城市地面“下沉”的原因新解及其治理方法＊

黃敦文，黃穗光

（1.汕頭市科技情報研究所，廣東 汕頭 515031；2.汕頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 汕頭 515041）

城市地面“下沉”的原因新解及其治理方法＊

黃敦文1，黃穗光2

（1.汕頭市科技情報研究所，廣東 汕頭 515031；2.汕頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 汕頭 515041）

過量抽取地下水并非造成地沉的主因，應(yīng)對密集的高樓大廈的荷載壓力方向加以甄別.對地沉原因的新解是，地面荷載壓力和地層支撐應(yīng)力較勁的結(jié)果，從而導(dǎo)出荷應(yīng)平衡理論.分析摩擦地樁荷載壓力傳遞機(jī)理，發(fā)現(xiàn)地層具有整體的支撐應(yīng)力，提出認(rèn)識這種無形應(yīng)力是有價值的自然資源.進(jìn)而研究它受壓的因應(yīng)規(guī)律，可利用它在城市地質(zhì)片區(qū)的整體中進(jìn)行調(diào)濟(jì)和配置，在防治地沉中發(fā)揮中心作用，并可從中獲得較大的資源效益.治理地沉的方向應(yīng)在于增強(qiáng)地層支撐應(yīng)力，應(yīng)用沙樁可直接和間接增強(qiáng)軟弱地質(zhì)的支撐應(yīng)力，力求使它能夠和地面不斷增荷加載的壓力取得并保持平衡狀態(tài)，就有可能保持地面永不“下沉”.

城市地面；“下沉”原因；治理

城市地面“下沉”是指整座城市或其大部分區(qū)域的海撥高度降低，其特點(diǎn)是波及范圍廣，發(fā)生緩慢，不易覺察，是不可逆的自然現(xiàn)象.它不同于突然發(fā)生的地陷，極限于點(diǎn)塊范圍之內(nèi)所造成的天坑或深潭，危害極大，治理困難.中國首次發(fā)現(xiàn)城市地面“下沉”至今已近90年，著手治理也有40多年之久，但至今仍不能治愈，成為久治不愈的頑疾，而且有越來越嚴(yán)重之勢，變成沉默的土地危機(jī).隨著新形勢的出現(xiàn)，也產(chǎn)生不小的新問題.

1 城市地面“下沉”概況

《2011—2020年全國地面沉降防治規(guī)劃》指出，目前中國遭受地面沉降災(zāi)害的城市超過50個，分布于北京、天津、河北、山西、內(nèi)蒙古等20個省區(qū)市.

中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院副院長張作辰介紹，長江三角洲、華北平原和汾渭盆地，地面累計(jì)沉降量大于200mm的分別為接近1萬km2、6.2萬km2以及7 000km2.同時全國累計(jì)地面沉降量超過200mm的地區(qū)達(dá)到7.9萬km2，并且地面沉降仍在繼續(xù)擴(kuò)大.

以上海為例，自從1921年發(fā)現(xiàn)地面下沉以來，沉降面積達(dá)到1 000km2，最大地段達(dá)到2.6m［1］.據(jù)中科院院士鄭時齡教授說，沉降速度平均每年下沉1cm［1］，這個數(shù)據(jù)應(yīng)該是以海平面基點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)比較計(jì)算的，因?yàn)閹r基是近幾年來才建立的.而海平面基標(biāo)也有變化上升.近30年來，中國沿海海平面總體上升9 cm，［2］上海是12cm［3］，平均每年上升4mm.可見上海地面“下沉”是有相對和絕對二重意思的不同，“下沉”1cm是相對的，它包括海平面上升4mm在內(nèi)，絕對的意思是將海平面上升的數(shù)量剔除.區(qū)分相對和絕對的意義在于：論危害來說是相同的，但論治理來說就不同了.因?yàn)樵虿煌?，絕對“下沉”是當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)狀況，用地下水限抽、回灌等措施來控制，而海平面上升卻是不能治理的，只有加高堤圍來提防.分析以上數(shù)據(jù)可見，上海地面“下沉”，其中40%是來自海平面上升，只有60%才是地面實(shí)際下沉的數(shù)量，這對治理措施的采取和治理效果的衡量才比較切合實(shí)際.1990年代建立巖基標(biāo)［3］.以巖基基點(diǎn)為標(biāo)桿來監(jiān)測，就沒有此問題了.這是指沿海城市而言，至于內(nèi)陸的城市地面“下沉”，沒有海平面升高的影響，雖然它以海拔高程測算，不同時期的海平面也有不同，但其危害是相同，也可忽略不計(jì).

至2007年，全國有70多個城市地面“下沉”，“沉降”面積達(dá)6.4萬km2，“沉降”中心最大超過2m的有天津、太原、西安等城市［1］.

