第8章 地面沉降問題的工程地質(zhì)分析

1、環(huán)境與土木工程學(xué)院地質(zhì)工程系環(huán)境與土木工程學(xué)院地質(zhì)工程系20072007年年9 9月月11沿海地區(qū)沉降使地面低于海面，受海水侵沿海地區(qū)沉降使地面低于海面，受海水侵襲；襲；22一些港口城市，由于碼頭、堤岸的沉降而一些港口城市，由于碼頭、堤岸的沉降而喪失或降低了港灣設(shè)施的能力喪失或降低了港灣設(shè)施的能力; ;33橋墩下沉，橋梁凈空減小，影響水上交通橋墩下沉，橋梁凈空減小，影響水上交通. .44在一些地面沉降強烈的地區(qū)，伴隨地面垂在一些地面沉降強烈的地區(qū)，伴隨地面垂直沉陷而發(fā)直沉陷而發(fā) 生的較大水平位移，往往會對生的較大水平位移，往往會對許多地面和地下構(gòu)筑物造成巨大危害許多地面和地下構(gòu)筑物造成巨大危害

2、; ;55在地面沉降區(qū)還有一些較為常見的現(xiàn)象，在地面沉降區(qū)還有一些較為常見的現(xiàn)象，如深井管上升、井臺破壞，高擺脫空，橋如深井管上升、井臺破壞，高擺脫空，橋墩的不均勻下沉等，這些現(xiàn)象雖然不致于墩的不均勻下沉等，這些現(xiàn)象雖然不致于造成大的危害，但也會給市政建設(shè)的各方造成大的危害，但也會給市政建設(shè)的各方面帶來一定影響。面帶來一定影響。由不均勻沉降常會造成墻壁開裂8.l 8.l 主要工程危害及研究意義主要工程危害及研究意義 地基的沉降特別是不均勻沉降，不僅會影響到建筑物本身的使用功能和美觀性，更為重要的是它常常會造成建筑的變形破壞，由此帶來嚴(yán)重的工程事故和災(zāi)難，為此我們對建筑物所容許的沉降變形量做出了

3、相應(yīng)的規(guī)定。8.l 8.l 主要工程危害及研究意義主要工程危害及研究意義變變 形形 特特 征征地地 基基 土土 類類 別別中、低壓縮性土中、低壓縮性土高壓縮性土高壓縮性土砌砌 體體 承承 重重 結(jié)結(jié) 構(gòu)構(gòu) 基基 礎(chǔ)礎(chǔ) 的的 局局 部部 傾傾 斜斜0.0020.0020.0030.003工業(yè)與民用建筑工業(yè)與民用建筑相鄰柱基的相鄰柱基的沉降差沉降差框架結(jié)構(gòu)框架結(jié)構(gòu)磚石墻填充的邊排柱磚石墻填充的邊排柱當(dāng)基礎(chǔ)不均勻沉降時不產(chǎn)生附加應(yīng)力的結(jié)構(gòu)當(dāng)基礎(chǔ)不均勻沉降時不產(chǎn)生附加應(yīng)力的結(jié)構(gòu)0.002 L0.002 L0.0007 L0.0007 L0.005 L0.005 L0.003 L0.003 L0.001

4、L0.001L0.005 L0.005 L單層排架單層排架( (柱架柱架6m)6m)柱基沉降量柱基沉降量(mm)(mm)中壓縮性土中壓縮性土 120120200200橋式吊車軌面的橋式吊車軌面的傾斜傾斜縱向縱向橫向橫向0.0040.0040.0030.003多層和高層建筑多層和高層建筑基礎(chǔ)的傾斜基礎(chǔ)的傾斜H24H2424H6024H6060 H10060100H1000.0040.0040.0030.0030.0020.0020.00150.0015高聳結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的高聳結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的傾斜傾斜H20H2020H5020H5050 H10050 H100100H150100H150150 H200150

5、 H200200 H250200 H2500.0080.0080.0060.0060.0050.0050.0040.0040.0030.0030.0020.002高聳結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)高聳結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的沉降量的沉降量(mm)(mm)H100H100100H200100H200200 H250200 H250200200400400300300200200建筑物的地基沉降變形允許值 8.l 8.l 主要工程危害及研究意義主要工程危害及研究意義國外某城區(qū)的大面積地面沉陷8.2 8.2 地面沉降的形成機制地面沉降的形成機制 承壓水位降低所引起的應(yīng)力轉(zhuǎn)變及承壓水位降低所引起的應(yīng)力轉(zhuǎn)變及土層的壓密位于末固結(jié)或半固結(jié)疏

