从而综合影响导致了地面沉降。,2 开采石油 开采石油是人工抽取地下液体的另一种重要形式,在某些埋藏较浅的半固结砂岩含油层中,抽取石油可引起砂岩孔隙液压的下降,未完全固结的砂岩在上覆岩层自重压力作用下继续固结,引起采油区地断下降。典型实例是美国长滩威明顿油田,该地区含油气层位于地下600-1500m深度内,自1926-1968年期间共钻2800口油井,采出油气5.2109m3,其地面总沉降量达9.0m,使油田设施遭到严重破坏。经向油层注水1.75105m3/d后沉降停止并有少量地面回弹。 3 开采水溶性气体 日本新隅因开采水溶性天然气甲烷而持续地大量抽水,导致开采层地下水位下降及含气层的压缩,产生了大幅度的地面沉降。,自l9世纪末以来,随着世界范围内人类工程活动强度和规模的不断增大,在许多具备适宜的地质环境的地区陆续出现了地面下沉现象。在诸多实例中由于人类抽取地下液体的工程活动而引起的地面沉降的情况最为普遍。意大利的威尼斯城是最早被发现因抽取地下水而产生地面沉降的城市。之后,日本、美国、墨西哥、中国、欧洲和东南亚一些国家中的许多位于沿海或低平原上的城市地区,由于抽取地下液体的工程活动,均先后出现了较严重的地面沉降问题。表10-1列出了世界各典型地面沉降地区的沉降量值、速率、诱发因素及已采取的治理措施等一般概况。,表10-1 世界各地地面沉降概况,由于地面沉降与人类工程活动有着直接的联系,它常常产生于具备了特定地质环境的工业化和城市化地区,给这些地区的社会经济发展、城市建设、环境保护和人类生活带来危害。 地面沉降是由多种动力地质因素特别是人类活动因素所引起的工程动力地质作用。这种作用的后果无论对城市环境或各种类型工程建筑物的稳定都是不利的。该问题的严重性已愈来愈引起有关学科专家的重视。因而近年来人们已把地面沉降问题列为工程地质学及环境地质学的重要课题加以研究。,主要危害 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; 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。,天津市地面沉降,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。,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。,上海市地面沉降使桥墩错位,二、地面沉降的地质环境,地面沉降一般发生在未完全固结成岩的近代沉积地层中,其密实度较低,孔降度较高,孔隙中常为液体所充满。地面沉降过程实质上是这些地层的渗透固结过程的继续。,近代河流冲积环境模式,近代三角洲平原沉积环境模式,断陷盆地沉积环境模式,二、地面沉降的地质环境(续1),近代河流冲积环境模式,以河流中下游高弯度河流沉积相为主。,属于这种模式的河流常处于现代地壳沉降带中,河床迁移频率高,因而沉积物特征为多旋回的河床沉积土--下粗上细的粗粒土和泛原沉积土,并以细粒粘性土为主的多层交错叠置结构。,我国东部许多河流冲积平原如长江中下游,黄淮海平原、松嫩平原等均属于此种类型。,二、地面沉降的地质环境(续2),近代三角洲平原沉积环境模式,三角洲位于河流入海地段,介于河流冲积平原与滨海大陆架的过渡地带。,其沉积结构具有由陆源碎屑以中细砂为主夹有机粘土与海相粘性土交错叠置的特征。,我国长江三角洲主体部分属于建设性三角洲,并继续向外淤积扩展形成广阔的三角洲平原。位于其上的上海、常州、无锡等城市地面沉降的发生和发展均受这种地质环境模式的控制。,二、地面沉降的地质环境(续3),断陷盆地沉积环境模式 ,一般位于三面环山,中部以断块下降为主的近代活动性地区。盆地下降过程中,不断接受来自周围剥蚀区的碎屑物质,堆积了多种成因的粒度不均一的沉积层。沉积物结构受断陷速率和节奏的控制。按其地理位置可分为两种类型。,二、地面沉降的地质环境(续4),(1)临海式断陷盆地,这类盆地位于滨海地区,常受到近期海浸影响。其沉积结构由海陆交互相地层组成。我国台北和宁波盆地均属于这种模式。,(2)内陆式断陷盆地,这类盆地位于内陆高原的近代断陷活动地区。盆地内接受来自周围物源区的多种成因的陆相沉积。由于断陷运动的不均一性,造成沉积物粒度变化和不同的旋回韵律。我国汾渭地堑中的盆地属于此种类型。,图10-7 宁波断陷盆地剖面图据沈孝宇等 1-亚粘土;2-淤泥质亚粘土;3-亚砂土; 4-粉土质砂砾;5-砂±;6-砂砾土;7-砂砾岩;8-凝灰岩,三. 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,土中由覆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。,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。 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。,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。 以上通过一种较简单的三层结构、单层抽水模式的机制。其它多层结构甚至多层抽水类型的沉降机制仍然是相同的,所以就不再一一地进行讨论了。,承压含水层系统中单层抽水压力关系图解 a-地层剖面;b-压力相互关系,相对隔水层B层顶及底部地层总压力初始值为p1及p2,水压力初始值为pω1及pω2。