有關(guān)部門監(jiān)測表明，北京地面以每年10～20mm的速度下沉，到2006年，“沉降”面積達(dá)800km2，中心區(qū)最大“沉降”已近800mm.江蘇省的蘇、錫、常地區(qū)，沉降面積達(dá)5 700km2，約占平原面積的50%，沉降中心最大沉降2.8m.在國外的日本地面下沉日趨嚴(yán)重，據(jù)日本環(huán)境科學(xué)省官員介紹，日本已有61個地區(qū)發(fā)現(xiàn)地面“沉降”，“沉降”面積超過日本可居住面積的12%，1 100km2的地面標(biāo)高處于海平面以下，“下沉”顯著地區(qū)屬于平原或沼澤地貌，主要存在于城市和人口密集的工業(yè)區(qū)，被稱為軟弱地區(qū)［4］.

因?yàn)榈鼗跋鲁痢?，會造成樓房墻壁開裂，因?yàn)楹芨叨冉档停瑫沟孛媾潘щy，內(nèi)澇加重，污水積聚水質(zhì)惡化，沿海地區(qū)會因漲潮使海水倒灌，產(chǎn)生咸害.因?yàn)樾虑闆r產(chǎn)生新問題會造成新咸害：地下管道、線網(wǎng)增多和密布，會因?yàn)榈孛妗跋鲁痢钡刭|(zhì)變化而造成損毀破壞，測量水準(zhǔn)點(diǎn)失準(zhǔn)而降低建筑物抗震能力，高樓發(fā)生微斜，甚至建筑物倒塌等.

2 城市地面“下沉”診斷的辨析和治理評效

（1）國內(nèi)外專家業(yè)界對地面“下沉”的診治概況.中科院院士林學(xué)鈺介紹，“過量抽取地下水，城市不合理的建設(shè)是當(dāng)前產(chǎn)生地面“沉降”的主要原因［1］.上海地質(zhì)調(diào)查研究院研究表明，上海地面沉降有30%來自高層建筑和重大工程項(xiàng)目本身的影響，其余70%則要?dú)w因于城市地下水的過份開采.清華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系教授許保玖認(rèn)為，此項(xiàng)研究很可信［5］.以上對地面“下沉”診斷，是至今為止的主流觀點(diǎn).但也強(qiáng)調(diào)另一種觀點(diǎn)，那就是中科院院士同濟(jì)大學(xué)建筑與城市空間研究所教授鄭時齡認(rèn)為，上?！跋鲁痢惫指邩谴蠖啵?］.

2種診斷給出2種處方療治，前一種是對抽取地下水加以限制，抽用者必須同量回灌補(bǔ)償，日本人還加上立法控制.在1956年和1962年就分別制訂并實(shí)施了《工業(yè)用水法》和《建筑用地下水關(guān)聯(lián)法》［4］.而對后者，據(jù)了解，上海規(guī)劃工作會議討論限制建筑物高度問題.后見在限高限密上規(guī)定，新建樓凡住宅容積率超過2.5，商辦容積率超過4的項(xiàng)目，都要加以整改［3］.

