最新地面沉降和地裂缝的评估与防治王兰生精品课件.ppt

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1、 5.1.1 地面沉降与地裂缝及其危害 地面沉降与地裂缝作为地质灾害的一种灾种区别于崩塌滑坡，它是地面岩土体在自重应力场（或构造应力场的参与）条件下垂向变形破坏及向深部架空或潜在空间方向的运动。美国地质调查局（USGS）1999年出版的美国地面沉降研究报告中将地面沉降按引发的原因分为地下水开采型（Mining Ground Water-Introduction ）;土壤疏干型（Drainage of Organic Soils-Introduction）；和洞穴塌陷型（Collapsing Cavities-Introduction）三种类型。按成因机制地下水开采与土壤疏干属于同一类型，两者的

2、区别前者是将地下水作为水资源开采，后者则是为了开垦湿地采取排水疏干，但两者均因下伏土层中地下水位的降落，有效应力的降低造成固结压密而引起地面沉降。这类地面沉降多为区域性的，在一定条件下随沉降伴生地裂缝。洞穴塌陷包括岩溶塌陷和地下采掘洞穴塌陷，塌陷的范围局限于洞穴和地下洞室的影响带。 （1）区域性地面沉降（2）岩溶塌陷地面沉降（3）地下采空区塌陷地面沉降 (2)人为因素原因 人类工程及经济活动的能力和强度与日俱增，其对地面沉降的影响通常已占主导地位，这类地面沉降现象，目前已成为重点。 影响地面沉降的人为因素包括：抽取地下气、液体，大面积地面堆载，固体矿产开采和诱发性岩溶塌陷等。 1)抽取地下气、

3、液体的影响 因各种目的而进行的浅层疏干排水和抽取深层的气、液体，使地层内的气、液压降低，土粒间有效应力增加，地层压密，形成区域性碟形洼地。这种因抽取地下水而形成的地面沉降，是地面沉降现象中发育最普遍，危害性最严重的一类。 2)大面积地面堆载的影响 分布有巨厚的高压性淤泥和淤泥质土的低洼地区，随经济建设的开发，需在洼地上大面积堆填。其软土 在堆载(填土)荷重的作用下，产生一维压缩固结，可形成地区性的地面沉降。此类沉降，受场地软土的工程特性，层厚和堆载大小的控制，是构成滨海平原城市总地面沉降的一个组成部分，不可忽视。如天津市占地40km2的塘沽开发区及保税区，在盐池和滩涂上堆填l2m厚填土，因堆载

4、荷重的影响，地面沉降量可达十余厘米。8.2.3 地下水开采型地面沉降的形成机制 地下水经过抽水后会使地层压密，是由于含水层水位下降引起土层中孔隙水压力降低，颗粒间有效应力增加的缘故。因此，有效应力原理是抽水引起土层压密的基本原理。见图8.1。抽水前水位抽水后水位有效应力总压力抽水后有效应力图6.5.2.1 抽水后土中有效应力的增加pufuuW 图中p为土层的总压力，为抽水前的有效应力， 为抽水前的孔隙水压力，抽水前上述诸力处于平衡状态，即 （8.2.2.1) 抽水后随着水压下降了 ,土层中孔隙水压力随之下降，颗粒间浮托力减小，但由于抽水过程中土层的总压力基本保持不变，故此下降了 的值即转化为有

5、效应力增量。 (8.22.2) 在大多数情况下，这种压密可以认为是一维的。压密的时间延滞将随土层的透水性而异。此压密过程一般仍近似采用Terzaghi的经典固结方程表示，即： （8.2.2.3）wuwupsfufu)()(fwfuuup-s220zuctu 8.2.3 地面沉降预测及估算方法 1预测地面沉降的前提条件 (1) 查明场地的工程地质，水文地质条件，划分压缩层和含水层。 (2)进行室内外测试，取得抽水压密试验，渗透试验、前期固结试验、流变试验、反复载荷试验等成果和沉降观测资料。 2，预测地面沉降量的估算方法 (1)分层总和法计算地面沉降量粘性土及粉土层按下式计算 （8.2.3.1）H

6、peaSvD01 砂层按下式计算 （8.2.3.2）式中 土层最终沉降量(mm)； 压缩或回弹系数，压缩时为 ，回弹时 ( )； eo土层原始孔隙比； 由于地下水位变化施加于土层上的平均荷载(kPa)； H计算土层的厚度(mm)； E砂层的弹性模量，压缩时为 ，回弹时为 (kPa)。总沉降量等于各土层沉降量的总和。EHpSDSvavcavsa1-kPapDcEsE总沉降量等于各土层沉降量的总和。 (2)单位变形量法计算地面沉降量 1)基本假设：土层变形量与水位升降幅度及土层厚度之间都呈线性比例关系。 2)根据：以已有的地面沉降实际观测资料（在某一水位升降幅度及已知土层厚度条件下）为根据。 3)

