地基沉降计算及其研究现状论文

现状

据不完全统计，我国目前已有96个城市和地区发生了不同程度的地面沉降，其中约80%的地面沉降分布在东部地区。从南方的海口到东北的哈尔滨均出现了地面沉降现象，地面累计沉降量在460～2780mm之间，地面沉降速度为10～56mm/a。据长期监测和研究表明，地面沉降主要由不合理开采地下水所致，而地壳活动、地表动（静）荷载、工程建设、自然作用等其他因素造成的地面沉降只占总沉降量的5%～20%。目前，处于长江三角洲、华北平原、关中平原、淮北平原和松嫩平原大多数城市，地面沉降正在大面积的发生和发展之中。尤其是长江三角洲和华北平原地区地面沉降的发生发展速度令世界关注，造成的经济损失巨大。

（1）长江三角洲地区

长江三角洲是我国发生地面沉降现象最具典型意义的地区之一。其中，上海是我国发生地面沉降现象最早、影响最大、危害最深的城市，江苏的苏锡常与浙江的杭嘉湖及宁绍地区也相继产生了地面沉降灾害。20世纪90年代末，苏锡常、杭嘉湖及上海市累积沉降超200mm的范围已达该区面积的1/3，面积近1万km2，并在区域上有连成一片的趋势。以上海的市中心、江苏的苏锡常、浙江的嘉兴为代表的沉降中心区的最大累积沉降量分别已达，和。

1990年后苏锡常地区还发生了特有的地质灾害——地裂缝，目前已发现20余处地裂缝灾害，发育规模较大的地区已形成长数千米，宽数十米不等的地裂缝带，且均与过量开采地下水造成不均匀地面沉降有关。

长江三角洲地区的地面沉降主要是开发利用地下水引起的。20世纪70年代以前，城市地区的纺织业发达，但能源紧缺，故大量集中开采地下水用于纺织厂的空调降温，导致城市地区严重的地面沉降。20世纪80年代以来，随着改革开放城市周边地区乡镇企业的兴起，不仅其本身大量开采利用地下水，而且向地表河道不断排放污水，导致水资源极为丰富的三角洲水网地区地表水质量普遍下降，使整个区域成为水质型缺水地区，加剧了广大农村地区居民用水紧张，促使地下水开采量的急剧增加，产生了区域性地下水水位降落漏斗，故由此诱发的地面沉降目前已成为以城市为中心的区域性地质灾害。

长江三角洲地区是我国开展地面沉降勘察、监测、研究最早的地区。自1961年以来，为进行上海市地面沉降调查，开始系统地建立区域地下水动态监测网，兴建或利用已有地面水准点进行市区地面沉降监测，逐步建立基岩标、分层标监测不同土层的变形特征。苏锡常和杭嘉湖平原地区地下水动态监测网始建于20世纪80年代初期，并随着各类水工环调查评价工作的展开，得到了不断补充。同时，在城市地区如嘉兴、常州、苏州等采用水准测量进行定期或不定期的地面沉降监测，并通过收集水利、城建、交通等部门根据各自目的在不同时间和不同地区进行的水准测量资料，以及开展实地踏勘来进一步进行地面沉降调查。

1999年以来中国地质调查局部署的长江三角洲地区（长江以南）地面沉降监测网络项目所做的调整和进一步建设，基本构成了本地区地面沉降监测网络的格局。

目前长江三角洲地区地下水动态监测网络已覆盖全区，由地面精密水准监测网以及地下不同深度的基岩标、分层标在部分重要城市及地面沉降严重地区构成的立体监测系统已经粗具雏形。随着新技术新方法的引进，GPS、自动化监测以及信息技术已经开始在该地区地面沉降监测中得到了应用。

（2）华北平原地区

华北平原包括北京、天津、河北、山东和河南等省（市）的平原区，面积14万km2。地面沉降发生在北京、天津、河北和山东等地。引起华北平原地面沉降的原因可分为自然因素及人为因素。自然因素中，包括构造活动、软弱土层的自重压密固结、海平面上升等；人为因素包括过量开采地下水、地下热水及油气资源和大规模工程建设等。据地震资料，本区由于构造活动引起的地面沉降速率仅为1～2mm/a。因此，就本区而言，人为因素尤其是深层地下水超量开采是导致地面沉降的主要原因。