（2）地面“下沉”治理效果分析.上海自從1965年起就開始處理過度開采地下水問題，從原來每年抽取2 000萬m3／a減少到2007年800萬m3／a，減少了1 200m3／a.采取這一措施進(jìn)行治理之后，地面“下沉”據(jù)說得到一定的遏制，但這是不是驗(yàn)方，對癥下藥病就治好了，實(shí)踐的回答是否定的.自20世紀(jì)90年代之后，上海高樓越建越多，地面不堪負(fù)荷，陸地“沉降”日益嚴(yán)重，因而也就出現(xiàn)了怪大樓建得太多之說.地面“下沉”變成久治不愈的頑疾，而且出現(xiàn)越來越嚴(yán)重的土地危機(jī).因此，必須對原來的診斷進(jìn)行反思和分析.本研究試用容積替代法來分析，1965年抽取地下水最大量是2 000萬m3，到2007年最小量是800萬m3，按最大量和最小量取簡單平均數(shù)是1 400萬m3／a.這對于下沉區(qū)域達(dá)到1 000km2面積來說，平均數(shù)是0.014m3／m2（相當(dāng)于14kg），也即14mm厚度的水層.而從地面下沉的厚度看，近幾十年平均是10mm／a扣除4mm／a，是由于海平面升高所致，實(shí)際下沉只有6mm／a.上海地研院研究因地下水過分開采影響地面下沉占70%，則只有4.2mm／a，占被抽走的地下水容積14mm厚水層的30%.換言之，在被抽走地下水之后空出來的容積有30%被地層沉實(shí)所占，70%的容積和地沉無關(guān).這是以平均數(shù)的單年分析，再從最小抽取量的單年分析來看，最小抽取量是800萬m3，平均數(shù)是0.008m3／m2，即相當(dāng)于8mm厚度的水層.而實(shí)際下沉4.2mm，占這8mm水層厚度也就是52.5%，也就是說近半（47.5%）抽取地下水和地面下沉無關(guān).再從總量來分析，由于抽取地下水過量而致地面下沉每年實(shí)沉4.2mm，40年是168 mm，而抽取地下水的量每年平均是14mm，按靜態(tài)疊加，40年就是560mm.地面沉實(shí)沉降可以疊加而且也是不可逆的，而地下水每平抽取量容積是不能疊加，因?yàn)樗皇庆o態(tài)均勻分布的，而是有地下潛流水路支持的.上海地下的潛流水被抽走，外地的地下水會由潛流水路流來補(bǔ)充，如果不抽不減，或者抽后回灌，也就會將潛流堵截住，維持原來的平衡而減少流入補(bǔ)充之?dāng)?shù)量.當(dāng)然如遇干旱等特殊情況，因下滲少和源流少，地下水也有枯竭的時候，此種情況下控抽和回灌就會起作用，但是在此情況下卻是水貴如油的救急時候，不得不抽，要回灌也得等待下雨天氣才有水源.就是按1965年抽取2 000萬m3／a的數(shù)量來說，平均也只不過是0.02m3／m2即每平方米面積有20kg的水，而這每平方米面積的地層厚度有幾十米之深，就按10m深體積計(jì)，平均也只不過是2‰的持水率，按此法平均計(jì)算是微不足道的.因?yàn)榈叵滤膶?shí)際分布和儲存不是平均分布的，它是存在有潛流流域的地區(qū)，是某些局部而非全局.抽與控抽地下水對于地面“下沉”的影響也只限于這些地區(qū)，而非全部，治理的效果也只能體現(xiàn)在這個有影響的地區(qū).由此看來，將地下水當(dāng)成地面“下沉”的全局性問題診治，似有以局部當(dāng)全局之誤，以偏概全之嫌.上海市自從1965年就采用限制地下水過量抽取來控制地面下沉據(jù)說取得一定的效果.但是不要忘記，在1965年之后的20多年，上海也和全國一樣，社會經(jīng)濟(jì)和城市建設(shè)是處在緩慢發(fā)展期，樓層高度和樓群密度是在其地下承壓支撐能力范圍之內(nèi).地面建設(shè)所增加的負(fù)重壓力并沒有超過其支撐應(yīng)力的范圍，即在較低水平上取得了暫時的平衡.但是到了90年代，城市建設(shè)加快，地面荷重的壓力增加，打破了低水平的平衡，問題就暴露了.而對高、大、密集的建筑產(chǎn)生的巨大壓力，靠原來軟弱的支撐應(yīng)力是承受不了的，這就是控抽地下水也阻止不了地面“下沉”的原因.

3 地下水已非造成地面“下沉”的主要原因

從地面下沉的歷史來看，中國最早發(fā)現(xiàn)地面下沉是上海在1921年就發(fā)現(xiàn)，但當(dāng)時利用地下水的能力是打井吊水，并未有推廣使用高揚(yáng)程機(jī)械抽水，用量有限，不致引起地面下沉.其下沉原因是中國最早進(jìn)入有高樓大廈為標(biāo)志的現(xiàn)代化城市建設(shè)，加大地面負(fù)重所致.而在華比平原，許多地方靠抽地下水灌溉農(nóng)田，用量很多，但也不見地面下沉，因?yàn)榈孛媸寝r(nóng)田，農(nóng)作物并無多大壓力，所以就不“下沉”.發(fā)生地面“下沉”多是在平原沖積土土層深厚的城市，在丘陵山地地質(zhì)堅(jiān)實(shí)，大樓建設(shè)再高再重也不“下沉”.就是在平原沖積土地區(qū)，經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)的小縣城鎮(zhèn)，高樓建設(shè)不多，地面負(fù)重不大，也不會“沉降”.由此可見，地面是否“下沉”，是地面荷載的壓力和地下受壓支撐的應(yīng)力較勁的結(jié)果.荷應(yīng)失衡，荷載壓力大于支撐應(yīng)力就必然“下沉”.正如鄭時齡所說的不堪重負(fù)的結(jié)果.