7、方法：一般可根据预测期前34年中的实测资料，计算土层在某一特定时段(水位上升或下降)内，含水层水头每变化lm时，其相应的变形量，称为单位变形量，可由下式计算：ssshSIDD （6.5.3.3） csshSIDD （6.5.3.4） 式中 csII 、分别为水位升、降期的单位变形量(mmm)； cshhDD、分别为某一时期内的水位升降幅度(m)； csSSDD、分别为相应于该水位变化幅度下的土层变形量(mm)。 为反映地质条件和土层厚度与 Js、Jc 参数之间的关系，将上述单位变形量除以土层 的厚度 H，称为该土层的比单位变形量按下列两式表示： HhSHIIssssDD （6.5.3.5） H

8、hSHIIccccDD （6.5.3.6） 式中 csII 、分别表示水位升、降期的比单位变形量(m1)。 在已知预测期的水位升、降幅度和土层厚度的情况下，土层预测沉降量按下式计算： HhIhISsssDD （6.5.3.7） HhIhIScccDD （6.5.3.7） 式中 csSSDD 、水位上升或下降 Ah(m)时，厚度为 H(mm)的土层预测沉降量(mm) 3地面沉降发展趋势的预测在水位升降已经稳定不变的情况下，土层变形量与时间变化关系可用下式计算： （6.5.3.8） （6.5.3.9） 式中 St预测某时刻7个月以后土层变形量(mm)； U固结度，以小数表示； t时间(月)； N时

9、间因素； Cv固结系数，压缩时为Cvc，回弹时为Cvs(mm2月)； H土层的计算厚度(mm)。 地面沉降量估算预测算例： (例1) 某城市地卞水下降速率为2ma，试问15年后，地面沉降将达多少米I举层资料及有关参数如下表6531所列。USStNNNNeeeeU-8 . 0125191812592p地层资料及有关参数 表 6.5.3.1 物理力学指标 层序 岩性 层厚（m） 层底埋深（m） )/(3mkNg e )(1-MPaa E(MPa) 备注 1 粉土 12 12 18 086 0.332 5.6 2 粉细砂 15 27 17.5 12.0 3 黏质粉土 27 54 18.6 0.73

10、0.24 7.2 4 细中砂 7 61 19 28 5 粉质黏土 18 79 18.9 0.61 0.133 12.1 6 黏质粉土 7 86 18.8 0.69 0.278 6.1 目 前 地 下水 位 为 地表下 10m 7 页岩 50 136 非含水层 (解) 按岩土工程勘察规范(GB5002194)推荐公式计算地面沉降量： 黏土层： 砂层： 总计地面沉降量 黏土12m，现地下水位地表下10m 粉细砂，15m 粉质黏土，27m。15年后水位地表下40m 细中砂，7m 粉质黏土，18m 黏质粉土，7m 页岩，50m HpeaSvD01黏EHpSD黏砂黏SSS水压力为：1tf/=10kPa=

11、0.01Mpa 第 1 层沉降量：)(57. 32)02. 021(86. 01332. 0101mmHpeSvDa 第 2 层沉降量：)(0 .250 .1215102221mmEPHSD- )(5 .2120 .1215101521222mmS- 第 3 层沉降量 )(59.30613)01. 017(73. 0124. 013)01. 017(1031mmeSva )(23.11713)13. 021(73. 0124. 013)13. 021(1032mmeSva )(66.58214)01. 030(73. 0114. 014)01. 030(1033mmeSva )(48.1066

12、66.58223.117659.303332313mmSSSS 8.2.4 地面沉降地区的勘察评价方法 1. 地面沉降勘察主要内容 (1)对已发生地面沉降的地区 1)应查明地面沉降的原因和现状； 2）对地面沉降发展趋势作出预测； 3) 提出控制和治理方案。 (2)对可能发生地面沉降的地区 1)应结合资源评价预测发生地面沉降的可能性； 2)并对可能的沉降层位做出估计； 3)对沉降量进行计算，提出预防和控制地面沉降的建议 和措施。2. 地面沉降原因的调查内容 (1)场地工程地质条件 1)场地的沉积环境和年代、地貌单元，并查明第四纪冲积、湖积和浅海相沉积的平原或盆地以及古河道、洼地、河间地块等微地貌

13、。 2)第四系松散堆积物的岩性、厚度和埋藏条件，并查明硬土层和软弱压缩层的分布。必要时还可根据地层分布，划分出不同地面沉降地段的地质结构单元。 3)测定在最大取水深度范围内的可压缩层和含水导致变形特征。当地下水位升降频繁、幅度较大时，还可模拟水位升降变化进行土的反复载荷试验，并测定土的压缩与回弹特性。 (2)地下水埋藏条件 1)第四系含水层的水文地质条件，包括含水层的岩性、渗透性、单位涌水量、矿化度等。 2)地下水埋藏深度和承压性质，含水层间或地下水与地面水间的水力联系。 3)地下水的补给、径流、排泄条件及有关参数，隔水层越流的可能性。 (3)地下水动态 1)历年地下水的开采回灌量，开采的含水

