沿海地区地面沉降的地质分析.doc

沿海地区地面沉降的地质分析摘 要：沿海地区是我国经济社会发展的重要区域，但地势低平，生态环境极其敏感和脆弱，相对海平面上升，已成为 21世纪我国沿海地区实现可持续发展面临的重大环境问题。随着世界经济的发展、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 subsidence in coastal areasCivil 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 sensitive 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 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 settlement including natural sedimentation and human settlement in two aspects.In this paper, combined with geological factors on occurrence in the soft clay ground settlement are analyzed.Key words: coastal area; settlement; montmorillonite; kaolinite; soft clay;1 引 言我国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，它们一般是多层含水层体系或水量丰富的承压含水层。人工过量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，其中过量开采地下水产生的沉降量最为显著，随着我国沿海经济建设的蓬勃发展，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上升运动。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，后者以人为沉降研究为主。本文将试图从地质学的角度探讨软粘土沉积地层的固结沉降问题。2 沉降的地质因素21新构造运动我国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非常强烈。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/a。同时 根据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水准测量认为，30a来天津市地壳以1-3mm/a的速率在稳定地沉降。强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，建筑物一般都产生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毫米。日本A.Kagawa等研究表明，1995神户地震引起砂土液化导致人工岛地面严重沉降，同时许多码头断裂，甚至滑入海中，最大沉降达4.7m。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，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2-4m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。这些沉积物含水量髙，粘粒含量高，固结程度差，大多未固结，在达到完全固结之前，必然会自然沉降。据全新世海相地层的14C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3mm左右。2.3海平面上升气候变暖导致的全球海平面上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上升问题。据统计，20世纪60年代以前上海吴淞口海平面上升速率为0.9mm/a；20世纪60年代以后，由于全球变暖等原因，海平面上升速率为2mm/a。任美锷经过研究给出天津地区、上海地区、珠江三角洲和现代黄河三角洲（东营过去30a相对海平面上升值和今后的40a最可能的相对海平面上升值。海平面上升值叠加在地面沉降值上带来的诸多灾害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一直处于下沉阶段，下沉速率为1mm/a，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上升阶段，年绝对上升量1-5mm，加上地壳升降影响，年上升量在1.5-8mm之间。海平面上升和局部地面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3.1地下流体的过量开采地下流体的过量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。长期过量抽取地下流体如地下淡水、石油、天然气等是我国沿海地区产生地面沉降的主要因素。对地下水（或石油与天然气）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能力大幅度减少，并且不能完全恢复，最终表现为地面沉降。这类原因有两种机理：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、主要的原因。国内有些地区由于大量抽汲地下水，已先后出现了严重的地面沉降。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改变，会出现地表塌陷。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。在采取地下水综合控制措施后，因地下水开采引起的地面沉降已得到有效控制，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，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研究，但对于建筑群产生的工程效应沉降并未给予足够关注，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年代以前的地面沉降主要由于过渡开采地下水造成的，60年代以后采取地下水回灌与调整开采层等措施，使地面沉降基本得到控制，呈现微沉的状态；进入90年代，上海地面又明显出现加速沉降现象，中心城区年均沉降量是前一时期的4倍多。根据有关监测资料，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年投人使用的高层建筑物历时的监测表明建筑物荷载对周围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4.1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，不容易吸水膨胀、失水收缩，或者说亲水能力差。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，其自身在缓慢均匀收缩过程中变得更为致密，并减小其变形性。但是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。粘土的收缩曾引起许多研究者的重视，但它至今仍是一个研究的不很充分的问题。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论。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，对其进行研究也十分有必要。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研究，但仍处于起始阶段。第三系、第四系松散层主要为砂土、粉土、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，由于地面超载和过量开采地下水，地层有效应力增加，蒙脱石层间水可能发生脱水作用并改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，因此蒙脱石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量的计算范围之内，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周围结合水丧失而导致的以孔隙变化为主的微结构变形破坏现象，主要包括粘土颗粒的脆性破坏，颗粒间的相对位移，颗粒的不可恢复变形，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周围强结合水和部分弱结合水构成的骨架体的变形而导致软土微结构的整体变形，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逐渐增强。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结构时，在空隙比-压应力曲线上表现为压应力的突然降低。5讨论从广义上讲，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然过程，其包括三个阶段，即: (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;(2)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、海平面上升等因素的综合反映，通常是区域性和控制性的，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一阶段的前期；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发展战略与地面沉降系统防治J。中国地质灾害与防治学报，2000,11（2）：30-33。2 刘杜娟。中国沿海地区地面沉降问题思考J。中国地质灾害与防治学报，2004,15（4）：87-90。3 刘传正。环境工程地质学导论M。北京：地质出版社，1995：35-80。4 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讨论会论文集M。北京：地质出版社，2001。6 Heman H.Rieke，George V.Chlingarian著（徐怀达，译）沉积构造与环境解释M。北京：地质出版社，1984。7 王建秀，严学新，唐益群，等。高等建筑群对地面沉降影响的模型试验研究J。同济大学学报（自然科学版），2007,37（3）：320-325。8 杨献忠，陈敬中，叶念军。论蒙脱石的脱水作用及其对地面沉降的影响J。资源调查与环境，2003,24（2）：89-95。Reference.1 Hou Yansheng, Yu Fei.The coastal regions of China sustainable development strategy and systematic control on land subsidence J.Chinese Journal of geological hazard and control, 2000, 11 (2): 30-33.2 Liu Du juan.Reflection on ground subsidence of coastal areas in China J.Chinese Journal of geological hazard and control, 2004, 15 (4): 87-90.3 Liu Chuanzheng.Introduction to environmental engineering geology M.Beijing: Geological Publishing House, 1995: 35-80.4 Sun Gengsheng, Zheng daton