4 地面“下沉”的支撐應(yīng)力剖析及其機(jī)理

發(fā)生地面“下沉”城市所處的沖積平原地質(zhì)的特點(diǎn)是深厚、疏松、爛軟，沙土質(zhì)的有一定顆粒間隙的孔隙度，由空氣或水分充填，粘土質(zhì)的顆粒微小成粉狀吸水溶解成泥漿或粘軟泥狀而膨脹，擴(kuò)大體積占據(jù)了空間，沖積平原是由這些成份組成的土層軟弱疏松不實(shí)，沙、土層受壓密實(shí)而縮小體積，猶如松羔被壓成年羔.粘土層受壓會滑溜移動，它們的荷載的支撐力較差，在沒有地下水因素影響荷載過重，也會引致地面“下沉”.地下水也是地面支撐應(yīng)力的一個因素，但它會流動，有潛流流路相通，并不像密封狀態(tài)之下會產(chǎn)生壓力反彈.地下水存留于地層孔隙之間的空間，當(dāng)?shù)孛婧奢d的壓力加大，會被擠走，其所占據(jù)的孔隙空間被慢慢壓實(shí)的土層所代替，地面再加重壓，就是處在比較硬實(shí)的基礎(chǔ)之上.地下水若是強(qiáng)行保持參與加強(qiáng)地層支撐應(yīng)力，來對付不斷加大的地面壓力，是使地面荷載的建筑物處于不夠硬實(shí)穩(wěn)固的基礎(chǔ)之上，也制止不住地面的下沉.地下水抽取影響地面“下沉”之所以構(gòu)成至今的主流理論，是有一定的科研模型試驗(yàn)［7］.但模型試驗(yàn)是設(shè)定條件的某種因素試驗(yàn)，和受各種因素綜合影響的現(xiàn)實(shí)條件是有差異的，試驗(yàn)結(jié)果只能說明其設(shè)定條件，難以說明復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)情況.就是能夠完全模擬現(xiàn)實(shí)地下水情況（事實(shí)是不可能的），也只能說明那些條件相同的局部地區(qū)，靠此類模型試驗(yàn)來支持地下水影響地沉的主流說是不成立的.為了剖析地面整體荷載壓力，便于測試和比較，先將地面容積率壓力轉(zhuǎn)化成可衡量的壓力強(qiáng)度，以容積率1，即1層樓建筑物的荷載重量，包括構(gòu)筑物自身的重量和裝藏物估算重量，以及地基基礎(chǔ)處理平攤的重量，共同構(gòu)成對地層的壓力，除以它所占的面積，求出單位面積的壓力強(qiáng)度.這是以單座1層樓計(jì)算的.而城市的樓層，則是在1層的基礎(chǔ)上疊加，以疊加層數(shù)的建筑面積除以所占面積包括樓座間距和道路等計(jì)算其容積率.上海市在新建樓限高限密中規(guī)定，住宅容積率為2.5，商辦為4.將這個數(shù)量指標(biāo)作為滿荷不沉的臨界點(diǎn)，推算地面荷載壓力和地下支撐應(yīng)力的平衡點(diǎn)，試算如下：以100m2的10層小樓為例，平均每層所需柱梁、框架、樓板等混凝土構(gòu)件，以及墻體，地板等材料，測估其體積為5m3，平均比重按2.5計(jì)重量，則為5×2.5＝12.5t，其裝藏負(fù)荷以增加60%計(jì)，則125×160%＝200t，平均壓強(qiáng)是2t／m2.這是對單體而言.而對片區(qū)來說，按上海住宅容積率是2.5，片區(qū)的壓強(qiáng)是5t／m2.將這個指標(biāo)作為滿荷下沉的平衡點(diǎn)，或稱荷載壓力與應(yīng)力的平衡點(diǎn).這只是一種假設(shè)，事實(shí)并非盡同.因?yàn)檫@僅是從荷載的限壓減壓上考慮，而對其地下的支撐應(yīng)力并無了解，也未詳勘查，但有了這個數(shù)據(jù)指標(biāo)，可以它為據(jù)進(jìn)行測試和勘查.對未建的高樓來說，就可以它為中心進(jìn)行加減量的試壓，并從結(jié)果中選優(yōu)；對于已建的樓宇來說，可查考它的設(shè)計(jì)荷載和實(shí)用結(jié)果是否沉降，找到片區(qū)滿菏不沉的最佳平衡點(diǎn).建筑地基荷載力試壓，早已成為建筑實(shí)施的前提程序，在建筑界早已實(shí)行，但這多是以單體設(shè)計(jì)服務(wù)的，對片區(qū)整體卻是未聞.現(xiàn)在幾十米深的沖積土層，建設(shè)10層左右的多層樓群，其地樁大多沒有打到巖質(zhì)硬基，而是采用摩擦樁加基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，把橫向摩擦力轉(zhuǎn)化為縱向的荷載壓力，因此可以將它視為整個建筑群體對整個地層的總壓力，稱為整體壓強(qiáng).分析整片地層所荷載的總壓力，猶如一艘大輪船的載量，載的越多，吃水越深，超出它的排水量深度，就要沉沒，地面之所以“下沉”，也就是這個整體壓力超過其整個支撐應(yīng)力所致.分析片區(qū)整體荷載總壓力，反映出其地層的支撐應(yīng)力，可為建筑物荷載設(shè)限提供依據(jù)更科學(xué)，也可指導(dǎo)功能片區(qū)的配置更合理的使用地質(zhì)應(yīng)力.

5 地面“下沉”防治方法

由于沖積平原地區(qū)土層深厚，組成成份復(fù)雜，要防治地面“下沉”，必須在摸清地質(zhì)情況的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同情況，采取針對性措施.

