第十章　地面沉降工程地质研究.ppt

工程地质学 资环学院 吴道祥 第十章　地面沉降工程地质研究 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。 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)，而粘土层中孔隙水压力达到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 前面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