沿海地区地面沉降的地质分析.docx

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1、沿海地区地面沉降的地质分析摘 要：沿海地区是我们国家经济社会进展的重要区域，但地势低平，生态环境极其敏感和脆 弱，相对海平面提升，已成为21世纪我们国家沿海地区实现可持续进展面临的重大环境问题。随着世界经济的进展、人口的膨胀以及城市化进程的加快，环境对人类的生产生活的制约性也 日益加强。发生在软粘土层上的地面沉降成为世界性关注的重大环境问题之一。软粘土地层的 地面沉降包括自然沉降和人为沉降两方面。本文结合地质因素对发生在软粘土层上的地面沉降 问题进行了分析。关键词：沿海地区；沉降：蒙脱石：高岭石；软粘土：作者简介：，男，工学学士，。Geological analysis of land sub

2、sidence in coastalareasCivil Engineering Department of Qingdao Institute of civil engineering of a class of Qingdao city Shandong Province ChinaAbstract: the coastal region of Chinas economic and social development of the important region, but was low. the ecological environment is extremely sensiti

3、ve and fragile, relative sea level rise, has become the twenty-first Century Chinas coastal regions to realize sustainable development are major environmental problems. With the development of the world economy, the expansion of the population and the city changes a course accelerate, environment on

4、 human life and production constraints is also increasing.Occurs in the soft clay ground settlement on become a worldwide concern about one of the major environmental problems.Soft clay ground sctllemcnt including natural scdimcnlation and human sclilcmenl in Iwo aspects.In this paper, combined with

5、 geological lactors on occurrence in the soil clay ground settlement are analyzed.Key words: coastal area; settlement; montinorilloniie; kaolinite; soft clay;1引言我们国家沿海地区的地面沉降多发生 在疏松的欠固结可压缩性厚层粘性土层或 地下水开采层范围内正常固结层，它们般 是多层含水层体系或水量丰富的承压含水 层。人工过度的开采地下流体叠加新构造沉 降是沿海地区地面沉降的主要影响因素，其 中过度开采地下水产生的沉降量最为显著， 随着我们国

6、家沿海经济建设的蓬勃进展，建 筑施工造成的局部地面沉降也不容忽视。从广义上讲地面沉降定义为由于地下 物质调整而引起的地球表面下陷变形。在地 质历史演化上，地球表面在不同时期都发生 过沉降和提升运动。而人类活动影响导致的 沉降则主要体现为地下水的抽汲、油气的开 采、盐、硫和煤的采掘。事实上，我们所关 注的沉降往往是自然沉降和人为沉降的综 合体现。多年来，国内外针对发生在软粘土 地层上的沉降问题，由于触发角度不同， 其被地质学家和土力学者从地质一沉积与 工程学界从两个不同的方面进行了阐述，并 取得了一系列成果，前者强调地质因素，后 者以人为沉降争辩为主。本文将试图从地质 学的角度研讨软粘土沉积地层

7、的固结沉降 问题。2沉降的地质因素2. 1新构造运动我们国家东部沿海地带地处西太平洋 构造带西缘，第四纪以来的新构造运动和数 百年来的现今构造活动特别剧烈。华北平 原、苏北平原和长江三角洲地区属于地壳持 续下降区，构造沉降增大了地面沉降值。黄立人（1989）等在分析了大量的验潮 资料后认为，从1910 - 1953年北炮台（位 于塘沽北侧）验潮站反映了大沽原点趋势性 下沉速率为5. 6mm/ao同时 依据1931年天 津市区内某水准标志计算市区下沉速率为 4mm/a。这些数据反映了天津大量开采地下 水之前的状况.有的地质学家认为天津市构 造沉降速率约为2-4mm/a,而该市控沉办测 量人员通过

