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)。