14、层、段，分析侧向补给的可能和水量及与总取水量的比例。 2)历年地下水位、水头的变化幅度和速率。 3)地下水位下降漏斗的形成和发展过程及回灌时地下水反漏斗的形成动态。 3地面沉降现状调查的要求 (1)地面沉降的长期观测： 设标：按不同的地面沉降结构单元体设置高程基标准、地面沉降和分层沉降标。高程基准标指标是设立在不受排取地下水影响的地层上，用做衡量地面沉降基准的标点。 地面沉降标指的是用于观测地面沉降的地面水准点。 分层沉降标指的是用来观测某一土层沉降幅度的标点。 2)测量：进行精密水准测量时，其方法和要求应按国家水准测量规范中工、等级水准测量的规定执行。 (2)地下水动态观测 对地下水的水位升

15、降，开采量和回灌量、化学成分、污染情况及孔隙水压力消散和增长情况观测。 (3)对已有建筑物的影响监测 调查地面沉降对建筑物的影响，包括建筑物的变形、倾斜、裂缝及发生时间和发展过程。 (4)场面沉降现状的分析 1)绘制不同时间的地面沉降等值线图，并分析地面沉降中心与地下水位漏斗的关系及地面回弹与地下水位反漏斗的关系。 2)分析地面沉降在时间、地点及地下水位开采、回灌等不同情况下的变化规律。 3)绘制以地面沉降为特征的工程地质分区图。 4地面沉降勘察阶段的划分 根据调查区有无明显的地面沉降现象，把地面沉降勘察划分为两个阶段。不同阶段的勘察工作，其目的任务、方法手段和工作内容也有所不同，见表6.5.

16、4.1 地面沉降勘察阶段划分一览表 表 6.5.4.1 勘察阶段 任务要求 主要工作内容和方法 最终目的 无 明 显 地面 沉 降 现象 区 的 地面 沉 降 勘察 初步查明调查区的有关自然地理和地质条件；评估各因素影响地面沉降的可能性，及其发展趋势 1收集资料，开展地面调查； 2布少量勘探孔，取水、土样试验； 3. 整理资料，分析研究 预测与预防地面沉降现象的发生，制定预防 措施 明 显 地 面沉 降 区 的地 区 沉 降勘察 查明调查区的有关自然地理和地质条件，掌握地面沉降的时空分布规律；查清地面沉降的主要原因，评价各因素的影响强度 1. 整理资料，分析研究 2. 布设勘探孔，取水、土样试

17、验； 3. 建基岩标，分层标和长期观测孔； 4. 地面沉降监测 制定控制沉降措施； 评价地下水可采资源； 防治地面沉降所引起的灾害 5. 勘探网的布设和技术要求 (1)沿地面沉降或地下水降落漏斗的长、短轴方向布成纵贯沉降区的“十”字形主剖面；当沉降漏斗中心不止一处时，可布成“十十”或“井”形主剖面，其余地区按网状布孔。 (2)在主剖面线上的勘探点为孔组，由水文地质孔和工程地质孔组成，其中，工程地质孔在不同沉降量或不同地质结构地段可用于设置基岩标，分层标或孔隙水压力测点；水文地质孔在抽水试验后，留作地下水长期观测孔。 (3)勘探点间距，在乎剖面线上，勘探点间距为1000m，重点地段，如水平方向上

18、地层结构变化较大或沉降量有较大差异的阶段。勘探点可适当加密；一般地区，孔距为3000m。 (4)孔深确定原则，控制孔应揭露基岩，当覆盖层较厚且下部土层强度高，沉降变形不明显时，工程地质孔可只达沉降层底板、水文地质孔可只达主要开采层的底板。 825 防止地面沉降的主要措施 1防止地面沉降措施 (1)已发生地面沉降的地区 基本措施是进行地下水资源管理及其整治方法有： 1)压缩地下水开采量，减少水位降深幅度。在地面沉降剧烈的情况下，应暂时停止开采地下水。 2)向含水层进行人工回灌，回灌时要严格控制回灌水源的水质标准，以防止地下水被污染。并要根据地面沉降规律，制定合理的采灌方案。 3)调整地下水开采层

19、次，进行合理开采，适当开采更深层的地下水。 (2)可能发生的地面沉降的地区 基本措施是预测地面沉降的可能性及其危害程度，防治方法有： 1)估算沉降量，并预测其发展趋势。 2)结合水资源评价，研究确定地下水资源的合理开采方案。在最小的地面沉降量条件下抽取最大可能的地下水开采量。 3)采取适当的建筑保护措施，如避免在沉降中心或严重沉降地区建设一级建筑物，在进行房屋道路、管道、堤坝、水井等规划设计时，预先对可能发生的地面沉降量作充分考虑。 2地面沉降危害治理措施 地面沉降危害治理措施 表6.5.51 危害类别 治理目标 治理措施 直接危害 修复被损工程 修补受损的建筑物，道路、码头、地下管线设施等