8、水准测量认为，30a来天津市地 壳以l-3mm/a的速率在稳定地沉降。剧烈的 地震活动会造成地堑盆地的继承性下沉。 1976年唐山大地震波及天津及其沿海地区， 由于地震对软土的动力作用，建筑物般都 产生15-20cm的附加沉降，少数达30-40cm, 并在汉沽形成一个下沉中心，宏观调查部分 地段下沉量超过1.5m,这其中包含了地基 土液化等水文因素，水准测量结果表明最大 沉降量也达数百亳米。本A. Kagawa等争 辩表明，1995神户地震引起砂土液化导致 人工岛地面严峻沉降，同时很多码头断裂， 甚至滑入海中，最大沉降达4. 7%2. 2软土自然沉降沿海地区大多沉积有巨厚的第四纪松 散沉积物，

9、如天津塘沽新港区地基土系第四 纪全新世滨海沉积，地面下2-4ni多为吹填 土和杂填土，地面下10m左右的土层基本上 是淤泥质的，含水量多在50%左右，孔隙比 达1.3-1.6,承载力低，压缩性高，渗透性 很低。这些沉积物含水量高，粘粒含量高， 固结程度差，大多未固结，在达到完全固结 之前，必定会自然沉降。据全新世海相地层 的“C测年资料和1930-1953年历史水准点 资料，天津市由于新构造活动和地层压缩作 用产生的自然沉降量每年有3nlm左右。2. 3海平面提升气候变暖导致的全球海平面提升使沿 海地区沉降问题更加突出，中国沿海地区大 都面临着海平面提升问题。据统计，20世 纪60年月以前上海

10、吴淞口海平面提升速率 为0.9mm/a； 20世纪60年月以后，由于全 球变暖等缘由，海平面提升速率为2nlm/a。 任美铐经过争辩给出天津地区、上海地区、 珠江三角洲和现代黄河三角洲（东营过去 30a相对海平面提升值和今后的40a最可能 的相对海平面提升值。海平面提升值叠加在地面沉降值上带 来的诸多灾难性后果是不容忽视的。在这个 方面尤以天津地区最为显著。天津沿海下降 区从全新世以来始终处于下沉阶段，下沉速 率为随着地下水开采量的增加，沉 降速率也趋于加快。同时，渤海湾地区近几 十年来海平面处于持续提升阶段，年肯定提 升量加上地壳升降影响，年提升量 在1.5-8mm之间。海平面提升和局部地面

11、下 沉的复合作用虽短期内量不大，然而因其持 续作用的周期较长，从长远来看，对天津地 区的影响很大，应引起极大的关注。3沉降的人为因素地下流体的过度开采地下流体的过度开采往往会引起地表 塌陷、地面沉降，并将对建筑物产生不良的 影响。长期过度抽取地下流体如地下淡水、 石油、自然 气等是我们国家沿海地区产生 地面沉降的主要因素。对地下水（或石油与 自然 气）开采时，伴随着地下水从沉积含 水层组中，在厚层的半固结淤泥、粘土层（弱 含水层）组中排出，含水层的孔隙体积和总 体蓄水力量大幅度削减，并且不能完全恢 夏，最终表现为地面沉降。这类缘由有两种 机理：一是有效应力原理，另一个是水动力 固结理论。这两个

12、原理将含水层的压实分 为两个过程，前者解释了含水层在抽水过程 中的压实引发的地面沉降，后者解释了抽水 以后残余压实引发的地面沉降。引发地面沉降的地下流体以地下水的 开采尤为显著。地下水不断被抽汲，导致地 下水位下降，导致区域性的地面沉降。地下 流体的开采引起液压下降使地层压密是导 致地面沉降普遍的、主要的缘由。国内有些 地区由于大量抽汲地下水，已先后消失了严 峻的地面沉降。滨海地区分布有厚层松散或 未固结的含水量可达60%以上的第四系或上 第三系沉积物，孔隙比大、强度低、压缩性 强、易于发生塑性流变。当大量抽取地下水 时，含水层中地下水压力降低，淤泥质粘土 隔水层孔隙中的弱结合水压力差加大，使