（1）根據(jù)片區(qū)整體地質(zhì)支撐應(yīng)力，配置、調(diào)濟(jì)不同荷載壓力要求的功能項(xiàng)目.城市的發(fā)展逐步趨向功能區(qū)分開，而不同功能區(qū)對地面荷載的壓力是不同的，甚至有很大差距.例如公園廣場、學(xué)校、道路、綠地，它們對地面荷載壓力很小，甚至趨于0，而住宅、商辦大樓，則荷載壓力要求很高.而地下的支撐應(yīng)力，不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力也有很大差異，若能將它們的應(yīng)力在勘測試壓的基礎(chǔ)上進(jìn)行分級，再比對功能區(qū)對荷載壓力的要求，進(jìn)行對等的配置，將荷載力要求高的規(guī)劃配置到應(yīng)力強(qiáng)的片區(qū)，將荷載壓力要求低的功能區(qū)，配置到應(yīng)力弱的地段，這就可以節(jié)省許多地基處理的費(fèi)用.但是提高地面容積率是形勢發(fā)展的要求，更多地是高荷載、超重超壓的功能片區(qū)，對此可在其片區(qū)之內(nèi)規(guī)則配置低壓的項(xiàng)目，諸如學(xué)校、會堂、廣場、綠地之類項(xiàng)目，使片區(qū)整體不會超壓過重.此外，在同一片區(qū)之中規(guī)劃安排幾處能將地樁直接打到巖質(zhì)硬基的摩天大樓等高大建筑，也可將荷載壓力分流，減少該片區(qū)的整體壓力，即從因荷載超壓導(dǎo)致地沉中減源.但對于沒有將地樁打到巖質(zhì)硬基的摩天大樓，則是對片區(qū)整體壓力的增荷加載，需列入限制容積率之列.畢竟摩天大樓能將重壓直傳至硬基者數(shù)量較少，難以達(dá)到分流減荷，則可選擇2種情況，倡導(dǎo)使用：某些地質(zhì)土層離巖基不太遠(yuǎn)，或者某些次等的摩天高樓，原設(shè)計(jì)不需將地樁打到巖基者提倡用沙樁加長駁接，實(shí)際是將硬基用沙樁抬高這種用沙樁墊底的地樁，可能起到柔性硬基的作用，它相對于剛性的巖質(zhì)硬基，有較好的彈性，對消減地震振波的傳遞可能也有防震作用.要做到在片區(qū)的整體上減荷、調(diào)荷而防治地面“下沉”，首先是要找出一個減調(diào)的標(biāo)準(zhǔn)，作為地面負(fù)載能力滿荷和“不沉”的標(biāo)準(zhǔn).新開發(fā)片區(qū)將建筑界所用的事先測試單座地面荷載壓力的方法移用擴(kuò)大到整片同類地質(zhì)條件下測試找出荷應(yīng)關(guān)系中的最佳點(diǎn).在已建的老城區(qū)，找出不同沉降程度的樓宇進(jìn)行勘查，同樣找出荷應(yīng)關(guān)系的最佳點(diǎn)，然后推算同類地質(zhì)條件整個片區(qū)的最佳點(diǎn).所謂最佳點(diǎn)即荷載最多而“沉降”最小的匯合交叉點(diǎn)，以此制定標(biāo)準(zhǔn)設(shè)檻.作為地面荷載限高限密的科學(xué)依據(jù)，也可作為舊城治理調(diào)整的參數(shù).上述措施是從荷載的減少和調(diào)濟(jì)中對片區(qū)整體壓力減源，但離解決問題尚遠(yuǎn)，還需從增強(qiáng)地層支撐應(yīng)力上找辦法.

