地面沉降原因（地面沉降的原因及解决措施）
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地面沉降的影响因素
(一)自然因素
主要是地壳升降运动、地震、火山活动、冰期冰川增加荷载等。
1.地震
地震时，砂土液化导致地面沉降。如果饱水砂土较细，则整个砂体渗透性不良，瞬时振动变形必然使砂体孔隙水压力上升，致使砂粒间有效正应力随之降低;当孔隙水压上升到使砂粒间有效正应力为零时，砂粒在水中完全处于悬浮状态，砂体丧失了强度和承载力，这就是砂土液化。这种砂水悬浮液在上覆土层作用下可能沿土层薄弱部位喷到地表，产生喷水冒砂现象，从而造成地面不均匀沉降。1964年阿拉斯加地震时，砂土液化和诱发滑坡是使安克雷奇大部分地区遭受毁坏的主要原因。同年，地震引发的砂土液化和不均匀地面沉降使日本新澙的楼房下沉和毁坏。许多建筑物本身并没有发生结构上的破坏，只是向一旁产生倾覆;后来，楼房里的居民还被允许用小推车沿墙上去通过窗户取出他们的财产。
地震破坏地下洞室的应力平衡，引发地下洞室上方地面产生沉降。地下洞室包括人类采矿形成的地下洞穴和开挖隧道、窑洞以及天然洞穴(岩溶洞穴、熔岩洞穴、假喀斯特洞穴等)。
2.新构造运动
新构造运动引发的地面沉降范围广、面积大，属于区域性沉降，表现在大陆裂谷区(宽通常30～75km，个别达数百千米;长数十至数千千米)、下降平原、盆地等区域。如东非裂谷(东支长5800km，西支长约1700km)、贝加尔裂谷等，下降速度快，约旦河的加利利地区沉降速度为60～100mm/a;沉降幅度也很大，南贝加尔盆地沉降幅度达7000～10000m。
西安地面沉降区位于西安断陷区的东缘，由于长期下沉，新生界累计厚度已经超过3000m。1970～1987年，渭河盆地大地水准测量表明，西安的断陷活动仍在继续，在北部边界渭河断裂及东南部边界临潼-长安断裂测得的平均活动速率分别为3.37mm/a和3.98mm/a，构造下沉约占同期各沉降中心部位沉降速率的3.1%～7%。
3.火山活动
火山喷发后，岩浆房内产生负压，多数情况下会引起地面沉降(若岩浆补给极为迅速，地壳有时反而会升高)，最大幅度可达100m。
历史上最大的火山爆发当数1815年4月5日印度尼西亚的坦博拉火山的突然爆发，千里之外的人们都能听到惊天动地的巨响，火山上部失去了30km3(＞200×108t)的山体，形成一个直径6000多米、深700m的巨大火山口，陆地大面积沉陷，坦博拉镇沉到了6m深的海底，造成近10万人丧生，财产损失无法计算。由于一场大的火山爆发造成的毁灭性灾难，古姆大陆连同其上的人民一起沉入海底，只留下了复活节岛和它的文明。由此可见，火山活动引起的地面沉降速度、幅度、规模都是十分惊人的。
此外，冰期时由于大陆冰盖的荷载会使地面产生沉降，北美哈得逊湾就是第四纪冰期时由于冰川载荷形成的。
(二)人为因素
人为因素主要是开采地下水和油气资源、地下采矿掏空、修隧道、挖窑洞以及局部性增加荷载等。人为因素引起的地面沉降范围较小，但速率和幅度比较大，故将之归属于地质灾害现象进行研究和防治。
1.过量开采地下水和油气资源
过量开采地下水、石油和天然气、卤水只是地面沉降的外部原因，中等、高压缩性粘土层和承压含水层的存在才是地面沉降的内因。
地面沉降与地下水开采量及其动态变化有着密切联系:
1)地面沉降中心与地下水开采漏斗中心区呈明显一致性。
2)地面沉降区与地下水集中开采区域大体相吻合。
3)地面沉降量等值线展布方向与地下水开采漏斗等值线展布方向基本一致，地面沉降的速率与地下液体的开采量和开采速率有良好的对应关系。