13、孔 隙水流人含水层有效压力加大，结果发生粘 性土层的压缩变形。此外，地下水水位的下 降导致下水动力条件发生转变，会消失地表 塌陷。3. 2工程建设沉降城市建设施工造成的地面沉降主要是 以高层建筑基础工程为代表，而沉降效应较 为明显的工程措施有开挖、降排水、盾构掘 进、沉桩等。当揭露有流沙性质的饱水砂层 或具有流变特性的饱和淤泥质软土，在开挖 深度和面积较大的基坑时，则有可能造成支 护结构失稳，从而导致基坑周边地区面积沉 降。在实行地下水综合掌握措施后，因地卜 水开采引起的地面沉降已得到有效掌握，但 高层建筑群、城市地下工程、基坑工程抽水 引起的浅部软土工程性沉降在地面沉降中 所占的比重越来越大

14、，已达到了难以忽视的 地步。对软基沉降、基坑工程抽水沉降已有 大量的争辩，但对于建筑群产生的工程效应 沉降并未赐予足够关注，导致越来越多的建 筑物沉降塌陷事故不断发生。上海市20世 纪60年月以前的地面沉降主要由于过渡开 采地下水造成的，60年月以后实行地下水 回灌与调整开采层等措施，使地面沉降基本 得到掌握，呈现微沉的状态；进入90年月， 上海地面又明显消失加速沉降现象，中心城 区年均沉降量是前一时期的4倍多。依据有 关监测资料，由高层建筑群引起的地面沉降 效应明显，如上海陆家嘴地区三座始建于 1993 - 1994 年，1996 - 2000 年投入使用 的高层建筑物历时的监测表明建筑物荷

15、载 对四周地面的沉降量有很大的影响。4软粘土微结构特性对沉降的影响3.1 蒙脱粘土失水收缩特性在软粘土中粘土矿物的特性对其物理 力学性质有着举足轻重的影响。粘土矿物是 一种符合铝-硅酸盐晶体，颗粒成片状，是 硅片和铝片构成的晶包所组叠而成。粘土矿 物依硅片和铝片的组叠形式的不同，可以分 成高岭石、伊利石和蒙脱石三种类型。高岭 石是一种遇水较为稳定的粘土矿物，其主要 特征是颗粒较粗，不简单吸水膨胀、失水收 缩，或者说亲水力量差。蒙脱石具有显著的 吸水膨胀、失水收缩的特性。伊利石特征也 介于高岭石和蒙脱石之间。在粘土的正常固结过程中，其自身在缓 慢匀称收缩过程中变得更为致密，并减小其 变形性。但是

16、在地面超载和人为抽取地下水 的作用下，这种失水收缩现象会更为显著。 粘土的收缩曾引起很多争辩者的重视，但它 至今仍是一个争辩的不很充分的问题。关于 粘性土收缩的实质，矿物成分和起始含水量 密度的作用等问题仍存在争辩。由于相比于 高岭粘土，蒙脱粘土的失水收缩特性对地面 沉降的影响显著，对其进行争辩也特别有必 要。关于含水蒙脱粘土不同压力下的含水 量的变化导致的压缩量的计算已经有了一 些定量争辩，但仍处于起始阶段。第三系、 第四系松散层主要为砂土、粉上、粉质粘土、 粘土及亚粘土，各地厚度分布不一，蒙脱石 矿物在在其中广泛分布，而地面沉降大都发 生于第三系、第四系所处的近地表条件，由 于地面超载和过