华北平原地面沉降的产生和发展过程与地下水的开采过程基本保持同步或略为滞后。地面沉降量与地下水水位下降幅度呈正相关。其分布范围与地下水水位下降漏斗基本一致。

由于地下水开采，北京地区早在1935年就已经发生了地面沉降。当时其范围仅在西单到东单一带，1935～1952年，局部地面沉降量的最大值仅为58mm。20世纪50年代以后，随着北京地区地下水的开采不断增加，逐渐形成了以东郊工业区为中心的区域性地下水水位降落漏斗。到1983年5月，北京市东郊地面沉降区面积已达600km2，其中累计地面沉降量大于100mm的地区面积达190km2；沉降量大于200mm的地区面积约为42km2。从1966～1983年，北部的来广营地面沉降中心区沉降量约为277mm；南部的大郊亭地面沉降中心区沉降量累计约532mm。1987年以后，北京市地面沉降面积快速增加，扩展至1800多km2，其中沉降量大于200mm的地区达到350km2。

天津市开发利用地下水资源始于1923年，据历史水准点资料，伴随着地下水的开发，地面沉降相应发生。由于当时开采量少，年沉降量仅几个毫米。新中国成立后，随着工农业的发展，地下水开采量逐年增加，地面沉降越来越严重。1950～1957年沉降速率为7～，1958～1966年沉降速率为30～46mm/a，并逐步形成了沉降中心。1967～1985年沉降速率达80～100mm/a，沉降急剧发展。1986年后进入沉降治理阶段，大部分地区沉降明显减缓，市区沉降速率降低到10～15mm/a。

目前，宝坻城关以南的广大平原区均已不同程度地产生了地面沉降，面积达8800km2。其中，累计沉降量超过1000mm的面积达4080km2。该区南部及滨海地区地面沉降尤为明显，并与河北省的沉降区连成一片。在这一范围中，现已形成了市区、塘沽区、汉沽区、大港区及海河下游工业区等沉降中心（表）。

表 天津市地面沉降现状表

河北平原深层地下水水位下降漏斗形成于中东平原城市集中开采区和农业集中开采区，主要有冀枣衡漏斗、沧州漏斗、宁河唐海漏斗、廊坊漏斗、青县漏斗、霸州漏斗等。深层地下水水位下降漏斗面积共计为43915km2，随着深层地下水的进一步开采，地下水水位下降范围持续扩大，各漏斗范围也不断扩大，形成了覆盖整个平原中东部、天津市和冀东平原部分地区，面积为7万km2（地下水位0m线以下计）的巨型复合漏斗。

随着地下水开采量的增大、地下水水位的下降和地下水水位降落漏斗的形成，地层岩土力学平衡被破坏，河北平原逐渐形成了沧州、保定、衡水、任丘、南宫、霸州、大城、曲周、唐海9个主要地面沉降区。

截至1998年，河北平原地面沉降量大于200mm的面积达万km2，大于300mm的面积达万km2，大于500mm的面积达6430km2，大于1000mm的面积达755km2（表）。

山东省德州市地面沉降影响面积已达，累计沉降量为150～387mm，沉降中心的沉降量在300～387mm之间，年均沉降量在25～之间。济宁市自1989年至今已累计沉降，沉降量大于60mm的面积已近90km2，中心最大沉降速率每年达。

表 河北平原主要地面沉降区沉降面积统计

由于地下水的长期超量开采，华北平原现已成为世界上超采地下水最严重的地区之一，也是地下水水位降落漏斗面积最大，地面沉降面积最大、类型最复杂的地区之一，其中又以京津冀鲁地区最为突出。大面积的地面沉降给当地人民生命财产的安全造成了严重威胁，并成为制约当地经济可持续发展的重要因素。

地面沉降直接导致华北平原滨海低平原区地面标高资源损失，造成铁路路基下沉、风暴潮灾害加重。由于影响泄洪，致使地面长期积水、厂房被淹，经济损失严重。由于地面不均匀沉降，导致建筑物受损，大规模市政基础设施破坏；由于地面沉降，还引发了多处地面坍塌和地裂缝地质灾害，直接威胁人民生命财产的安全；并且随着使该地区经济的发展，灾害损失便愈大，制约了社会经济的可持续发展。同时，百余年的世界工业化进程导致全球气温上升，海平面的变化再叠加上地面沉降，时刻威胁着河口滨海地区包括华北平原低海拔地区人类的生存。

华北平原地面沉降调查监测的工作程度相对较低，除天津外，还没有专门的地面沉降监测网点及监测系统，没有全面系统的地面沉降研究成果。区域上的地面沉降数据，主要来自国家地震局布设的京津唐大地形变区域网，但其测量密度较小，测量频率低，在面积上远远不能控制华北平原地面沉降的范围。而且华北平原地面沉降调查与监测受条件所限与行政分割，缺乏统一的调查与监测技术标准，缺乏统一的规划，在时间和空间上的调查与监测布局不尽合理，得出的调查监测数据缺乏可比性，远不能满足国家防灾减灾的需要，因此开展华北平原地面沉降调查与监测具有重大的社会经济意义。

（3）关中平原地区

关中平原的地下水过量开采已引起大面积地面沉降，尤其是在西安市最为严重。西安市城郊区承压含水层为细砂，砂砾石层和粘土层不等厚互层，并有自西往东、由北往南含水层厚度逐渐减少，粘土层厚度逐渐增加的特征，这种结构在大量开采承压水，造成承压水位大幅度下降的情况下，有利于黏性土层中结合水的排出。

西安地下水开采初期，承压水位埋深仅25～35m。20世纪70～80年代，由于大量开采承压水，引起水位大幅度下降。到90年代初期，西安城区承压水开采井增至530余眼，年开采量达亿多m3，承压水位累计下降60～100m，降落漏斗面积为200km2。东南郊一带有大面积的承压水位降至含水层顶板之下，水位埋深降至90～130m。承压水位的大幅度下降，意味着孔隙水压力降低，黏性土层中的水向含水层释放，进而产生黏性土层释水压密，引发地面沉降。

西安市地面沉降现象发现于1959年。1972～1983年，西安城区地面最大累计沉降量为777mm，年平均沉降量在30～70mm之间的沉降中心有5处。截至1988年最大累计沉降量已达，沉降量为100mm的面积达200km2，沉降最超过500mm的面积达48km2。20世纪90年代，地面沉降范围又有所扩大，累计沉降量超过200mm的面积约150km2，东南郊一带累计沉降量超过600mm，超过1000mm的面积为42km2，沉降中心增加为7个，累计沉降量超过2000mm，最大累计沉降量达2600mm，沉降速度之快，前所未有。建于明代的西安钟楼现已下沉了395mm，具有1300余年历史的大雁塔也下沉了1198mm。

西安市地面沉降具有如下特征：①沉降量与承压水开采量密切相关；②地面沉降具有不均匀性和差异性。

西安地面沉降的危害主要足加剧了地裂缝的活动，造成地裂缝垂向活动量大大增加。由于市区内各个区域沉降发展不均衡，已经出现了11条明显的地裂缝，总长度达，并且还以每年垂直方向移动在5～30mm之间，水平方向移动在3～4mm之间的速度发展。东南郊一带地裂缝的垂向活动速率则为30～50mm/a。

地裂缝造成了附近建筑物地基不均匀沉降，形成建筑物开裂和地下管道错断，城市道路破坏。据不完全统计，1996年因地裂缝毁坏的建筑物有楼房170余栋，厂房、车间57座，民房近2000间，破坏道路74条，累计错断供水、供气管道40余次，另有数十口深井因井管上升而报废，危及多处文物古迹的安全，2004年末大雁塔向西北倾斜达1064mm。据统计，由于地裂缝造成的直接经济损失累计已达1亿元。

（4）淮北平原地区

淮北平原的阜阳市属于水资源紧缺城市。在20世纪80年代以前，城市饮用水是泉河的地表水。但在80年代以后，随着工业的发展和人口增长，泉河变成了排污沟，城市工业和生活用水不得不改用地下水。据勘查，阜阳城地下水，尤其是埋深250m左右的中深层地下水水质好、水量丰富。这使中深层地下水成为阜阳自来水厂、单位自备井和工业企业争先开采的对象，且取水量逐年增加。现在阜阳市建成区近40km2的范围内有200多m的深井200多眼，密度在5眼/km2以上。虽然中深层地下水允许开采量为每天万m3，但实际开采量已达每天14万m3，超过开采量1倍多。由此造成中深层地下水位持续下降，年平均降幅达，形成了1200km2的地下水水位降落漏斗。

由于上述情况，阜阳城区地面最大沉降量目前已达，居全国第五位，且仍以每年40～50mm速度继续下沉。由此，一系列环境地质问题发生了，如汛期公路桥梁和大型建筑都产生了不均匀沉降，排水管道断裂、深井报废等现象时有发生。位于沉降中心的作为调节颍河水流的阜阳闸，闸底板也已多处开裂，造成闸墩错位，影响了防洪能力。