20、潮水侵袭 抵御潮水登陆 沿海建造加高加固防潮墙，在主要潮汐河人海口建筑桥闸 间接危害 洪涝灾害 提高防洪排涝能力 沿河加高堤坝，增建排水泵站，提高排水能力，整修下水管；填高干道路面等 3控制地面沉降的对策与措施 控制地面沉降，针对引起沉降的主要原因，分别采取不同的控制沉降的措施： (1)在地面沉降主要由新构造运动或海平面相对上升而引起的地区，应根据地面沉降或海面上升速率和使用年限等，采取预留标高措施。 (2)在古河道新近沉积分布区，对可发生地震液化塌陷地带，可采取挤密碎石桩，强夯或固化液化层等工程措施。 (3)在欠固结土分布和厚层软土上大面积回填堆载地区，可采用强夯、真空预压或固化软土等措施。

21、 (4)对因过量开采地下水而引起的地面沉降，则应采取控制地下水开采量，调整开采层次，开展人工回灌，开辟新的供水水源等综合措施。 8.3 地裂缝 8.3.1.概述 地裂缝是对中国一大批城镇经济建设和人民生命财产造成不同程度危害的地质灾害之一。 地裂缝成因比较复杂，有构造成因的，也有过量抽取地下水引起的，也可能由黄土潜蚀作用造成，也有混合成因的。由于地球进入一个新的地壳构造运动活跃期，大部分构造作用形成的地裂缝的活动可能会加剧。中国城镇地裂缝的形成常与地震或活动断裂等有关。据了解全国有12个省、市、区的200多个县市有4处较大的地裂缝。最严重、最典型的是西安市。在市、郊区150k范围内，形成近平行

22、、等距出现的北东东向地裂缝10条，建筑物遭受不同程度的破坏。 地面裂缝各式各样，工程上要研究的是因各种原因在地表面产生一定规模的裂缝，它具有一定的长度、宽度和深度，具有一定的力学性质和规律的几何形体特征，活动性的还具有一定的位移形变，对工程建筑有破坏作用，统称为地裂缝。 8.3.2.地裂缝的分类地裂缝按成因和对工程建筑的危害程度可以分为四类(见表6.5.6.1)：地 裂 缝 的 分 类 及 其 特 征 表 6.5.6.1 类 别 性 质 和 特 征 典 型 实 例 地 震 构造 地 裂缝 简 称 地 震 地 裂 缝 ， 是 强 烈 地 震 时 深 部 震 源 断 裂 在 地 表 的 破裂 形

23、迹 ， 其 性 质 和 分 布 特 征 受 震 源 断 裂 的 控 制 ， 其 产 状 与 发震 断 裂 基 本 一 致 ， 有 明 显 的 瞬 时 水 平 位 移 和 垂 直 位 移 ； 一 般以 张 性 或 张 扭 性 为 主 ， 也 有 压 性 和 压 扭 性 的 ； 裂 缝 呈 雁 行 多组 排 列 ， 断 续 延 伸 ； 在 剖 面 上 裂 口 上 大 下 小 ， 至 地 表 下 一 定深 度 处 尖 灭 ； 其 断 距 是 上 大 下 小 ， 它 与 随 深 度 而 积 累 断 距 的地 震 断 层 有 区 别 ， 是 震 源 波 动 场 的 产 物 。 对 城 镇 和 工 程 建

24、 筑有 极 大 的 破 坏 作 用 ， 破 坏 作 用 随 深 度 减 轻 ， 破 坏 范 围 沿 地 裂缝 带 呈 狭 长 的 条 带 状 分 布 唐 山 地 震 产 生了8km 长 的 地震 地 裂 缝 ，海 城地震产生了220km长 的 地震 地 裂 缝 构 造 地裂 缝 是 活 动 断 裂 在 地 表 或 隐 伏 在 地 表 下 一 定 深 度 处 的 活 动 形 迹 ，它 的 活 动 性 质 和 分 布 特 征 受 深 部 活 动 断 裂 的 控 制 ， 具 有 明 显的 方 位 走 向 ， 在 地 表 呈 断 续 延 伸 ； 有 大 小 不 等 的 水 平 位 移 (水平 张 裂

25、和 水 平 扭 动 )和 垂 直 位 移 ， 在 时 序 上 时 大 时 小 ， 有 强 烈活 动 的 粘 滑 时 期 ， 也 有 平 静 的 蠕 动 滑 移 时 期 ， 其 性 质 有 张 性的 也 有 扭 性 的 ， 在 剖 面 上 与 活 动 断 裂 是 贯 通 的 ， 其 断 距 上 小下 大 ， 随 深 度 逐 渐 增 大 ； 是 断 裂 活 动 的 直 接 产 物 。 对 城 镇 和工 程 建 筑 ， 农 田 水 利 有 一 定 破 坏 作 用 ， 强 烈 活 动 期 有 严 重 的破 坏 作 用 ， 破 坏 范 围 主 要 沿 地 裂 缝 带 呈 狭 长 的 条 带 状 分 布