17、度开采地下水，地层有效应 力增加，蒙脱石层间水可能发生脱水作用并 转变地层的孔隙度和渗透性。事实上，第三 系、第四系大都为未充分固结或欠固结地 层，因此蒙脱分层间水类型的结构稳定性对 这类地层的压缩特性起着重要的作用。蒙脱 石层间水的释出造成土体体积的变小，进而 造成整个地层压密而产生地面沉降，由于粘 土脱水作用引起地层压密效应所产生的沉 降量为需纳入到地面沉降最的计算范围之 内，否则计算模型所得出的地面沉降量总是 小于实际观测值。4. 2软粘土变形的微观机制软粘土的变形从微观机制上来说，是粘 土颗粒骨架的变形和粘土颗粒四周结合水 丢失而导致的以孔隙变化为主的微结构变 形破坏现象，主要包括粘土

18、颗粒的脆性破 坏，颗粒间的相对位移，颗粒的不行恢复变 形，胶结度的破坏等。软粘土的变形分为骨架变形和结构变 形两种。骨架变形指因粘土颗粒本身及附 着于其四周强结合水和部分弱结合水构成 的骨架体的变形而导致软上微结构的整体 变形，即骨架体的空间尺度的变化，结构变 形指骨架体位置之间的相对变化导致的整 体变形，即孔隙结构的变化。4. 3孔隙水含盐量对粘土压缩变形的影响不同沉积环境的粘土固结压密特性是 不同的，其差异主要是沉积过程粘土中化学 矿物变化造成的，同时也附带着部分物理变 化。在相同压缩应力条件下，压缩速率随着 孔隙水含盐的增大而增大。这是由粘土矿物 的排列方式所致。含盐量越大，粘土的絮凝

19、程度越大，其结构性越强，对固结的阻力程 度也越大，在较小的压缩应力下，其更易于 趋向稳定；相反，含盐量越低，粘土孔隙度 越大，粘土的絮凝程度越低，在相同的压缩 应力下，随着孔隙度的降低，残余孔隙水的 含盐量增大，粘土矿物的结构强度也越大， 对固结压缩的阻力也渐渐增加。需要说明的 是，孔隙水的含盐量对孔隙比的最终值没有 影响，含盐量越低，软粘土的压缩量越大。 在压缩应力较大以致破坏了粘土的絮凝聚 构时，在空隙比-压应力曲线上表现为压应 力的突然降低。5争辩从广义上讲，地面沉降包括两个尺度， 即时间尺度和空间尺度。从时间尺度上讲， 地面沉降现象是沉积地层演化过程中的必 定过程，其包括三个阶段，即：

20、(1)机械压 实变形阶段，主要表现为孔隙水的流出和粘 土颗粒的重新排列和脱水作用；机械变 形-重结晶作用阶段，体积的减小由颗粒的 机械变形和粘土颗粒的重结晶作用引起；(3) 重结晶阶段，其主要粘土颗粒在高压下的重 结晶作用。从空间尺度上讲,地面沉降是构 造下沉、沉积物压缩、海平面提升等因素的 综合反映，通常是区域性和掌握性的，其中 沉积物的压缩又包括自然压缩和人为影响 两种作用工程地质和岩土工程界所关注的 为狭义的地面沉降问题，即广义沉降时间尺 度.上第阶段的前期；在空间尺度.上是局部 的，且以人为影响为重点的部分。参考文献：1侯艳声，应玉飞。中国沿海地区可持续进展战略与地面沉降系统防治J。中

21、国地质灾难与防治学报，2000, 11 (2)：30-33o2刘杜娟。中国沿海地区地面沉降问题思索J。中国地质灾难与防治学报，2004,15 (4) ： 87-90o3刘传正。环境工程地质学导论M。北 京：地质出版社,1995： 35-80 o4孙更生，郑大同。软土地基与地下工程 M。北京：中国建筑工业出版社，1984。5地面沉降-第六届地面沉降国际争辩会 论文集国。北京：地质出版社,2001 o6 Hernan H. Rieke, George V. Chlingcirian 著(徐怀达，译)沉积构造与环境解释 Mo北京：地质出版社，1984。7王建秀，严学新，唐益群，等。高等建 筑群对地面

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