探讨城市建设中的地质问题

　　摘要:本文详细介绍了城市建设中的地质环境和地质灾害,并提供解决方案。
　　关键词：城市建设，地质环境
　　1城市建设地质极限的定义
　　城市是人类活动的产物，是人类密集居住的场所，是人类向地质体施加作用最强烈的区域之一。
　　城市地质环境是城市所在部分的地壳表层在自然条件下，依其自然规律保持着动态平衡的系统。它是具有自身特征和功能的空间，如果扰动过大，系统的平衡无法自动恢复，将产生一系列地质问题甚至地质灾害。由此定义：城市建设地质极限是城市下伏岩土体承受城市建设作用荷载能力的最大值。
　　2城市建设的荷载表达
　　2．1城市建设的直接荷载
　　2．1．1地表建筑形成的荷载
　　地表建筑形成的荷载可分为静荷载(建筑物重量)和动荷载(人类活动、风荷载、雪荷载等)两种。单体建筑或建筑群的重量是最直观的荷载施加方式，传统的地基中附加应力的定义也是由此而来。随着城市建筑高层化、密集化的趋势日益明显，建筑物荷载的强度和规模都越来越大，对地质体的应力状态的改变也越来越强。
　　2．1．2地下开挖形成的荷载
　　为了满足城市高密度人口的需要，城市正在向三维空间发展：与建筑物的高度一样深的基坑在迅速增加,有可能诱发地震和地面变形。
　　2．2城市建设的间接荷载
　　2．2．1热岛效应形成的等效荷载
　　城市人口高度集中，市区温度比郊区高，城市愈大表现愈突出。它好像温度相对低的海洋中出现一个吸收阳光而温度相对高的岛屿一样。岛屿在气象上产生的效应在城市也同样有，所以把城市在气象学上的效应称为“热岛效应”。
　　2．2．2电容器效应形成的等效荷载
　　城市污染以后空气的电阻率增加。云和地之间形成的电容器机构的电容增加就使云与地之间形成的电压差可以达到很大才放电，这样雷电就更强烈。同时高层建筑物增多，构件中的金属和电子设备越用越多，增加了直接雷击和感应雷击的可能性。巨大的电能输入地下，等同于附加应力聚集产生的变形能，即相当于外荷载对土体做功。能量储存到一定程度，将释放，有可能激发滑坡、塌陷和地震。
　　2．2．3电磁效应形成的等效荷载
　　随着城市扩大，城市上空和地下的电磁场密度和强度增加，造成了电磁场环境污染,电磁和雷击的电流一样是能量的一种存在形式。电磁场(波)产生和建筑物重量荷载一样的作用——影响岩土的结构，最终导致其中的附加应力传递分布情况改变。
　　2．2．4工业生活污染形成的等效荷栽
　　城市居民生活、工业产生的垃圾、废水、废气中所含污染物繁多，使地基土体所赋存的地下水环境变化，水土之间的物理化学平衡被破坏。随着物理化学作用的活跃，土体的物质稳定和以物质稳定为基础的土体结构、力学性质随之变化。
　　2．2．5地下水开采形成的等效荷栽
　　目前我国地下水开发程度已达40％～84％，许多城市超量开采地下水，地下水位下降，地基土体中的孔隙水压力减小，有效应力增大，是间接加荷的另一个侧面。由此，土体被压缩，地面沉降，造成建筑物倾斜、倒塌、沉陷、地下水管道破裂、海水倒灌等恶果。
　　3城市建设地质极限问题的宏观表现
　　人类在一定的区域内建立起规则、美丽的城市的同时，也埋下了导致地质环境混乱的种子。对于城市而言，地质环境可以看作一种资源，并且是不可恢复资源，如：粘土层的塑性变形、残积土的原始结构破坏等，均很难恢复。在许多发展迅速、人口稠密的大城市，地质环境资源破坏严重，处于其承载能力的边缘，直接威胁到人类的生存和可持续发展问题。
　　3．1局部地段地基变形、影响建筑物的稳定性
　　当土体作为建筑物的地基时，建筑物荷载通过基础传到地基中去。土体中产生抵抗荷载的附加应力。
　　3．2引发大面积的区域性地面沉降
　　随着大量人口向城市聚集，城市区域的人类活动加剧。城市建筑范围、建筑物的高度密度、等效荷载等引起的附加应力随之增大。相邻建筑的单体地基变形相互影响、相互叠加，在一定的地质条件下，形成大面积、区域性的地面沉降。