26、。它 与 地 震 地 裂 缝 在 成 因 上 有 一 定 差 别 山 西 运 城 鸣 条岗 地 裂 缝 长 达12km ， 陕 西 的渭 南 、韩 城 、城阳 等 地 裂 缝 均长 达 数 公 里 环 境 地裂缝 或称城市环境地裂缝。成因为综合性的或复活型的，具有构造地裂缝的所有特征，但受后期因人类活动引起的城市环境工程地质的条件变化的严重影响，强化了它的活动性，加深了对城市和建筑的破坏作用。 ，而这种破坏作用是继承已有的构造地裂缝进行的。城市环境地裂缝的成因是受构造断裂控制的，其他环境工程地质条件变化因素的诱发和激化的叠加作用的综合结果。它的分布规律与产状特征严格受隐伏活动断裂的控制， 其活

27、动量(活动总量和活动速率)受断裂活动的 构造因素的影响，又受城市环境地质条件改变因素的影响，而且随着城市环境工程地质条件的不断恶化，在活动速率与形变的总量中，环境因素对城市破坏中逐渐起到了主要作用(城市环境工程地质条件的改变主要是城市由于过量开采地下水，地下水位持续大幅度下降造成的区域性地面沉降) 西安市、 大同市 和 邯 郸 市 是 中国 城 市 环 境 地裂 缝 的 主 要 代表城市 重 力 地裂缝 由于重力作用在地表产生的破裂形迹。滑坡体周边的张裂缝、矿坑塌陷周边的环形裂缝，岸边滑移的裂缝、黄土湿陷变形造成的裂缝和地震时由于重力原因产生的一切裂缝均属此类。规模较小，几何形态各异，无方向性

28、，一般为张性的， 拉张剪切的变形缝，在它的活动期有一定的破坏作用 局部分布 地裂缝除重力裂缝外，凡属构造性地裂缝都有三向变形位移，即垂直沉降(倾滑)、水平张裂、水平扭动(顺扭或反扭)。三向变形中在不同的地裂缝有不同的比值，地震裂缝以水平扭动为主，次为倾滑量，张裂量最小；构造地裂缝有的以水平位移为主，有的以倾滑为主；城市地裂缝以沉降为主，张裂次之，水平扭动量最小。地裂缝运动机制是以长期蠕滑运动为主，但也间有短期黏滑机制。地裂缝有周期性，有活动高潮期，也有活动间歇期，其活动速率有显著的差异。其中城市地裂缝由于受环境工程地质条件变化的影响；其活动性呈现有季节性周期变化，冬季活动速率大，夏季小，多呈现

29、一年一周期。 一个地区的地裂缝，不同的地裂缝有不同的活动速率，同一条地裂缝各段的活动速率有显著差别，可以分区分段进行评价。 地裂缝活动的今后发展趋势主要是两端沿走向方向扩展破裂延伸，横向破裂不明显。 8.3.3地裂缝场地勘察 (1)地裂缝场地勘察 1)勘察目的 查明拟建场地及其附近地裂缝分布：出露位置、走向、产状；地裂缝活动规律性；地裂缝成因；地裂缝与断裂构造的关系；工程评价与治理措施。 2)勘察内容 调查已有建筑物受地裂缝的影响程度、建筑物破坏现状、破坏形式；调查环境，工程地质条件，包括采空区、水库蓄水、区域性地下水位变化等；查明地裂缝分布特征，主次地裂缝的产状、组合关系，下延深度，断距、充

30、填情况等；查明隐伏地裂缝的位置和隐伏深度。 3)勘察方法与要求 a通过现场调查与探井、，探槽揭露地裂缝在平面上的分布及垂直剖面上的分布规律与发育情况。 b利用钻孔(不少于3个钻孔)确定地裂缝的倾向、倾角。 c对隐伏地裂缝，有一定断距的情况下，可布置较密集的钻孔，在有断陡处即为地裂缝位置，但此法在断距较大时才适用，断距较小时易与地层倾斜相混淆。因此在可能条件下常与探井相配合使用； d.对查明陷伏地裂缝的位置及隐伏深度，还可采用以电法为主的综合物探方法。 8.3.4地裂缝的工程评价 (1)地裂缝破坏建筑物的机理与性状 地裂缝有三向位移形变，建筑物遭受其破坏主要因素是位移量最大的形变。对地震裂缝主要

31、是水平扭动位移；对构造地裂缝可能是沿走向的水平的滑移，也可能是沿倾向的滑移；对城市地裂缝主要因素是垂直的差异沉降。例如西安地裂缝的年平均差异沉降为15.85mma，三倍于水平拉张，十二倍于水平左旋扭动，对建筑物的主要破坏力是差异沉降，其次是水平拉张，年扭动量很小，很长历史时期才能看到它的破坏形迹，水平扭动不是破坏建筑物主要应力。 地裂缝破坏建筑物有三个主要特征：建筑物上的破裂缝有很强的方向性，基本上沿着地裂缝的走向破裂；破裂变形缝连续性好，在走向方向上延伸相当长的距离；建筑物上的破裂形迹多为斜裂缝，与地下的地裂缝产状呈镜像构造关系。例如西安地裂缝是南倾南降的正断层运动，它穿过南北向墙体时，建筑