（2）增強(qiáng)地層支撐應(yīng)力的方法.要治理因建設(shè)日益加大壓力而引起的地面“下沉”，其根本的出路在于加強(qiáng)地層的支撐應(yīng)力，使支撐應(yīng)力不小于所承載的壓力，促成它們之間形成平衡狀態(tài)，或者是接近平衡狀態(tài)，就能維持地面不致下沉，至少會減低“下沉”的速度，辦法就是用沙子、打沙樁［8］.分析沙樁功能效用，發(fā)現(xiàn)它有承擔(dān)此一重任的能力.因此提出了使用方法的幾點(diǎn)構(gòu)想如下：（a）沙樁的功能效用.近20～30年來，建筑界在打地樁技術(shù)上有了長足發(fā)展，其中主要的一條是發(fā)明了旋轉(zhuǎn)打樁機(jī)，它可將樁孔打大，達(dá)1.5m直徑，來灌注大型地樁，為沙樁的推廣應(yīng)用創(chuàng)造了條件，為地基處理開拓了寬闊道路.沙樁的功能特點(diǎn)是在干沙灌注進(jìn)樁孔后，能吸收周圍粘軟泥漿層中的水份，使干沙變成濕沙，濕沙固結(jié)力強(qiáng)而硬實(shí)，又能將在其周圍爛泥的土層中的水份吸收過來，促進(jìn)爛軟土層固結(jié)固化，反而增加對沙樁的嵌護(hù)力.沙樁還對爛軟土層受壓滑溜移動，有強(qiáng)力的阻隔和限制，因而它是處理軟弱地基的好辦法.所以它已在建筑界中推廣應(yīng)用，但只限在單項(xiàng)工程中應(yīng)用.根據(jù)它的功能效用，完全可以將它移植到城市防治地面下沉的宏觀領(lǐng)域中應(yīng)用，這就是本研究所著眼的重點(diǎn).（b）利用沙樁防治城市地面“下沉”設(shè)計(jì)的構(gòu)想.利用沙樁防治城市地面“下沉”的原理，總方針是增強(qiáng)支撐應(yīng)力，將原來爛軟地質(zhì)的支撐力從軟變硬，一是直接支撐，接受地面壓力；二是間接支撐，阻隔地下水流動而產(chǎn)生的空間，也阻隔爛軟泥層因受壓力而滑溜移動，使其限制在一定空間，在受壓時會產(chǎn)生反彈壓力，就是在某些地段的地下水盈滿，也只是滲溢；三是它和地下水、爛軟泥層之間相互結(jié)合會產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)而促使支撐力增強(qiáng).至于如何應(yīng)用問題，對于新建城市或是老城市規(guī)劃發(fā)展新片區(qū)來說，在鉆探摸清地質(zhì)情況的基礎(chǔ)上，對連片爛軟地層片區(qū)，要按一定的行列距打下大直徑的沙樁，把爛軟地層格成各個小方格，沙樁要打到巖基硬地，把爛軟地層分別固定，不讓它受壓滑動，也減少它受震而溶化軟化于地下水中，減少溶化而增大的體積.至于沙樁的行列距及樁距多少、小方格大小，要根據(jù)爛軟地層深度的爛軟程度而定.也可結(jié)合道路規(guī)劃作為路基奠基，也可結(jié)合方格內(nèi)高大建筑區(qū)位安排打沙樁，使這種沙樁能起到公私兼用，即對單座建筑的地基和市政設(shè)施都有用.

6 城市地面“下沉”防治的社會經(jīng)濟(jì)問題分析

隨著經(jīng)濟(jì)、社會的發(fā)展，城市建設(shè)也快速發(fā)展，對自然資源的利用，也到了空前的廣度、高度和深度，因而也暴露了不少的新矛盾和新問題，從地面到地下，從空間到空中，都在知識、科技、管理、法規(guī)等領(lǐng)域提出挑戰(zhàn)，其特點(diǎn)是突破了傳統(tǒng)的單挑獨(dú)戰(zhàn)，以交叉綜合的形式表現(xiàn).建立在沖積平原的城市地面“下沉”是交織著諸多矛盾的綜合表現(xiàn)，單靠某一行業(yè)的專門知識，專家是難以應(yīng)付，用一種措施、一刀切的方法，不單舊癥不能治愈，還會制造出新的矛盾，產(chǎn)生新問題.

（1）新的資源觀.在對自然資源的開發(fā)利用過程中，產(chǎn)生正面效益的同時，也會產(chǎn)生負(fù)面的影響，在小項(xiàng)目小范圍內(nèi)的開發(fā)利用，厲害得失在同一主體之內(nèi)，他會權(quán)衡利弊進(jìn)行取捨，不會形成社會矛盾，而作為重大項(xiàng)目的開發(fā)利用，或是開發(fā)之后的厲害得失并非同一主體，有人得利，有人受害，社會矛盾也就產(chǎn)生了.

（2）地層荷載應(yīng)力是一種公共自然資源.地層應(yīng)力作為一種自然資源，它存在于沖積平原的地層之中，是整個片區(qū)連成一體，不因?yàn)榈仄け砻娣重锥蛛x.這種資源是因?yàn)榈孛娓邩墙ㄔO(shè)，荷載超重受壓而致地面“下沉”才被發(fā)現(xiàn)，從而也了解到其支撐應(yīng)力的極限.正像大郵輪上的排水量和吃水深度，當(dāng)輪船上的乘客和載重量很小時，對其吃水深度沒有多大影響時，乘客并無感覺，乘客你帶多重的行李貨物，并不計(jì)較，因?yàn)樗⒉宦噬娴剿税踩?當(dāng)它接受了一個大貨主的乘客，貨物的重量接近其排水量，致使輪船有沉沒的危險時，乘客才感知自己的利益受到牽連.城市地面荷載超重致使地面“下沉”，也是相同的道理，地上的居民也開始感知，同片地段的地下支撐應(yīng)力，對它的開發(fā)利用，有自己厲害得失相關(guān)的權(quán)利.因此對地面“下沉”的防治，應(yīng)作為本地的社會經(jīng)濟(jì)問題，在科技方面弄清地質(zhì)結(jié)構(gòu)，地下水潛流流域?qū)Ρ镜囟蔚挠绊懙某潭纫彩侵匾?強(qiáng)調(diào)它首先應(yīng)屬本地的社會經(jīng)濟(jì)問題進(jìn)行治理，是因?yàn)榇饲暗脑\治被誤診為地下水，是全局問題，應(yīng)由政府包攬買單，導(dǎo)致防治走入歧途而成頑疾難治.而作為社會經(jīng)濟(jì)問題進(jìn)行治理，就要講究獲益和成本合理分?jǐn)偤推ヅ洌翊畲丝鸵I票，多帶超重的行李要多付運(yùn)費(fèi)一樣公平.