6、松土層的壓密位于末固結(jié)或半固結(jié)疏松沉積層地區(qū)內(nèi)的大城市，因為潛水易沉積層地區(qū)內(nèi)的大城市，因為潛水易于污染往往開發(fā)深層的承壓水作為工于污染往往開發(fā)深層的承壓水作為工業(yè)及生活用水的水源。業(yè)及生活用水的水源。 在孔隙承壓含水層中，抽汲地下水在孔隙承壓含水層中，抽汲地下水所引起的承壓水位的降低，必然要使所引起的承壓水位的降低，必然要使含水層本身和其上、下相對含水層中含水層本身和其上、下相對含水層中的孔隙水壓力隨之而減小。的孔隙水壓力隨之而減小。 根據(jù)有效應(yīng)力原理可知，土中由復(fù)根據(jù)有效應(yīng)力原理可知，土中由復(fù)蓋層荷載引起的總應(yīng)力是由孔隙中的蓋層荷載引起的總應(yīng)力是由孔隙中的水和土顆粒骨架共同承擔(dān)的，由水承水

7、和土顆粒骨架共同承擔(dān)的，由水承擔(dān)的部分稱為孔隙水壓力，它不能引擔(dān)的部分稱為孔隙水壓力，它不能引起土層的壓起土層的壓由于不均勻沉降房屋出現(xiàn)拉裂8.2 8.2 地面沉降的形成機制地面沉降的形成機制p密故又稱為中性壓力，而由土骨架密故又稱為中性壓力，而由土骨架承擔(dān)的部分則能直接造成土層的壓承擔(dān)的部分則能直接造成土層的壓密，故稱為有效應(yīng)力；二者之和等密，故稱為有效應(yīng)力；二者之和等于總應(yīng)力。于總應(yīng)力。p 假定抽水過程中土層內(nèi)的總應(yīng)假定抽水過程中土層內(nèi)的總應(yīng)力不變，那么孔隙水壓力的減小必力不變，那么孔隙水壓力的減小必然導(dǎo)致土中有效應(yīng)力的等量增大，然導(dǎo)致土中有效應(yīng)力的等量增大，結(jié)果就會引起土層成比例的固結(jié)。

8、結(jié)果就會引起土層成比例的固結(jié)。由于區(qū)域性地面沉降范圍較廣闊，由于區(qū)域性地面沉降范圍較廣闊，壓縮層厚度與沉降范圍相比較，又壓縮層厚度與沉降范圍相比較，又相對較小，因此無論從理論或?qū)嶋H相對較小，因此無論從理論或?qū)嶋H應(yīng)用上，即可以把這類由于抽水引應(yīng)用上，即可以把這類由于抽水引起的地面沉降問題按一維固結(jié)問題起的地面沉降問題按一維固結(jié)問題處理。處理。 由于不均勻沉降房屋出現(xiàn)拉裂8.2 8.2 地面沉降的形成機制地面沉降的形成機制 p 由于透水性能的顯著差異，上由于透水性能的顯著差異，上述孔隙水壓力減小，有效應(yīng)力相述孔隙水壓力減小，有效應(yīng)力相應(yīng)增大的過程，在砂層和粘土層應(yīng)增大的過程，在砂層和粘土層中的表現(xiàn)

9、是截然不同的。中的表現(xiàn)是截然不同的。p 在承壓水位降低后，直到應(yīng)力在承壓水位降低后，直到應(yīng)力轉(zhuǎn)變過程轉(zhuǎn)變過程( (也就是固結(jié)過程也就是固結(jié)過程) )最終完最終完成之前的相當(dāng)長的一段時間里，成之前的相當(dāng)長的一段時間里，粘土層中始終不同程度地存在有粘土層中始終不同程度地存在有高于和新的承壓水位。相平衡高于和新的承壓水位。相平衡 的孔隙水壓力，這部分孔隙的孔隙水壓力，這部分孔隙工程開挖后呈散體堆積的土8.2 8.2 地面沉降的形成機制地面沉降的形成機制p水壓力通常被稱為水壓力通常被稱為剩剩余孔隙水壓余孔隙水壓力或超孔隙水壓力。土層內(nèi)現(xiàn)有力或超孔隙水壓力。土層內(nèi)現(xiàn)有的的剩剩余孔隙水壓力的大小，是衡余孔

