第九章-地面沉降.ppt

工程地质学基础,第9章地面沉降,概述,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。,概述,天津市地面沉降,9.2地面沉降的诱发因素及地质环境,地面沉降的诱发因素及地质环境地面沉降的诱发因素,地面沉降的诱发因素及地质环境地面沉降的地质环境,9.3承压水位下降引起的地面沉降机制分析,承压水位下降引起的地面沉降机制分析,位于未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。,承压水位下降引起的地面沉降机制分析,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。在天然应力条件下，由于地质结构的不同，抽水所引起的土层中孔隙水压力及有效应力的变化，可有不同模式，图9-8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。,承压水位下降引起的地面沉降机制分析,在三层结构及天然状态下，如果下部承压含水层中的承压水位与上部潜水含水层的水位相一致，【图9-9】,承压水位下降引起的地面沉降机制分析,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99(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910)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,承压水位下降引起的地面沉降机制分析,相平衡的孔隙水压力，这部分孔隙水压力通常被称为剩余孔隙水压力或超孔隙水压力。土层内现有的剩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，地面沉降的机制。其它多层结构(甚至多层抽水)类型的沉降，但基本机制仍然是相同的。,承压水位下降引起的地面沉降粘性土层的变形机理,土体压缩是土颗粒距离重排，孔隙减小以及土颗粒重排粘性土的微结构：,承压水位下降引起的地面沉降粘性土层的变形机理,因此，粘土层的压密和非弹性永久变形在地面沉降中起主导作用。粘性土的弹性变形和砂层的膨胀回弹构成地面总的回弹量此外，粘性土层孔隙水压力的调整需要较长的时间，即有效应力增长与粘性土相应的压密变形过程之间存在着时间滞后。,承压水位下降引起的地面沉降粘性土层固结历史,承压水位下降引起的地面沉降粘性土的固结状态,9.4地面沉降预测,地面沉降的预测预测所需要资料与预测成果,预测所需要的地质资料预测性图件各种基础性地质图件，反映砂层、粘性土层厚度变化，地下水位或液压变化及人类活动诱发因素指标变化的等值线图预测性曲线,地面沉降的预测地面沉降的预测方法,地面沉降的预测地面沉降预测实例,意大利威尼斯的预测工作根据上述五种抽水计划所推出的地面沉降发展趋势美国德克萨斯州休斯顿地区的预测工作，对该区两个主要含水层承压水位下降及地面沉降的观测资料进行对比,地面沉降的预测地面沉降的量测系统,地面沉降的预测地面沉降的测量方法,9.5地面沉降的控制与治理,地面沉降的控制与治理对已经产生地面沉降的地区,具体措施是进行地下水资源管理，方法有：压缩地下水开采量，减少水位降深幅度向含水层进行人工回灌，注意水质，防治污染调整地下水开采层次，合理开采，适当开采更深层地下水或以地面水源代替在沿海低平原地带修筑或加高挡潮堤，防洪堤等改造低洼地形，人工填土加高地面改建城市给排水系统等，使之适应地卖弄沉降后的情况修改城市建设规划，调整城市功能分区及总体布局,地面沉降的控制与治理可能发生地面沉降的地区,对可能发生的地区，硬预测地面沉降的可能性和危害程度：估算沉降量，预测其发展趋势结合水资源评价，研究确定地下水资源的合理开采方案采取适当的建筑措施，预先对可能发生地面沉降量作充分考虑,图中的G-G线将代表由土层自重所造成的总应力线H-C线则将代表土层中的天然孔隙水压力线,持续开采，导致地下水继续降低，如1部分停止开采，水位缓慢上升，如2、3、4完全停止开采，恢复到最初状态，如5,LandSubsidenceFromGround-WaterPumping,CAUSEOFLANDSUBSIDENCEFROMGROUND-WATERPUMPING,CAUSEOFLANDSUBSIDENCEFROMGROUND-WATERPUMPING,Landsubsidenceistheloweringoftheland-surfaceelevationfromchangesthattakeplaceunderground.Commoncausesoflandsubsidencefromhumanactivityarepumpingwater,oil,andgasfromundergroundreservoirs;dissolutionoflimestoneaquifers(sinkholes);collapseofundergroundmines;drainageoforganicsoils;andinitialwettingofdrysoils(hydrocompaction).LandsubsidenceoccursinnearlyeverystateoftheUnitedStates.(figure1).,CAUSEOFLANDSUBSIDENCEFROMGROUND-WATERPUMPING,OverdraftingofaquifersisthemajorcauseofsubsidenceinthesouthwesternUnitedStates,andasground-waterpumpingincreases,landsubsidencealsowillincrease.Inmanyaquifers,groundwaterispumpedfromporespacesbetweengrainsofsandandgravel.Ifanaquiferhasbedsofclayorsiltwithinornexttoit(figure2),theloweredwaterpressureinthesandandgravelcausesslowdrainageofwaterfromtheclayandsiltbeds.,Thereducedwaterpressureisalossofsupportfortheclayandsiltbeds.Becausethesebedsarecompressible,theycompact(becomethinner),andtheeffectsareseenasaloweringofthelandsurface.Theloweringoflandsurfaceelevationfromthisprocessispermanent.Forexample,ifloweredground-waterlevelscausedlandsubsidence,rechargingtheaquiferuntilgroundwaterreturnedtotheoriginallevelswouldnotresultinanappreciablerecoveryoftheland-surfaceelevation.,DAMAGECAUSEDBYLANDSUBSIDENCE,DAMAGECAUSEDBYLANDSUBSIDENCE,Landsubsidencecausesmanyproblemsincluding:changesinelevationandslopeofstreams,canals,anddrains;damagetobridges,roads,railroads,stormdrains,sanitarysewers,canals,andlevees;damagetoprivateandpublicbuildings;failureofwellcasingsfromforcesgeneratedbycompactionoffine-grainedmaterialsinaquifersystems.Insomecoastalareas,subsidencehasresultedintidesmovingintolow-lyingareasthatwerepreviouslyabovehigh-tidelevels.Anexampleofdamagecausedbylandsubsidencecanbeseeninfigure3.,DAMAGECAUSEDBYLANDSUBSIDENCE,Theconcretebaseatthetopofthewellisabovegroundlevelbecausethelandsurfacehasloweredandtherigidwellcasinghasnotsunk.,DAMAGECAUSEDBYLANDSUBSIDENCE,InmanyareasofthearidSouthwest,earthfissuresareassociatedwithlandsubsidence.Earthfissurescanbemorethan100feetdeepandseveralhundredfeetinlength.OneextraordinaryfissureincentralArizonais10mileslong.Thesefeaturesstartoutasnarrowcracks,aninchorlessinwidth.Theyinterceptsurfacedrainageandcanerodetowidthsoftensoffeetatthesurface.Examplesofearthcracksareshowninfigures4,5,6,and7.Earthfissuresarecausedbyhorizontalmovementofsedimentsthatoccurswhenground-waterispumped.,RELATIONOFLANDSUBSIDENCETOCLIMATECHANGEANDPOPULATIONINCREASEINTHESOUTHWEST,Inareaswhereclimatechangeresultsinlessprecipitationandreducedsurface-watersupplies,communitieswillpumpmoregroundwater.InthesouthernpartoftheUnitedStatesfromstatesontheGulfCoastandwestwardincludingstatesofNewMexico,Colorado,Arizona,Utah,NevadaandCalifornia,majoraquifersincludecompressibleclayandsiltthatcancompactwhenground-waterispumped.,RELATIONOFLANDSUBSIDENCETOCLIMATECHANGEANDPOPULATIONINCREASEINTHESOUTHWEST,Also,increasedpopulationintheSouthwestwillincreasedemandsonground-watersupplies,causingmorelandsubsidenceinareasalreadysubsidingandnewsubsidenceinareaswheresubsidencehasnotyetoccurred.Inthepast,majorsubsidenceareashavebeeninagriculturalsettingswhereground-waterhasbeenpumpedforirrigation.Inthefuture,however,increasingpopulationmayresultinsubsidenceproblemsinmetropolitanareaswheredamagefromsubsidencewillbegreat.,MONITORINGLANDSUBSIDENCE,MONITORINGLANDSUBSIDENCE,Severalmethodsareavailabletomonitorlandsubsidence.ThemostbasicapproachesuserepeatedsurveyswithconventionalorGPSleveling.Anotherapproachistousepermanentcompactionrecorders,orverticalextensometers(figure8).Thesedevicesuseapipeoracableinsideawellcasing.Thepipeinsidethecasingextendsfromlandsurfacetosomedepththroughcompressiblesediments.Atableatlandsurfaceholdsinstrumentsthatmonitorchangeindistancebetweenthetopofthepipeandthetable.Iftheinnerpipeandcasinggothroughtheentirethicknessofcompressiblesediments,thenthedevicemeasuresactuallandsubsidence.,MONITORINGLANDSUBSIDENCE,Ifbothground-waterlevelsandcompactionofsedimentsaremeasured,thenthedatacanbeanalyzedtodeterminepropertiesthatcanbeusedtopredictfuturesubsidence.About19oftheseinstallationsareoperatedinSouthernArizonaandadditionalstationsareoperatedinCalifornia,Nevada,NewMexico,andTexas.Anothersubsidencemonitori