32、物上裂缝倾向北，穿过东西向墙体时，建筑物上裂缝倾向西，只有当墙体与地裂缝平行时，才会在墙体的下缘或上缘出现水平裂缝。当地裂缝穿过耕地、地坪、马路时表现为一条有一定落差的张裂缝，或呈有一定宽度陡倾斜的破碎带。根据这些特征来和黄土湿陷、不均匀沉降等的局部的重力形变裂缝相区别。 (2)地裂缝建筑安全距离的确定 除重力地裂缝外，其余地裂缝都属构造成因，或构造因素与环境工程地质条件改变的复合成因。有三向变形，变形量较大，当代建筑水平还不能有效抵抗它的变形，因此各类建筑物不能跨越其上，必须避开地裂缝一定的距离，不致受它的活动变形的影响，才能保证建筑物的安全。这个避开的距离称建筑安全距离。所以地裂缝场地的工

33、程评价与工程措施的关键是选定合理的安全距离。 地震地裂缝是地震断层的一种，建筑安全距离主要是防止地表位错的问题。 构造地裂缝可参照城市地裂缝的安全距离进行评价。 城市地裂缝的建筑安全距离在西安市已有丰富的经验，已制订出省级标准，在城市建筑与工程建筑中已执行多年，收到实际效果。 地裂缝的建筑安全距离是根据地裂缝活动影口向带宽度决定的。根据多年来的宏观调查、实地开挖揭露、精密水准监测，发现地裂缝的活动变形带是不宽的，只需要采用小的建筑安全距离，即可保证建筑物的安全。例如西安地裂缝的主变形区为7m，平均最大影响宽度为13.33m，详见表6.5.6.2。 西安地裂缝活动影响宽度调查表 表 6.5.6.

34、2 影响带（m） 调查方法 主变形区 微变形区 平均宽度（m） 最大宽度（m） 1 建筑物破裂宽度 9.73 累 计 宽 度 90%时，15 2 开挖揭露宽度 2.2 8.0 3 水准监测宽度 7.0， 其 中 上 盘5.0，下盘 2.0 10.0，其中上盘5.0，下盘 5.0 7.0， 其 中 上 盘5.0，下盘 2.0 17.0 平均 7.0 10 6.31 13.33 84 采 空 区 复习要点： 了解采空区的危害； 了解采空区地表移动规律及特征； 了解采空区地表移动和变形的预测； 掌握采空区的勘察评价原则和处理措施。8.4.1 慨述 地下矿层采空后形成的空间称为采空区，由此采空区上方覆

35、盖的岩层将失去支撑，原来的平衡条件将被破坏，致使上方岩层产生移动变形，直到破坏塌落，最后导致地表各类建筑物(包括线路、桥涵等)变形破坏，甚至倒塌，另外也会使地表大面积下沉，凹陷，破坏农村中大片农田。8.4.2 采空区分类 1老采空区：已停止开采的采空区。或开采已达充分采动(充分采动指地表移动盆地已形成平底)，盆地内的各种变形已经稳定的采空区。 2现采空区：正在开采的采空区，开采未达充分采动，即地表移动盆地呈尖底状，盆内各种变形仍在继续发展的采空区。 3未来采空区：计划开采而尚未开采矿层，预计将形成的采空区。 8.4.3 采空区上部岩层变形的垂直分带矿层采空后，顶板岩层的移动变形因岩层性质和开采

36、条件不同，变形的表现形式，分布状态和程度亦不相同，一般可将其垂直方向的变形分为3个带： 1冒落带：直接位于采空区上方的顶板岩层，在自重及上覆岩层重力作用下，移动变形很大，所受应力大大超过本身强度，使岩层断裂破碎塌落，堆积于采空区，已塌落部分称冒落带。 2，裂隙带：冒落带上部的岩层在重力作用下，移动变形较大，所受应力超过本身强度，岩层产生裂隙或断裂，但尚未塌落，而形成的裂隙带。 3弯曲带：裂隙带上部的岩层在重力作用下，变形较小，所受应力尚未超过其本身强度，未产生裂隙，仅出现连续平缓的弯曲变形，称弯曲带，此带岩层的整体性未遭破坏。 上述3个带的形成主要取决于矿层的赋存条件，开采和顶板管理方法以及岩

37、层性质等。 8.4.4.采空区地表移动规律及特征 1地表变形的特征： 地下矿层大面积采空后，上部岩层失去支撑，产生移动变形，原有平衡条件被破坏，随之产生弯曲，塌落，以致发展到使地表下沉变形。地表变形开始成凹陷盆地，此盆地称为移动盆地。如图6441所示移动盆地形状。 移动盆地的面积一般比采空区面积大，其位置和形状与岩层的倾角大小有关；矿层倾角平缓时，盆地位于采空区的正上方，形状对称于采空区；矿层倾角较大时，盆地在沿矿层走向方向仍对称于采空区，而沿倾斜方向随着倾角的增大，盆地中心愈向倾斜的方向偏移。 采空区上方岩层变形的不断扩大而向上发展，并往往波及到地表，使地表产生移动变形。地表变形一般具有下列