10、隙水壓力的大小，是衡量該土層在現(xiàn)存的應(yīng)力條件下可量該土層在現(xiàn)存的應(yīng)力條件下可能最終產(chǎn)生的固結(jié)、壓密的強烈能最終產(chǎn)生的固結(jié)、壓密的強烈程度的重要標(biāo)志，通?？梢酝ㄟ^程度的重要標(biāo)志，通?？梢酝ㄟ^實測加以查明。實測加以查明。土體中所含的孔隙水以及由此所產(chǎn)生的孔隙水壓力對土體的壓密、沉降有著很大的影響。8.2 8.2 地面沉降的形成機制地面沉降的形成機制p 討論了承壓水位下降引起地面沉降討論了承壓水位下降引起地面沉降盡管情況要復(fù)雜得多。如前所述，在盡管情況要復(fù)雜得多。如前所述，在土的固結(jié)、壓密過程中起作用的只是土的固結(jié)、壓密過程中起作用的只是有效應(yīng)力，也就是說，土的固結(jié)、壓有效應(yīng)力，也就是說，土的固結(jié)、

11、壓密程度主要取決于曾經(jīng)作用于土體上密程度主要取決于曾經(jīng)作用于土體上的有效應(yīng)力的大小。通常將曾經(jīng)作用的有效應(yīng)力的大小。通常將曾經(jīng)作用于土層中的最大有效應(yīng)力稱為該土層于土層中的最大有效應(yīng)力稱為該土層的預(yù)固結(jié)應(yīng)力的預(yù)固結(jié)應(yīng)力( (或先期固結(jié)應(yīng)力或先期固結(jié)應(yīng)力) )，它相，它相當(dāng)于壓縮曲線上開始的近水平段終點當(dāng)于壓縮曲線上開始的近水平段終點處的壓力值，故可通過實驗加以測定。處的壓力值，故可通過實驗加以測定。研究土層性質(zhì)及其變化與地面沉降的關(guān)系對指導(dǎo)工程施工有積極的意義8.2 8.2 地面沉降的形成機制地面沉降的形成機制p如果抽水前土層不同深度處的固結(jié)如果抽水前土層不同深度處的固結(jié)程度都與土中現(xiàn)有的天然

12、有效應(yīng)力程度都與土中現(xiàn)有的天然有效應(yīng)力此相適應(yīng)，那么這種土層就稱為正此相適應(yīng)，那么這種土層就稱為正常固結(jié)的土層，此時該土層內(nèi)的天常固結(jié)的土層，此時該土層內(nèi)的天然孔隙水壓力線然孔隙水壓力線( (即靜水壓力線即靜水壓力線) )與與預(yù)因結(jié)應(yīng)力線相重合。這里所謂的預(yù)因結(jié)應(yīng)力線相重合。這里所謂的預(yù)固結(jié)應(yīng)力線，是指在不同深度上，預(yù)固結(jié)應(yīng)力線，是指在不同深度上，從總應(yīng)力線向左方截取該深度土的從總應(yīng)力線向左方截取該深度土的預(yù)固結(jié)應(yīng)力值所得各點的連續(xù)。倘預(yù)固結(jié)應(yīng)力值所得各點的連續(xù)。倘若當(dāng)前土層內(nèi)不同深度處的固結(jié)程若當(dāng)前土層內(nèi)不同深度處的固結(jié)程度不與現(xiàn)有的天然有效應(yīng)力此相度不與現(xiàn)有的天然有效應(yīng)力此相p在相同的條件

13、下，超固結(jié)土層的壓在相同的條件下，超固結(jié)土層的壓密量將小于正常固結(jié)土層，同理，密量將小于正常固結(jié)土層，同理，欠固結(jié)土層的壓密量則將大于正常欠固結(jié)土層的壓密量則將大于正常固結(jié)土層。固結(jié)土層。為研究地面荷載作用下土層性質(zhì)及其變化與地面沉降的關(guān)系，人們所做的地面靜載荷實驗8.2 8.2 地面沉降的形成機制地面沉降的形成機制p在較低的有效應(yīng)力增長條件下，粘土層的壓密在在較低的有效應(yīng)力增長條件下，粘土層的壓密在地面沉降中起主要作用，而在水位回升過程中，地面沉降中起主要作用，而在水位回升過程中，砂層的膨脹回彈則有決定意義。砂層的膨脹回彈則有決定意義。p地下水位變化的類型和特點及其與沉降的關(guān)系地下水位變化的

