第八章 地面沉降问题的工程地质分析国 名地 点 沉降面积
（ km2）
最大沉降速率
（ cm/a）
最大沉降量
（ m）
发生沉降的主要时间 备 注州或省市 具体地点日本东京 江东及城北工业区 290 19.5 4.23 1892－ 1968
开发地下水大阪 16.3 2.8 1925－ 1968
九州 佐 贺 县白石平原
88 20 1954－ 1965
尼崎 3.1
美国加州 圣克拉拉流域 600 21 3.90 1915－ 1967
圣华金流域 9000 46.0 8.55 1935－ 1968
洛斯贝诺斯
－开脱尔曼市
2330 40 4.88 － 1955
邱拉里华兹科 ＞ 30 3.96 1926－ 1954
长滩市威明顿油田 32 71 9 1926－ 1968 开采石油内华达州 拉斯维加斯 500 1 1935－ 1963
抽取地下水亚利桑那州 凤凰城 310 3 1952－ 1970
得克萨斯州 休斯顿－
加尔维斯顿
10000 1－ 2 1943－ 1969
路易斯安那州 巴吞鲁日 500 0.3 1934－ 1965
墨西哥 墨西哥城 7560 42 7.5 1890－ 1957
意大利 波河三角洲 800 30 ＞ 0.25 1953－ 1960 开采石油中国上海天津台湾市区及郊区台北盆地
7300
10.1
21.6
2
2.667
1.76
1.70
1921－ 1987
1959－ 1983
1963－
抽取地下水表 8－ 18.l 基本概念及研究意义
主要危害
(1).沿海地区沉降使地面低于海面，受海水侵袭；
(2)一些港口城市，由于码头、堤岸的沉降而丧失或降低了港湾设施的能力 ;
(3)桥墩下沉，桥梁净空减小，影响水上交通,
(4)在一些地面沉降强烈的地区，伴随地面垂直沉陷而发生的较大水平位移，往往会对许多地面和地下构筑物造成巨大危害 ;
(5)在地面沉降区还有一些较为常见的现象，如深井管上升、井台破坏，高摆脱空，桥墩的不均匀下沉等，这些现象虽然不致于造成大的危害，但也会给市政建设的各方面带来一定影响。
天津市地面沉降西安市地面沉降
8.2 地面沉降的形成机制
8.2.1 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，土中由复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可志着固结进展程度的应力转换线逐渐地向最终边界线坝推进 [如图 8— 5(b)]，而达到 AB线 (与降低后的承压水位相平按的孔隙水压力线 )所需的时间，正如模型试验 (图 8— 6)所表明的，拄往需要几个月、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，这部分孔陷水压力通常被称为剽余孔隙水压力或超孔隙水压力。土层内现有的剽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，制仍然是相同的，所以就不再一一地进行讨论了。
8.2.2 土层的性质及其变化与地面沉降的关系
8.2.2.1 土层的固结状态与地面沉降的关系
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予固结应力 (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 (如图 8— 7)，故可通过实验加以测定。
如果抽水前土层不同深度处的固结程度都与土中现有的天然有效应力此相适应，那么这种土层就称为正常固结的土层，此时该土层内的天然孔隙水压力线 (即静水压力线 )与预因结应力线相重合。
这里所谓的预固结应力线，是指在不同深度上，
从总应力线向左方截取该深度土的预固结应力值所得各点的连续。倘若当前土层内不同深度处的固结程度不与现有的天然有效应力此相适应，
在相同的条件下，超固结土层的压密星将小于正常固结土层，同理，欠固结土层的压密量则将大于正常固结土层。
8.2.2.3 砂层与粘土层的压密在地面沉降中的相对重要性
在较低的有效应力增长条件下，粘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，砂层的膨胀回弹则有决定意义。
8.3 地面沉降的产生条件
从前面的讨论中可以看出，地面沉降的产生需要一定的地质、水文地质条件和土层内的应力转变 (由水所承担的那部分应力不断转移到土颗粒上 )条件。
从地质、水文地质条件来看，疏松的多层含水体系；共中承压含水层的水量丰富，适于长期开采；
开采层的影响范围内，特别是它的顶、底板，有厚层的正常固结甚或欠固结的可压缩性粘性土层等，对于地面沉降的产生是特别有利。
从土层内的应力转变条件来看，承压水位大幅度波动式的趋势性降低，则是造成范围不断扩大的、
累进性应力转变的必要前提。
8.4 地面沉降的研究、预测及防治
8.4.1场面沉烽的工程地质研究
为了掌握地面沉降的规律和特点，合理拟定控制地面沉降的措施，研究工作必须包括下述内容：
(1)地区地质结构的研究；
(2)地面水准点的定期测量，
(3)地下水开采量统计及地下水位的长期观测；
(4)粘性土层孔隙水压力的观测；
(5)土层性质的测试；
(6)各土层实际沉降量的监测及土性参数的反算。
其中前三项工作属常规性质，用一般通用的方法进行。
8.4.1.1 粘性土层孔隙水压力的观测
为研究抽、灌水作用下，土层不同深度处孔隙水压力的消关数据，应有计划地开展现场孔阳水压力观测工作。，除常规上工试验外，还需进行以下一些专门性质的试验研究工作：
为此，需在不同地区酌粘性土层内埋没孔隙水压力观测孔，观测在夏军用水期一般每 5天一次，其他季节每 10天一次。
8.4.1.2 土层性质的测试研究
从地面沉降角度研究土层的性质
8.4.1.3 各土层实际沉降量的监测及土性参数的反算
8.4.2 地面沉降的预测及防治