4)地面沉降量及各单层的压密量与承压水位的变化密切相关。
5)许多地区已经通过人工回灌或限制地下水的开采来恢复和抬高地下水位的办法，控制了地面沉降的发展，有些地区还使地面有所回升。这就更进一步证实了地面沉降与开采地下液体引起水位或液压下降之间的成因联系。
2.城市建设对地面沉降的影响
相对于抽采地下流体和构造运动引起的地面下沉，城市建设造成的地面沉降是局部的，有时也是不可逆转的。城市建设造成的地面沉降分两个方面，一是城市建设施工引起的地面沉降，二是建筑物增加荷载造成的地面沉降。
(1)城市建设施工引起的地面沉降
城市建设按施工对地基的影响方式分为两种:①以水平方向为主的影响方式，以重大市政工程为代表，如地铁、隧道、给排水工程、道路改扩建等，利用开挖或盾构掘进，并铺设各种市政管线，如2003年7月上海地铁施工造成了严重的地面沉降(图62)，复旦大学学生中心大楼倾斜，在南北楼之间的连接天桥上出现了3个指头宽的裂缝(图63);②以垂直方向为主的影响方式，以高层建筑基础工程为代表，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，如长宁馥邦12楼因挖掘地下车库导致地面沉降10cm，造成楼体和地表开裂(图64)。
图6-2 上海地铁工地地面沉降
图6-3 道路施工致复旦大学学生中心大楼倾斜
图6-4 长宁馥邦12楼因挖掘地下车库导致地面沉降与地表开裂
施工若揭露有流砂性质的饱水砂层或具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地面沉降。规模较大的隧道、涵洞的开挖有时具有更显著的沉降效应。降排水常作为基坑等开挖工程的配套工程措施，旨在预先疏干作业面渗水，其机理与抽取地下水引发的地面沉降一致。
城建施工造成的沉降与工程施工进度密切相关，沉降主要集中于浅部工程活动相对频繁和集中的地层中，与开采地下水引起的沉降主要发生在深部含水砂层有根本区别。
(2)建筑物增加荷载引起地面沉降
最为突出的是上海。上海有3000多幢18层以上的高楼，另有3000幢正在兴建或计划中。地表不堪负荷，地面沉降现象日益严重，平均每年下沉1.5cm，最严重的是浦东区某年平均下沉3cm，已经影响到地铁和高层建筑结构的稳定。
地壳升降活动、松散沉积物的自然固结、人类开采地下水或油气资源，都会引起地面沉降。从灾害研究角度而言，地面沉降主要是指人类活动引起的或者是以人类活动为主、自然动力为辅而引起的。地面沉降的形成条件，一是地质条件(具有较高压缩性的厚层松散沉积物);二是动力条件(如长期过量开采地下水和地下油气资源等)。
经过多年的研究，影响上海地面沉降的因素归纳为:海平面上升、新构造运动、静荷载、动荷载、开采天然气、开采地下水、地下取土、深井出砂、人工填土和黄浦江疏浚等十大因素。过量开采地下水是引起地面沉降的主要外在因素，可压缩饱和粘性土层的存在是引起地面沉降的内在因素(周益群等，2007)。
地面沉降原因 地面下沉的原因是什么
1、原因有两种，一种是地质原因，另一种是人为原因造成的。
2、地面沉降的地质原因。从地质因素看，自然界发生的地面沉降大致有下列三种原因：地表松散地层或半松散地层等在重力作用下，在松散层变成致密的、坚硬或半坚硬岩层时，地面会因地层厚度的变小而发生度沉降。因地质构造作用导致地面凹陷而发生沉降。地震导致地面沉降。
3、地面沉降的知人为原因：地面沉降现象与人类活动密切相关。现在们研究地面沉降的原因时，不难发现，人为因素已大大超过了自然因素。尤其道是近几十年来，人类过度开采石油、天然气、固体矿产、地下水等地下资源，使贮存这些固体、液体和气体的沉积层的孔隙压力发生趋内势性的降低，有效应力增大，从而导致地层的压密。直接导致了今天全球范围内的地面沉降。