承压含水层中承压面降低值z2导致的水压力变化由虚线表示,有效应力由虚线pex标出,美国Sunyvale和Pixley 地面沉降区的观测实例,2. 土层的性质及其变化与地面沉降的关系 1. 土层的固结状态与地面沉降的关系 讨论了承压水位下降引起地面沉降尽管情况要复杂得多。如前所述,在土的固结、压密过程中起作用的只是有效应力,也就是说,土的固结、压密程度主要取决于曾经作用于土体上的有效应力的大小。通常将曾经作用于土层中的最大有效应力称为该土层的预固结应力或先期固结应力,它相当于压缩曲线上开始的近水平段终点处的压力值,故可通过实验加以测定。,如果抽水前土层不同深度处的固结程度都与土中现有的天然有效应力此相适应,那么这种土层就称为正常固结的土层,此时该土层内的天然孔隙水压力线即静水压力线与预固结应力线相重合。这里所谓的预固结应力线,是指在不同深度上,从总应力线向左方截取该深度土的预固结应力值所得各点的连续。倘若当前土层内不同深度处的固结程度不与现有的天然有效应力此相适应, 在相同的条件下,超固结土层的压密量将小于正常固结土层,同理欠固结土层的压密量则将大于正常固结土层。,3. 砂层与粘土层的压密在地面沉降中的相对重要性 在较低的有效应力增长条件下,粘土层的压密和非弹性的永久变形在地面沉降中起主要作用,而在水位回升过程中,上述变形不能恢复,只有粘性土弹性变形部分和砂层的膨胀回弹可构成地面总的回弹量。 此外,粘性土层孔隙水压力的调整需要较长的时间,即有效应力增长与粘性土相应的压密变形过程之间存在时间滞后。因此,地面沉降的开始可能与抽水所引起的水位下降同步,但沉降过程的结束则常滞后于该地下水位的下降期。,四. 地面沉降的产生条件 从前面的讨论中可以看出,地面沉降的产生需要一定的地质、水文地质条件和土层内的应力转变由水所承担的那部分应力不断转移到土颗粒上条件。 从地质、水文地质条件来看,疏松的多层含水体系;其中承压含水层的水量丰富,适于长期开采;开采层的影响范围内,特别是它的顶、底板,有厚层的正常固结甚或欠固结的可压缩性粘性土层等,对于地面沉降的产生是特别有利的。 从土层内的应力转变条件来看,承压水位大幅度波动式的趋势性降低,则是造成范围不断扩大的、累进性应力转变的必要前提。,五. 地面沉降的研究、预测及防治 1. 地面沉降的工程地质研究 为了掌握地面沉降的规律和特点,合理拟定控制地面沉降的措施,研究工作必须包括下述内容 1地区地质结构的研究; 2地面水准点的定期测量, 3地下水开采量统计及地下水位的长期观测; 4粘性土层孔隙水压力的观测; 5土层性质的测试; 6各土层实际沉降量的监测及土性参数的反算。 其中前三项工作属常规性质,用一般通用的方法进行。,粘性土层孔隙水压力的观测 为研究抽、灌水作用下,土层不同深度处孔隙水压力的有关数据,应有计划地开展现场孔隙水压力观测工作。除常规土工试验外,还需进行一些专门性质的试验研究工作 为此,需在不同地区的粘性土层内埋没孔隙水压力观测孔,在夏季用水期一般每5天观测一次,其他季节每10天一次。,土层性质的测试研究 从地面沉降角度研究土层的性质 压缩试验,高压固结试验 各土层实际沉降量的监测及土层性质参数的反算 基岩标与分层标的埋设, 合成孔径雷达InSAR和 全球卫星定位系统GPS的应用。,2、地面沉降预测,对由于开采地下水而引起的地面沉降的研究主要分为沉降机理的研究和计算与预测模型的研究。对机理的研究普遍采用有效应力原理进行解释。,目前地面沉降预测计算模型可分为三类 ,土水模型,生命旋回模型,系统工程方法,2、地面沉降预测(续1),土水模型,土水模型包括两个过程,水位模型确定含水层水位与开采 (回灌 )之间的关系,土力学模型计算由于含水层水位变化引起粘性土及含水层本身的变形规律 。,含水层的变形计算一般采用弹性公式,2、地面沉降预测(续2),粘性土层的变形计算,渗透固结理论的计算模型,流固耦合的计算模型,弹塑性理论的计算模型,实测参数法,最优化计算法,3、地面沉降的防治措施,表面治理措施对已产生地面沉降的地区,要根据其灾害规模和严重程度采取地面整治及改善环境,其方法主要有;,(1)在沿海低平原地带修筑或加高挡湖堤、防洪堤,防止海水倒灌、淹没低洼地区。,3、地面沉降的防治措施(续1),(2)改造低洼地形,人工填土加高地面。,(3)改建城市给、排水系统和输油、气管线,整修因沉降而被破坏的交通线路等线性工程,使之适应地面沉降后的情况。,(4)修改城市建设规划,调整城市功能分区及总体布局。规划中的重要建筑物要避开沉降区。,3、地面沉降的防治措施(续2),根本治理措施,(l)压缩用水量,(2)人工补给地下水(人工回灌),(3)调整地下水开采层位,用沉降预测和科学实验来指导防治措施,确定一个最有效的采灌方案,其中包括采灌时间、深度、周期和强度等。,从1966年起,上海开始限采地下水,向地层回灌自来水,“冬灌夏用”、“夏灌冬用”,以地下含水层储能及开采深部含水层等众多措施把上海地面沉降稳住,1966年至1971年还出现了回弹3毫米。上海市过去地下水取水点多如牛毛,现在已经压缩到800个左右。地下水年开采量从过去的2亿立方米,下降至2002 年的9635 万立方米。 上海采取控制地下水开采和地下水人工回灌两大措施,使上海地面沉降从历史最高的年沉降量110毫米,下降至目前的年沉降量10毫米左右。,
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