　　3．3激活城市下伏构造断裂。诱发地震
　　当城市荷载的规模和强度的不断增加而持续扩大土体中附加应力的影响范围时，城市建设将会影响到地壳岩体的应力状态。
　　原始地应力是由于地球的转动、其他星球的吸引以及地球内部熔融物质的作用等等因素，使地壳板块相互碰撞、挤压而在其中产生的应力。某些构造断裂处的岩体在原始地应力的作用下，可能已经临界于极限状态的边缘，已经积累了大量的应变能，而从上部传递下来的附加应力成为压垮骆驼的最后一根稻草。
　　不同地区的原始地应力相差很大，需要具体情况具体分析。
　　3．4改变地基土原有的力学特性。影响地基土与建筑物的共振特性
　　通过前文的分析，认为城市建设荷载产生的附加应力有可能诱发地震。同样，在断层错动后，所释放的能量以地震波的形式由震源通过岩土体向地面的传递过程也将因为附加应力的存在发生变化。
　　土体的力学属性既是土体固有的本性，也有可能随环境发生改变。在土体上施加荷载，土体中的孔隙空间减少，粒间距离减少，颗粒间的连结力增大，力的传递方式和力的作用效果都随之改变。那么，土体的动力特性，如土体的自振频率(地基土层的卓越周期)、地震波在其中的传递速度等，也将会随之改变。如果地震发生，地面的运动情况和地震剧烈程度必然发生变化。
　　3．5破坏城市下伏第四系孔隙含水层的储水性状,引发新的地基稳定问题
　　根据有效应力原理，城市下伏第四系孔隙含水层中地下水的渗出使其孔隙水压力减小甚至丧失，有效应力增大，颗粒骨架变形，孔隙压缩，产生地面沉降。因此，开采地下水的作用等同于地面上的外荷载，在地质体中产生了附加应力。水位降低值大则附加应力大，地面沉降量就大。在地下水位持续下降的情况下，土层长期处于压缩状态，地面呈现持续下降的趋势，影响地基稳定。据已有资料，地下水开采强度大的地区，是地下水位降落漏斗中心区，同时也是地面沉降累计量最多的地区，三者在空间位置上吻合。
　　含水层在附加应力的影响下，不仅仅是压缩变形。与此同时，孔隙含水层渗透性变差、储水量降低、三相比例变化，从而对外力的响应也将发生变化。例如：土体随着含水量的降低，可塑性降低，脆性增加，如果受到拉力的作用，更容易开裂，产生地裂缝。
　　与恒定荷载作用下的渗透固结不同，由于含水层中的水量及地下水水位受地下水开采和补给的控制，而不同时期地下水开采和补给量不同。因此，等效荷载以及它产生的附加应力、地面沉降均是时间的函数。
　　4结论
　　(1)城市建设地质极限是城市下伏岩土体承受城市建设作用荷载能力的最大值。
　　(2)城市建设等同于向城市所依附的地质体不断的施加荷载。荷载产生的附加应力在岩土体中的传递和分布，是触发地质极限的根本原因。
　　(3)附加应力来自于地质体所受到的外部荷载。从细观结构的角度来看，外部荷载并不仅仅是以建筑物的重量和地表地下开挖这样直接的方式出现的。在城市发展的进程中有很多建设行为对地质体施加了间接荷载。热岛效应、电容器效应、电磁效应、工业生活污染、地下水开采等城市建设活动，通过改变地质体的空间受力状态、物质组成、结构构造、甚至直接向地质体内输入能量，在城市下伏岩土体上施加了等效荷载，从而触发地质环境达到极限。文中详细分析了这些城市建设行为的荷载表达。
　　(4)在建筑荷载作用下，地质环境达到极限的宏观表现主要有：局部地段地基变形、影响建筑物的稳定性；引发大面积的区域性地面沉降；激活城市下伏构造断裂，诱发地震；改变地基土原有的力学特性，影响地基土与建筑物的共振特性；破坏城市下伏第四系孔隙含水层的储水性状，引发新的地基稳定问题。
　　(5)城市建设引发的地质极限问题是不容忽视的、长周期的、隐形的地质灾害问题。

《探讨城市建设中的地质问题》

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