4、人为的地面沉降广泛见于一些大量开采地下水的大城市和石油或天然气开采区。地面沉降主要由抽水作用形成，但又与软土层的厚度、容地壳下沉，以及高层建筑等因素密切相关。
地面沉降的成因机制和形成条件
地面沉降成因主要包括新构造运动、开发利用地下流体资源、开采地下固体矿产、岩溶塌陷、冻土融化和工程建设等因素。其成因机制和形成条件如下：
（1）地面沉降的成因机制
由于地面沉降的影响巨大，因此早就引起了各国政府和研究人员的密切注意。早期研究者曾提出一些不同的观点，如新构造运动说、地层收缩说和自然压缩说、地面动静荷载说、区域性海平面上升说等。大量的研究证明，过量开采地下水是地面沉降的外部原因，中等、高压缩性黏土层和承压含水层的存在则是地面沉降的内因。因而多数人认为沉降是由于过量开采地下水、石油和天然气、卤水以及高大建筑物的超量荷载等引起的。
在孔隙水承压含水层中，抽取地下水所引起的承压水位的降低，必然要使含水层本身及其上、下相对隔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（pw），它不能引起土层的压密，故又称为中性压力；而由土颗粒骨架承担的部分能够直接造成上层的压密，故称为有效应力（ps）；二者之和等于总应力。假定抽水过程中土层内部应力不变，那么孔隙水压力的减小必然导致十中有效应力等量增大，结果就会引起孔隙体积减小，从而使土层压缩。
由于透水性能的显著差异，上述孔隙水压力减小、有效应力增大的过程，在砂层和粘土层中是截然不同的。在砂层中，随着承压水头降低和多余水分的排出，有效应力迅速增至与承压水位降低后相平衡的程度，所以砂法压密是“瞬时”完成的。在黏性土层中，压密过程进行得十分缓慢，往往需要几个月、几年甚至几十年的时间；因而直到应力转变过程最终完成之前，黏土层中始终存在有超孔隙水压力（或称剩余孔隙水压力）。它是衡量该土层在现存应力条件下最终固结压密程度的重要指标。
相对而言，在较低应力下砂层的压缩性小且主要是弹性、可逆的，而黏土层的压缩性则大得多且主要是非弹性的永久变形。因此，在较低的有效应力增长条件下，黏性土层的压密在地面沉降中起主要作用，而在水位回升过程中，砂层的膨胀回弹则具有决定意义。
此外，土层的压缩量还与土层的预固结应力（即先期固结应力）、土层的应力—应变性状有关。由于抽取地下水量不等而表现出来的地下水位变化类型和特点也对土层压缩产生一定的影响。
（2）地面沉降的产生条件
从地质条件，尤其是水文地质条件来看，疏松的多层含水层体系、水量丰富的承压含水层、开采层影响范围内正常固结或欠固结的可压缩厚层黏土层等的存在，都有助于地面沉降的形成。从土层内的应力转变条件来看，承压水位大幅度波动式的持续降低是造成范围不断扩大累进性应力转变的必要前提。具体体观在以下五个方面：
① 厚层松散细粒土层的存在
地面沉降主要是抽采地下流体引起土层压缩而引起的，厚层松散细粒土层的存在则构成了地面沉降的物质基础。在广大的平原、山前倾斜平原、山间河谷盆地、滨海地区及河口三角洲等地区分布有很厚的第四系和新近系松散或未固结的沉积物，因此，地面沉降多发生于这些地区。如在滨海三角洲平原，第四纪地层中含有比较厚的淤泥质黏土，呈软塑状态或流动状态。这些淤泥质黏性土的含水量可高达60%以上，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，淤泥质黏土隔水层孔隙中的弱结合水压力差加大，使孔隙水流入含水层有效压力加大，结果发生黏性十层的压缩变形。