（5）松嫩平原地区

松嫩平原除大规模开采地下水外，以大庆地区为主的油气开发已引发地面沉降。

松嫩平原的大庆油气开采区位于兴安岭-内蒙地槽褶皱区，小兴安岭-松嫩地块，松嫩拗（断）陷带的中西部断陷区，即松嫩盆地（平原）的中西部，地貌类型单一。总的地势是北高南低，一般地面标高在130m以上，自然坡降在‰左右。受地质构造的控制，自侏罗纪以来沉积了厚度约6000m的含油建造。发育有侏罗系、白垩系、第三系、第四系。白垩系为内陆湖盆沉积的泥岸岩、砂岩，厚度近3000m，是石油和地下热水的主要储存构造和开采层位，开采深度一般在1000～3000m之间。新近系砂岩和砂砾岩以及第四系冲积层，是大庆地区主要供水层位，地下水可开采量为亿m3/a，但现状开采量为亿m3/a，超采严重。其中用于采油工艺的地下水年开采量为亿m3，几乎占地下水开采总量的80%。地下水已形成巨大的降落漏斗，漏斗中心水位降深已达50m，漏斗面积5560km2，几近覆盖大庆市，并波及了与大庆相邻的周边县（市），每年都有许多水井因地下水开采量下降而产生抽气、掉泵现象，继而报废。据不完全统计，因多年采油和不合理开发地下水已使大庆市及其周边地区地下水位下降了16～19m。地下水位的大幅下降是诱发地面变形的主要原因，但由于目前尚未进行油气开发区地面沉降监测，具体沉降数据仍属空白。

存在的问题

由于地面沉降在各地发育过程不同、程度不同、造成的危害不同，各地采取的监测防治措施也不同，而大部分发生地面沉降的地区还没有采取监测防治措施。存在的普遍问题是缺乏区域统一规划及信息沟通，采用的主要仪器设备陈旧、技术落后，很不适应区域地面沉降的发展趋势和国内外监测技术不断更新的形势。

（1）长江三角洲

1）以往地面沉降监测网络是根据地面沉降最早发生于城市等局部地区这一状况进行布设的，未建立统一的地面沉降监测网络。随着地面沉降在整个区域上呈扩展之势，监测工作却未能及时跟上，其局限性日显突出。

2）因行政辖区限制，地面沉降监测网络缺乏区域统一规划，各地监测极不平衡。尤其在长江以北、杭州湾南岸地区（除宁波以外）监测工作是空白，地面沉降情况不明，很可能会走上出现严重灾害后再治理的老路，应引起有关部门的重视。

3）各地包括布网密度和频率等监测方法及标准目前仍然不统一。例如，上海市区一般按1∶5万、局部达到1∶1万精度布网，进行Ⅰ，Ⅱ等水准测量，其频率有每月3次、1次，也有每年4次、2次、1次的；江苏省仅在常州市布设了地面沉降监测Ⅱ等水准测线2条，每月监测1次；杭嘉湖现有的专门用于监测地面沉降的水准网络沿主要公路分布，近年来控制范围可达3500km2，每年监测1次，但受经费影响监测频率尚不能保证。除此之外，上海郊区主要是收集测绘部门、苏锡常三市主要是收集城建和水利等部门的不同时期Ⅲ，Ⅳ等水准测量资料进行地面沉降调查。因此，地面水准测量资料隶属于不同的部门，来源复杂，分布不均，数据参照系的一致性无法保障，且重合点偏少，可靠性差，测量时间不一，因而难以系统、全面、适时、可靠地掌握区域地面沉降的分布和发展规律。

4）基岩标、分层标除在上海市区比较健全，杭嘉湖地区有一座，苏锡常地区初步建成外，苏北几乎空白，故地面沉降的垂向分布及其成因研究显得薄弱，难以提出针对性控沉建议。

5）区域上虽已建立地下水动态监测网，但各地监测井分布疏密不均，精度不一，且近年来监测点屡遭破坏，个别含水层在相当一部分地区包括工作区周边地区缺乏控制性监测设施。

6）目前地面沉降监测采用的技术手段总体上比较落后，效率低、工期长的问题依然存在，难以适时、客观反映日益扩大的监测网的需要。虽然已经引进了一些新技术、新方法，但仍不够成熟、完善，在面上尚未铺开，且在实施过程中亦未有可执行的技术标准或规程。