38、特征。水平移动中间区内边缘区外边缘区采空区图6.4.4.1 地表移动盆地 (1)连续的地表变形：变形在空间和时间上是连续发生的，开始地表形成凹地，随着采空区不断扩大，凹地不断扩展而成凹陷盆地即移动盆地，连续的地表变形常形成较规则的移动盆地。 (2)不连续的地表变形：变形在空间和时间上都不连续，地表不出现较规则的盆地，而常出现塌陷坑，台阶以及不规则的大裂缝等。 当开采深度小而开采厚度较大，或有地质构造等影响，以及急倾斜矿层开采时，都会产生不连续的地表变形。 (3)不明显的地表变形：地表变形不明显，仅有少量地面下沉或小裂缝，对地表建筑物不产生明显影响。 2地表移动盆地的分区根据地表变形值的大小和变

39、形特征， 自移动盆地中心向边缘分为3个区： (1)均匀下沉区(中间区)：即盆地中心的平底部分，当盆地尚未形成平底时，该区即不存在，区内地表下沉均匀，地面平坦，一般无明显裂缝。 (2)移动区(又称内边缘区或危险变形区)：区内地表变形不均匀，变形种类较多，对建筑物破坏作用较大，如地表出现裂缝时，又称为裂缝区。 (3)轻微变形区(外边缘区)：地表的变形值较小，一般对建筑不起损坏作用。该区与移动区的分界，一般是以建筑物的容许值来划分，其外围边界，即移动盆地的最外边界，实际上难以确定，一般是以地表下沉值10mm为标准来划分的。 3地表变形的分类 为便于对于地表进行分析研究，将地表变形分为2种移动和3种变

40、形。2种移动是： 垂直移动(下沉)和水平移动；3种变形是：倾斜、弯曲(曲率)和水平变形(伸张或压，缩)。下面取一主断面分析各类变形的情况，见图8.3，图8.4。 设A、B为主断面上未移动的两点，A、B为移动终止后的相应位置，L为A、B两点间的距离，由图8.3可知： 图6.4.4.2 移动盆地变形分析BABD ClABpApApAAB图 6 . 4 . 4 . 3 倾 斜 变 形 示 意 图A BACC ABcB lA BlBA BB CiB Ciil2 相对垂直移动： ABD （6.4.4.1） 相对水平移动： BA-D （6.4.4.2） 倾斜： LiD （6.4.4.3） 水平变形： Le

41、D （6.4.4.4） 上列式中 DD 、相对的垂直和水平移动（mm） ； i倾斜（mm/m） ； BA、A、B两点水平移动的分量（mm） ； BA、A、B两点垂直移动的分量（mm） 。 又如图8.4所示，设A、B、C为主断面上未移动前的3点， 为移动终止后的相应位置，由图得知： AB段倾斜： 中点 处的倾斜。 BC段的倾斜： 中点 处的倾斜。两处的倾斜差i，除以1、2两点间的间距 ，即得平均的倾斜变化，并以此为平均曲率，则B点的曲率 为： （6.4.4.5） ABCABBAABLi-BA、1BCCBBCLi-CB、21221-LBK)/(22121mmmLiLiiKBCABB-D- 曲率半径

42、BR可冲式（6.4.4.6）求得： iLKRBBD-2110001000 （6.4.4.6） 式中 BRB点的曲率半径（m） 。 4.影响地表变形的因素 (1)矿层因素 1)矿层埋深愈大(即开采深度愈大)，变形扩展到地表所需的时间愈长，地表变形值愈小，变形比较平缓均匀，但地表移动盆地的范围增大。 2)矿层厚度大，采空的空间大，会促使地表的变形值增大。 3)矿层倾角大时，使水平移动值增大，地表出现裂缝的可能性加大，盆地和采空区的位置更不相对应。 (2)岩性因素 1)上覆岩层强度高、分层厚度大时，地表变形所需采空面积要大，破坏过程所需时间长，厚度大的坚硬岩层，甚至长期不产生地表变形。强度低、分层薄

43、的岩层，常产生较大的地表变形，且速度快，但变形均匀，地表一般不出现裂缝。脆性岩层地表易产生裂缝。 2)厚的、塑性大的软弱岩层，覆盖于硬脆的岩层上时，后者产生破坏会被前者缓冲或掩盖，使地表变形平缓；反之，上覆软弱岩层较薄，则地表变形会很快，并出现裂缝。岩层软硬相间、且倾角较陡时，接触处常出现离层现象。 3)地表第四系堆积物愈厚，则地表变形值增大，但变形平缓均匀。 (3)地质构造因素 1)岩层节理裂隙发育，会促进变形加快，增大变形范围，扩大地表裂缝区。 2)断层会破坏地表移动的正常规律，改变移动盆地的大小和位置，断层带上的地表变形更加剧烈。 (4)地下水因素 地下水活动(特别是对抗水性弱的岩层)会

