地面沉降研究存在的问题

2025-03-22 15:56:09

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回答1：

近年来，对地面沉降尤其是城市地面沉降（以下所述均为城市地面沉降）的发生机理、地面沉降预测、地面沉降防治做了大量研究，目前，取得的成果及存在的问题主要表现为以下几个方面：

（1）传统地面沉降模型难以解释城市地面沉降现象

传统观点认为，我国大多城市地面沉降是过量开采地下水所致，地下水开采造成地面沉降的机理主要是有效应力原理和水动力固结原理，即含水层水头下降，有效应力增加，土体产生压密变形，从而导致地面沉降。但20世纪90年代以来，上海市中心城区地下水位基本不变，地面沉降显著增大，与此同时，上海进行了大规模的城市建设，至2009年底，轨交运营线路长度从1996年的15.21km增至355km，全市8层以上房屋建筑面积由1990年的9.59×10⁶m²增长至2.04×10⁸m²，类似现象在我国东部大城市较为普遍，传统水流模型和沉降模型虽然模拟了地下水开采引起的地面沉降，但难以对此进行解释。

（2）缺乏地下水开采与建筑荷载叠加作用下的地面沉降定量研究

对城市地面沉降量与建设工程进行相关性分析发现，地面沉降的加速现象与城市化建设具有相关性。城市化进程引起的沉降包括建筑物荷载及交通荷载等引起的沉降，基坑开挖、降水及隧道施工等引起的土体压缩，隧道渗漏、周边地区对地下水补给量减小以及地下构筑物挡水效应等引起的地下水位持续下降而诱发的沉降。地下水开采已经不是目前地面沉降的主要原因，大规模城市建设是沉降加剧的重要原因，工程性沉降约占地面沉降总量的30%～40%。随着我国城市化进程的加快，工程性沉降在地面沉降中的比例会继续加重。

为了科学解释城市地面沉降，综合考虑地下水开采和城市建设对地面沉降的影响十分重要。依据含水层质量守恒原理，非固结地层在建筑荷载作用下的地面沉降模型与地下水开采引起的地面沉降模型表达式一致，仅区别于水动力原因不同。但地下水开采与建筑荷载叠加作用下的地面沉降存在耦合效应，表现为叠加作用下的地面沉降值小于可比条件下单独抽水和单独荷载作用下地面沉降值之和，目前该耦合效应的定量表述未见报道。

（3）建筑群引发的地面沉降研究较少

《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）给出了建筑地基沉降计算方法，并认为建筑地基沉降达到稳定所需的时间与土层的压缩性有关（中华人民共和国住房与城乡建设部，2002）。学者们采用模型试验和数值模拟研究了建筑群引发的地面沉降，现行规范计算单一建筑物引起的地面沉降与实际情况相符，计算建筑群引发的地面沉降与实际情况差别较大，建筑群引发的地面沉降受建筑规模、容积率、建筑分散程度的影响，建筑群引发地面沉降的面积和深度大于单一建筑。同济大学开展建筑群引发地面沉降模型试验表明，地面沉降还存在明显的叠加效应，叠加效应随建筑容积率的增大呈增加趋势，最大沉降速率和沉降量存在显著的时间效应。实际上，建筑群引发地面沉降的机理更为复杂，城市改造过程中，出现大量新老建筑并存和老建筑拆迁重建等现象，由此引发的沉降叠加效应和反复加卸载效应也应予以关注。

（4）地面沉降预测统计模型准确度难以保证、物理模型发展缓慢

建立地面沉降预测统计模型和物理模型是国内外预测地面沉降的两种主要方法，地质资料较丰富地区一般选用前者，反之选用后者。统计模型主要基于模糊神经网络、灰色理论、泊松旋回等。前人研究证实，灰色理论模型适用于地面沉降较均匀地区，人工神经网络模型适用于地面沉降波动较大地区，泊松旋回模型适用于地面沉降的长期预测。在实际应用中，由于地面沉降是一个受多方因素影响的复杂过程，其影响因素与沉降之间存在复杂的非线性关系，正确选择预测方法和获得全面的地面沉降监测数据难度较大，导致统计预测模型预测精度难以保证。

物理模型主要有水流模型和土力学模型，根据水流模型和土力学模型的耦合程度分为两步走模型、部分耦合模型和完全耦合模型。近年来物理模型研究有许多新认识，较为合理的表述了各类沉降现象，概括主要包括以下几方面：①弱透水层的孔隙水类型、释水变形机理与埋深密切相关，以界限含水量为依据，提出不同埋深弱透水层的变形计算模式；②各土层的变形量不仅与其压缩性有关，也与其本身的厚度有关，较以往只关注土体压缩性建立的模型更具合理性；③以往认为砂性土变形是在应力变化的瞬时完成的，苏州、北京等地的沉降研究表明砂性土具有和粘性土类似的蠕变性；④黏弹性理论应用于分析地面沉降问题，为具有复杂变形特征的大型区域地面沉降模拟提供了新方法。以上物理模型虽然作用机理清楚，但方程参数过于复杂，应用难度较大，发展较为缓慢。

（5）地面沉降防治缺乏与城市建筑相关的措施

限制开采地下水、调整水资源开采层次、人工回灌是以往地面防治研究的焦点。近年来，随着城市建筑与地面沉降研究的深入，通过规划城市建筑控制地面沉降逐渐引起学术界关注，认为建筑规模、容积率、建筑分散程度与地面沉降密切相关，只有限制开采地下水和合理规划城市建筑才能有效防治城市地面沉降。但目前尚未建立建筑规模、容积率、分散程度与地面沉降的最佳参考值或规划城市建筑的具体方法。

以上分析可见，工程性沉降在当今城市地面沉降问题中所占比重日益加重，工程性沉降引发的环境问题也越来越引起人们关注，其中基坑降水是工程性沉降的主要诱发因素之一，故此采用机理结合实例统计分析的方法对基坑降水引发地面沉降问题进行预测，对城市地面沉降的防治工作具有重要的现实意义。

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