8.4.2.1 防治地面沉降的原则和方法
（ km2）
最大沉降速率
（ cm/a）
最大沉降量
（ m）
发生沉降的主要时间 备 注州或省市 具体地点日本东京 江东及城北工业区 290 19.5 4.23 1892－ 1968
开发地下水大阪 16.3 2.8 1925－ 1968
九州 佐 贺 县白石平原
88 20 1954－ 1965
尼崎 3.1
美国加州 圣克拉拉流域 600 21 3.90 1915－ 1967
圣华金流域 9000 46.0 8.55 1935－ 1968
洛斯贝诺斯
－开脱尔曼市
2330 40 4.88 － 1955
邱拉里华兹科 ＞ 30 3.96 1926－ 1954
长滩市威明顿油田 32 71 9 1926－ 1968 开采石油内华达州 拉斯维加斯 500 1 1935－ 1963
抽取地下水亚利桑那州 凤凰城 310 3 1952－ 1970
得克萨斯州 休斯顿－
加尔维斯顿
10000 1－ 2 1943－ 1969
路易斯安那州 巴吞鲁日 500 0.3 1934－ 1965
墨西哥 墨西哥城 7560 42 7.5 1890－ 1957
意大利 波河三角洲 800 30 ＞ 0.25 1953－ 1960 开采石油中国上海天津台湾市区及郊区台北盆地
7300
10.1
21.6
2
2.667
1.76
1.70
1921－ 1987
1959－ 1983
1963－
抽取地下水表 8－ 18.l 基本概念及研究意义
主要危害
(1).沿海地区沉降使地面低于海面，受海水侵袭；
(2)一些港口城市，由于码头、堤岸的沉降而丧失或降低了港湾设施的能力 ;
(3)桥墩下沉，桥梁净空减小，影响水上交通,
(4)在一些地面沉降强烈的地区，伴随地面垂直沉陷而发生的较大水平位移，往往会对许多地面和地下构筑物造成巨大危害 ;
(5)在地面沉降区还有一些较为常见的现象，如深井管上升、井台破坏，高摆脱空，桥墩的不均匀下沉等，这些现象虽然不致于造成大的危害，但也会给市政建设的各方面带来一定影响。
天津市地面沉降西安市地面沉降
8.2 地面沉降的形成机制
8.2.1 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，土中由复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可志着固结进展程度的应力转换线逐渐地向最终边界线坝推进 [如图 8— 5(b)]，而达到 AB线 (与降低后的承压水位相平按的孔隙水压力线 )所需的时间，正如模型试验 (图 8— 6)所表明的，拄往需要几个月、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，这部分孔陷水压力通常被称为剽余孔隙水压力或超孔隙水压力。土层内现有的剽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，制仍然是相同的，所以就不再一一地进行讨论了。
8.2.2 土层的性质及其变化与地面沉降的关系
8.2.2.1 土层的固结状态与地面沉降的关系
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予固结应力 (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 (如图 8— 7)，故可通过实验加以测定。
如果抽水前土层不同深度处的固结程度都与土中现有的天然有效应力此相适应，那么这种土层就称为正常固结的土层，此时该土层内的天然孔隙水压力线 (即静水压力线 )与预因结应力线相重合。
这里所谓的预固结应力线，是指在不同深度上，
从总应力线向左方截取该深度土的预固结应力值所得各点的连续。倘若当前土层内不同深度处的固结程度不与现有的天然有效应力此相适应，
在相同的条件下，超固结土层的压密星将小于正常固结土层，同理，欠固结土层的压密量则将大于正常固结土层。
8.2.2.3 砂层与粘土层的压密在地面沉降中的相对重要性
在较低的有效应力增长条件下，粘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，砂层的膨胀回弹则有决定意义。
8.3 地面沉降的产生条件
从前面的讨论中可以看出，地面沉降的产生需要一定的地质、水文地质条件和土层内的应力转变 (由水所承担的那部分应力不断转移到土颗粒上 )条件。
从地质、水文地质条件来看，疏松的多层含水体系；共中承压含水层的水量丰富，适于长期开采；
开采层的影响范围内，特别是它的顶、底板，有厚层的正常固结甚或欠固结的可压缩性粘性土层等，对于地面沉降的产生是特别有利。
从土层内的应力转变条件来看，承压水位大幅度波动式的趋势性降低，则是造成范围不断扩大的、
累进性应力转变的必要前提。
8.4 地面沉降的研究、预测及防治
8.4.1场面沉烽的工程地质研究
为了掌握地面沉降的规律和特点，合理拟定控制地面沉降的措施，研究工作必须包括下述内容：
(1)地区地质结构的研究；
(2)地面水准点的定期测量，
(3)地下水开采量统计及地下水位的长期观测；
(4)粘性土层孔隙水压力的观测；
(5)土层性质的测试；
(6)各土层实际沉降量的监测及土性参数的反算。
其中前三项工作属常规性质，用一般通用的方法进行。
8.4.1.1 粘性土层孔隙水压力的观测
为研究抽、灌水作用下，土层不同深度处孔隙水压力的消关数据，应有计划地开展现场孔阳水压力观测工作。，除常规上工试验外，还需进行以下一些专门性质的试验研究工作：
为此，需在不同地区酌粘性土层内埋没孔隙水压力观测孔，观测在夏军用水期一般每 5天一次，其他季节每 10天一次。
8.4.1.2 土层性质的测试研究
从地面沉降角度研究土层的性质
8.4.1.3 各土层实际沉降量的监测及土性参数的反算
8.4.2 地面沉降的预测及防治
8.4.2.1 防治地面沉降的原则和方法