易于发生地面沉降的地质结构为砂层、粘土层互层的松散土层结构。随着抽取地下水，承压水位降低，含水层本身及其上、下相对隔水层中孔隙水压力减小，地层压缩导致池面发生沉降。
② 长期过量开采地下流体
未抽取地下水时，黏性土隔水层或弱隔水层中的水压力与含水层中的水压力处干平衡状态。抽水过程中，由于含水层的水头降低，上、下隔水层中的孔隙水压力较高，因而向含水层排出部分孔隙水结果使上、下隔水层的水压力降低。在上覆土体压力不变的情况下，黏土层的有效应力加大，地层受到压缩，孔隙体积减小。这就是黏土层的压缩过程。
由于抽取地下水，在井孔周围形成水位下降漏斗，承压含水层的水压力下降，即支撑上覆岩层的孔隙水压力减小，这部分压力转移到含水层的颗粒上。因此，含水层因有效应力加大而受压缩，孔隙体积减小，排出部分孔隙水。这就是含水层压缩的机理。
地面沉降与地下水开采量和动态变化有着密切联系：地面沉降中心与地下水开采漏斗中心区呈明显一致性；地面沉降区与地下水集中开采区域大体相吻合；地面沉降量等值线展布方向与地下水开采漏斗等值线展布方向基本一致，地面沉降的速率与地下液体的开采量和开采速率有良好的对应关系；地面沉降量及各单层的压密量与承压水位的变化密切相关；许多地区已经通过人工回灌或限制地下水的开采来恢复和抬高地下水位的办法，控制了地面沉降的发展，有些地区还使地面有所回升。这就更进一步证实了地面沉降与开采地下液体引起水位或液体沉降之间的成因联系。
③ 新构造运动的影响
平原、河谷盆地等低洼地貌单元多是新构造运动的下降区，因此，由新构造运动引起的区域性下沉对地面沉降的持续发展也具有一定的影响。
西安地面沉降区位于西安断陷区的东缘，由于长期下沉，新生界累计厚度已经超过3000m。1970～1987年，渭河盆地大地水准测量表明，西安的断陷活动仍在继续，在北部边界渭河断裂及东有部边界临渝-长安断裂测得的平均活动速率分别为3.37mm/a和3.98mm/a，构造下沉约占同期沉降速率的3.1%～7%。
④ 城市建设对地面沉降的影响
相对于抽采地下流体和构造运动引起的地面下沉，城市建设造成的地面沉降是局部的，有时也是不可逆转的。
城市建设按施工对地基的影响方式可分为以水平方向为主和以垂直方向为主的两种类型。前者以重大市政工程为代表，如地铁、隧道、给排水工程、道路改扩建等，利用开挖或盾构掘进，并铺设各种市政管线。后者以高层建筑基础工程为代表，如基坑开挖、降排水、沉桩等。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。
若揭露有流砂性质的饱水砂层或具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地面沉降。而规模较大的隧道、涵洞的开挖有时具有更显著的沉降效应。降排水常作为基坑等开挖工程的配套工程措施，旨在预先疏干作业面渗水，其机理与抽取地下水引发地面沉降一致。
城建施工造成的沉降与工程施工进度密切相关，沉降主要集中于浅部工程活动相对频繁和集中的地层中，与开采地下水引起的沉降主要发生在深部含水砂层有根本区别。
总言之，地壳沉降活动、松散沉积物的自然固结、人类开采地下水或油气资源引起的土层压缩等因素都会引起地面沉降，但从灾害研究角度而言的地面沉降是指人类活动引起的地面沉降，或者是以人类活动为主、自然动力为辅而引起的地面沉降。地面沉降的形成条件主要包括两个方面：一是具有地面沉降的地质条件，即具有较高压缩性的厚层松散沉积物；二是具备地面沉降的动力条件，如人类长期过量开采地下水和地下沼气资源等。
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