14、類型和特點及其與沉降的關(guān)系地面沉降的產(chǎn)生條件地面沉降的產(chǎn)生條件p從前面的討論中可以看出，地面沉降的產(chǎn)生需要從前面的討論中可以看出，地面沉降的產(chǎn)生需要一定的地質(zhì)、水文地質(zhì)條件和土層內(nèi)的應(yīng)力轉(zhuǎn)變一定的地質(zhì)、水文地質(zhì)條件和土層內(nèi)的應(yīng)力轉(zhuǎn)變( (由水所承擔(dān)的那部分應(yīng)力不斷轉(zhuǎn)移到土顆粒上由水所承擔(dān)的那部分應(yīng)力不斷轉(zhuǎn)移到土顆粒上) )條件。條件。p從地質(zhì)、水文地質(zhì)條件來看，疏松的多層含水體從地質(zhì)、水文地質(zhì)條件來看，疏松的多層含水體系；共中承壓含水層的水量豐富，適于長期開采；系；共中承壓含水層的水量豐富，適于長期開采；開采層的影響范圍內(nèi)，特別是它的頂、底板，有開采層的影響范圍內(nèi)，特別是它的頂、底板，有厚層的

15、正常固結(jié)甚或欠固結(jié)的可壓縮性粘性土層厚層的正常固結(jié)甚或欠固結(jié)的可壓縮性粘性土層等，對于地面沉降的產(chǎn)生是特別有利。等，對于地面沉降的產(chǎn)生是特別有利。p從土層內(nèi)的應(yīng)力轉(zhuǎn)變條件來看，承壓水位大幅度從土層內(nèi)的應(yīng)力轉(zhuǎn)變條件來看，承壓水位大幅度波動式的趨勢性降低，則是造成范圍不斷擴大的、波動式的趨勢性降低，則是造成范圍不斷擴大的、累進性應(yīng)力轉(zhuǎn)變的必要前提。累進性應(yīng)力轉(zhuǎn)變的必要前提。 未經(jīng)擾動和壓實的原狀土是一種疏松多孔的三相體。8.3 8.3 砂層與粘土層的壓密在砂層與粘土層的壓密在 地面沉降中的相對重要性地面沉降中的相對重要性 場面沉降的工程地質(zhì)研究場面沉降的工程地質(zhì)研究p地區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究；地區(qū)地質(zhì)結(jié)

16、構(gòu)的研究；p地面水準(zhǔn)點的定期測量；地面水準(zhǔn)點的定期測量；p地下水開采量統(tǒng)計及地下水位地下水開采量統(tǒng)計及地下水位 的長期觀察；的長期觀察；p粘性土層孔隙水壓力的觀測；粘性土層孔隙水壓力的觀測； 土層性質(zhì)的測試；土層性質(zhì)的測試；p各土層實際沉降量的監(jiān)測及土性參各土層實際沉降量的監(jiān)測及土性參數(shù)的反算。數(shù)的反算。其中前三項工作屬常其中前三項工作屬常規(guī)性質(zhì)，用一般通用規(guī)性質(zhì)，用一般通用的方法進行。的方法進行。8.4 8.4 地面沉降的研究、預(yù)測及防治地面沉降的研究、預(yù)測及防治p 為研究抽、灌水作用下，土層不同深為研究抽、灌水作用下，土層不同深度處孔隙水壓力的消關(guān)數(shù)據(jù)，應(yīng)有計劃度處孔隙水壓力的消關(guān)數(shù)據(jù)，應(yīng)有計劃地開展現(xiàn)場孔陽水壓力觀測工作。，除地開展現(xiàn)場孔陽水壓力觀測工作。，除常規(guī)上工試驗外，還需進行以下一些專常規(guī)上工試驗外，還需進行以下一些專門性質(zhì)的試驗研究工作：門性質(zhì)的試驗研究工作： 為此，需在不同地區(qū)酌粘性土層內(nèi)埋為此，需在不同地區(qū)酌粘性土層內(nèi)埋沒孔隙水壓力觀測孔，隙水壓力的觀測沒孔隙水壓力觀測孔，隙水壓力的觀測在夏軍用水期一般每在夏軍用水期一般每5 5天一次，其他季天一次，其他季節(jié)每節(jié)每1010天一次。天一次。