7）差异性地面沉降所产生的地裂缝是本地区一种新的地质灾害，但现有监测网络密度明显不足。尚需进行加密布设，以便精确记录其发展变化过程，提高数据监测和分析质量。

（2）华北平原

华北平原的问题具体如表所示。

由于华北平原内的各省（市）受行政区划所限，分别在各自的区域内开展工作并提交有关地面沉降等值线图件，在合成有关图件后得出华北平原地面沉降等值线图，从图中可以看出各地由于监测标准和监测手段不同，提交的沉降等值线年份不一，很多地方的沉降量只是推测出来的，在同一个地方得出不同的地面沉降量，这显然不能完全反映现实，因此目前华北平原各地的地面沉降量只能作为参考。

（3）关中平原、淮北平原和松嫩平原

这三大平原均为河流冲洪积平原，地下水的过量开采和油气开采引起的地面沉降对生态环境和经济可持续发展造成了较为严重的影响，但到目前为止这些地区还都没有开展系统的地面沉降专项调查和监测工作。

表 华北平原地面沉降监测设施存在的问题

鉴于存在的上述问题，未来地面沉降监测网络需要在统一规划设计、统一技术标准、统一数据平台的基础上，建立空间上分布合理、技术上先进可行的地面沉降监测网络，在开展传统测量的基础上，应用先进的GPS，InSAR和LIDAR等技术进行监测并进行相互校正，得出精确的地面沉降量，为整个社会经济的可持续发展和城市建设规划提供可靠的地面沉降资料依据。

类〓〓别：夜大层〓〓次：专升本讲课学时：48一、本课程的地位、作用和任务本课程为土木工程专业学生必修的专业基础课，本课程中土力学部分所包含的知识既是土木工程专业学生必须掌握的专业基础知识，又是后面的专业课学习所必须的基础知识，地基基础知识是土木工程专业学生能够进行一般工程基础设计的基础。通过该门课程的学习，使学生能够了解并掌握土的基本物理性质，掌握地基中的应力，基础的沉降、地基承载力、土压力和土坡稳定的分析方法，并会运用这些概念和原理，结合有关结构设计和施工技术知识，分析和解决一般地基基础设计问题，对于常见的基础工程事故，做出合理的评价。二、本课程对先修课的要求在学习本门课程之前应先修以下课程：材料力学、结构力学、钢筋混凝土及砌体结构三、教学内容与教学要求第一章：了解土的成因及其结构，掌握土的组成及三相比例指标，掌握无粘性土的密实度评定指标，粘性土的物理状态评定指标，了解土的分类标准。第二章：掌握地基的自重应力和附加应力的概念和计算方法，基底压力的分布及简化计算方法，了解地基变形的不同阶段计算方法，了解应力历史的概念，掌握有效应力原理及地基变形与时间的关系。第三章：掌握土的抗剪强度概念、莫尔——库仑强度理论和极限平衡理论、抗剪强度指标的测定方法及不同排水条件下抗剪强度指标的选择和应用，了解孔隙压力系数的概念。第四章：掌握三种土压力的概念及形成条件、熟练掌握并会应用朗肯土压力理论和库仑土压力理论计算土压力，掌握地基承载力的概念和地基界限荷载的概念并会应用地基界限荷载的公式，掌握土坡稳定分析方法。了解重力式挡土墙的设计和计算内容和方法，了解地基破坏模式，地基极限承载力概念。第五章：了解地形、地貌的概念，地基的勘探方法。根据不同的建筑结构等级合理估计勘探工作方法及工作内容。掌握地质勘察报告的组成并会阅读地质勘察报告。提出合理的地基基础方案。第六章：了解浅基础的常见类型，了解常规设计的概念，掌握浅基础的基础埋深选择方法，掌握地基承载力的确定方法、地基基础设计原则、基底尺寸的确定方法、基础的构造要求及强度计算方法，了解减轻不均匀沉降危害的措施。第七章：了解常用的地基线性变形体计算模型，掌握文克勒地基上梁的计算，柱下条形基础的设计。第八章：了解桩的类型、桩的施工工艺，掌握桩基竖向承载力的确定方法，了解桩的水平承载特性及承载力确定方法，掌握桩基础的设计与计算。第九章：了解软弱地基的特性及常见的不良地基处理方法。四、实验、课设等实践环节内容及要求本课程结束后，应安排一周的课程设计，课程设计的具体内容及要求见“土力学与地基课设”教学大纲。五、大纲编制说明1．土力学地基基础课程教学大纲是参照国家土木工程专业指导委员会颁发的《土力学地基基础课程教学大纲》编写的。2．充分考虑了知识的系统性，在“够用”的原则基础上，适当拓宽。使学生比较系统地掌握本学科、专业必需的基础理论、基本知识六、教材及参考书