（3）地下水利用的社會經(jīng)濟(jì)問題.地下水作為一種自然資源，為人們的生產(chǎn)生活提供需要，人們在開發(fā)利用地下水時，也和開發(fā)其他自然資源一樣，在給人們帶來經(jīng)濟(jì)效益的同時，會產(chǎn)生一些副作用的負(fù)面影響，在城市地面“下沉”并產(chǎn)生危害時，其禍因多被指向地下水的過度開采.究竟對地下水開采的利弊如何，也需考究一番.現(xiàn)仍以上海為例分析，從1965年起，40年平均采集量1 400萬m3／a.根據(jù)對上海40多年沉降歷史的研究，地面沉降造成的經(jīng)濟(jì)損失已達(dá)1 000億元，也意味著地面平均每沉降1mm，損失達(dá)1 000萬元［1］.和上述抽水量比對，40年共抽取地下水5.6億m3，計(jì)算每抽取1m3地下水所損失的代價：在1 000億元損失之中，是地沉的總量，必須剔除因海平面升高占40%，實(shí)際600億，再因?yàn)楦邩墙ǖ锰喽碌爻恋膿?dān)責(zé)30%剔除180億，實(shí)存420億元.420億元÷560億m3＝0.75元／m3.若將文中所論述的和抽取地下水與地沉無關(guān)的70%剔除，僅存30%的168億m3來承擔(dān)420億元損失的代價，平均也是2.5元／m3.這是抽取地下水使用者應(yīng)增加的成本.此種成本需要支付，就要考慮投入產(chǎn)出和利潤收益，或用其他方法對比擇優(yōu)而行.無償使用實(shí)際上是將損失的代價轉(zhuǎn)嫁由社會公共負(fù)擔(dān).地下水作為公共資源的價值效用具有多元性，也需要從多元權(quán)衡，不能只從一方的利害得失取舍決策，需要社會經(jīng)濟(jì)學(xué)思想?yún)⑴c的全面研究，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行科學(xué)決策，才能消減顧此失彼的弊端.

7 結(jié)語

（1）對城市地面“下沉”的因果分析發(fā)現(xiàn)，對地沉的權(quán)威診治，與實(shí)際有些距離：“下沉”量的多少，沿海城市地面“下沉”量有相對和絕對之分.以上海為例，幾十年平均得出“下沉”量是10mm／a，其中包括同期海平面上升4mm／a，剔除后的絕對“下沉”量是6mm／a；地沉的原因首指是地下水抽取過量，以上海為例據(jù)多年平均地下水抽取量，分析它和地沉量的關(guān)系，用容積替換法分析得出，在平均每年地下水抽取量中，僅有30%和地沉有關(guān)，70%和地沉無關(guān).因?yàn)榈叵滤阅鼙淮罅砍槿。怯袧摿魉垂?yīng).對地沉有影響的，也只局限于有潛流流域的局部地區(qū).

（2）地沉的第2個主因是怪高樓建得太多，這也有不準(zhǔn)之處.在高大樓群中，某些摩天大廈等高大建筑物，其荷載是靠加長地樁直達(dá)巖質(zhì)硬基，將壓力垂直直接壓在硬基上，不會加大地層的壓力，和地面“下沉”并無關(guān)系.大樓建多影響到地面“下沉”的原因，不單體現(xiàn)在其單體地下土層被壓實(shí)，更主要的是體現(xiàn)在大量使用的摩擦樁，用摩擦力把橫向壓力轉(zhuǎn)換成垂直壓力壓在整片的地層中，加大整體的荷載重力.

（3）地面“下沉”的機(jī)制性原因，是地上荷載壓力和地層支撐應(yīng)力較勁的結(jié)果.當(dāng)荷應(yīng)平衡時“下沉”就不會發(fā)生；荷應(yīng)失衡，荷載壓力大于支撐應(yīng)力，就發(fā)生地面“下沉”.地面壓力和地下應(yīng)力的關(guān)系，有一定的規(guī)律可尋，故可將它總結(jié)成為荷應(yīng)平衡理論.