44、加快变形速度，扩大变形范围，增大地表变形值。 (5)开采条件因素 矿层开采和顶板处置的方法以及采空区的大小、形状、工作面推进速度等,均影响着地表变形值、变形速度和变形的形式。以房柱式及条带式开采和全部充填法处置顶板，地表变形影响较小。 8.4.5 采空区地表变形预测计算方法 对现采空区和未来采空区应通过计算预测地表移动和变形的特征值。 (1)对于缓倾斜(倾角小于25)矿层地表移动和变形预测，可按表8.6所列公式计算。 (2)矿层倾角近于水平或缓倾斜且开采达充分采动时，最大变形值的计算式如表6452所列。 (3)开采倾斜矿层达充分采动时，最大下沉按式(6451)计算 acosmqSoo (645

45、1) 式中 m矿层法向开采厚度(m)； 矿层倾角() (4)开采未达充分采动为非充分采动时，最大下沉按式(6452)计算： 21cosnnmqSooa (6452) 式中 n1、 n2分别为采空区沿矿层倾斜方向和走向的采动系数， n1、 n2 均小于 1.0， 如大于 1.0 时，即表明已达充分采动； HKDn11 (6453) HKDn22 (6454) 式中 D1、D2分别为沿矿层倾向和走向采空区的水平投影的长度(m)； K岩性系数，岩性由软到硬可在 0709 范围内选取。 半无限开采时地表移动和变形预测计算公式 表 6.4.5.1 项目 最大移动变形量 任一点（x）的变形 式中符号 下沉

46、 W （或S） （mm） mqSxWx0)(）或（ pderWSxWrxx-0)(max2)(）或（ 倾斜 T（或I） （mm/m） rWxTmax)( 2)(max)(rxerWxTp- 曲率K（mm/） 2maxmax52.1rWK 2)(2max)(2)(rxerxrWxKpp- 水 平 移 动U（mm） maxmaxbWU 2)(max)(rxebWxUp- 水 平 变 形 （mm/m） rWbmaxmax52.1e 2)(max)(2)(rxerxrWbxppe- 0q 下 沉系数，与矿层 倾角，开采方法和顶板管理方法有关，宜取 0.010.95 m 矿层 的开采厚度(m)； r 主

47、 要 影响半径(m) ； b 水 平 移动系数，宜取0.250.35 地表水平变形与采深的关系 表645.4 开采深度H（m） 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 （mm/m） 12.6 6.30 4.20 3.15 2.52 2.10 1.80 1.58 1.40 1.26 8.4.6 采空区的勘察工作 大面积采空区的工程地质勘察工作，主要是搜集资料，变形调查和变形的观测，必要时辅以物探、钻探工作。 1搜集资料 一般大面积采空区均做过矿山地质勘探工作，有大量资料可供搜集利用，需搜集的资料有： (1)各种地质图，借以了解地层构成、产状和构造，以及地

48、下水条件等。 (2)矿床分布图，以了解矿层的分布、层数、厚度、深度和埋藏特征。 (3)搜集采空区的位置和尺寸，开采时间、开采办法、顶板处置方法以及矿层开采的远景规划资料。 (4)收集地表变形和有关变形的观测、计算资料，如：地表最大下沉值，最大倾斜值、最小曲率半径等。 (5)已有建筑物的变形观测资料和建筑物的加固处理措施。 (6)了解采空区附近的抽水情况，以及抽水对采空区的影响情况。 2变形调查和观测 (1)调查地表和建筑物变形的特征和分布规律，如：地表塌陷坑、台阶和裂缝的分布规律、形状、宽度、深度以及它们地质构造(岩层产状、主要节理、断层)，开采边界，工作面推进方面等的关系。 (2)调查地表移

49、动盆地的特征，划分均匀下沉区，移动区和轻微变形区。 (3)变形观测按下列原则进行 1)观测线宜平行和垂直矿层走向成直线布置，其长度应超过移动盆地的范围。 2)平行矿层走向的观测线，应有一条布置在最大下沉值的位置；垂直矿层走向酌观； 测线，一般不应少于2条。 3)观测线上观测点的间距，应大致相等，并根据开采深度按表6.461确定 观测点的间距取值 表6.46.1 开采深度H（m） 观测点间距L（mm） 开采深度H（m） 观测点间距L（mm） 400 30 4)观测周期可根据地表变形速度按式(6.4.6.1)计算： SKnt2 (6.4.6.1) 式中 t观测周期(月)； n水准测量平均误差(mm

50、)； S地表变形的月下沉量(mm月)； K系数(一般为 23)。 观测周期取值 表 6462 开 采 深 度 H（m） 观测周期 开 采 深 度 H（m） 观测周期 开 采 深 度 H（m） 观测周期 600 4 个月 5)在观测地表变形的同时，应观测地表裂缝、陷坑、台阶的发展和建筑物的变形等情况。 (4)观测资料整理： 1)绘制下沉曲线，下沉等值线图，水平变形分布图等。 2)根据有关变形值划分地表变形区的范围，如：根据建筑物对地表变形的容许极限值，确定移动区的范围，根据地表下沉lOmm的下沉值，确定轻微移动区即移动盆地的范围。 3)计算盆地内有关地点的地表下沉，倾斜、曲率和移动值。 4)对正