（4）在荷應(yīng)平衡理論中的地層整體支撐應(yīng)力，是因?yàn)楹奢d超壓導(dǎo)致地沉才被發(fā)現(xiàn)和認(rèn)識的，是看不見摸不著的，是很有價值的公共自然資源，分析研究它的特性，是對地面“下沉”科學(xué)診治的知識基礎(chǔ).

（5）根據(jù)荷應(yīng)平衡理論和地層支撐應(yīng)力原理，防治地沉必分層級，以求不同層級的平衡.要明確不同層級，必先勘查，測試不同地質(zhì)條件荷載能力的重力量化標(biāo)準(zhǔn)，求出不同層級，土層接近滿荷而又不致“下沉”的臨界值，充分利用地質(zhì)條件的地層支撐應(yīng)力資源，以達(dá)到永久平衡而不沉的目標(biāo)，這應(yīng)成為治理地沉的方針.在“治沉”中不分層次的劃定限荷標(biāo)準(zhǔn)，對應(yīng)力強(qiáng)的地質(zhì)可能因不滿荷而浪費(fèi)資源.對軟弱地區(qū)應(yīng)力弱，還會繼續(xù)下沉而治不了.以適應(yīng)應(yīng)力限荷求平衡，是屬低層次平衡，以加強(qiáng)支撐應(yīng)力，適應(yīng)增荷加壓要求所求得的平衡才是高層次平衡.

（6）加強(qiáng)地下支撐應(yīng)力的辦法是沙樁，把沙樁在建筑界的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中單項(xiàng)建設(shè)的應(yīng)用，移植擴(kuò)大到城市，片區(qū)防治地沉的整體應(yīng)用.防沉設(shè)計(jì)的構(gòu)想有2個方面：一是用大直徑的沙樁套接駁接地樁直達(dá)巖基，將高大建筑物荷載的壓力垂直傳遞到巖質(zhì)硬基，替代摩擦地樁橫向傳遞的壓力，從地沉因源上分流荷載壓力，也構(gòu)建成一種人造的柔質(zhì)硬基，這對消減地震振波也有很好的防震作用.二是將軟弱地質(zhì)分片分段分塊隔開，將其鎖定在小范圍之內(nèi)，以防爛軟泥層因受壓而滑溜移動.增強(qiáng)爛軟泥層的固結(jié)力和反彈力.形成壓實(shí)底線，即沉到一定的密實(shí)度就不再下沉了.

（7）地層支撐應(yīng)力是一種有價值的自然資源，在治理地沉中開發(fā)利用的方向是將它量化參予到地價的評估與交易進(jìn)行無償劃撥調(diào)濟(jì)，或者有償轉(zhuǎn)讓買賣，可作為防沉措施劃定等級的指標(biāo)，在軟弱地區(qū)進(jìn)行基礎(chǔ)建設(shè)，以提高土地資源價值.

（8）地下水作為一種公共自然資源的價值效用具有多元性，對它的保持維護(hù)或者開發(fā)利用，不但有效益大小之分，也有效應(yīng)正負(fù)之別.它在不同領(lǐng)域的不同體現(xiàn)，也潛藏著一定的社會問題.不論是維護(hù)保護(hù)或者是開發(fā)利用，都要追求效益，求正避負(fù)，就大棄小，而且要以從全局的角度為標(biāo)準(zhǔn)，劃界定策.故此就需要進(jìn)行社會經(jīng)濟(jì)的全面研究，弄清它對各個領(lǐng)域利害得失的范圍和大小.這也對地下水潛流流域分布圖有很大的期望.總之，徹底治理地面“下沉”，都需要較全面的基礎(chǔ)研究，提供正確決策的科學(xué)依據(jù).

［1］王秉杰.全國70多個城市地面沉降2006年上?！跋鲁痢?.5mm ［EB／OL］.［2007－02－12］.http：／／news.qq.com／a／20070212／002186.htm.

［2］羅 沙.我國海平面上升速率高于全球水平并加劇海洋災(zāi)害 ［EB／OL］.［2011－04－20］.http：／／news.xinhuanet.com／society／2011－04／20／c＿121327844.htm.

［3］陳抒怡.上海地面沉降放緩 百年后仍適合人類居住 ［EB／OL］.［2007－11－22］.http：／／news.qq.com／a／20071122／000915.htm.

［4］王新玲.日本人是怎樣治理地面下沉 ［EB／OL］.［2012－02－16］.http：／／www people.com.cn／GB／guoji／209／3983／4004／4006／2304623html.

［5］李宏偉.上海下沉怪高樓太多上海很可能“下海”［EB／OL］.［2008－05－30］.http：／／www.chinacitywater.org／zwdt／swyw／28343.shtml.

［6］鄭時齡.上海下沉怪高樓太多 ［J］.安全與健康，2004（1）：12.

［7］趙 慧，錢 會，李 淵，等.抽水和荷載雙重作用下的地面沉降模型 ［J］.地球科學(xué)與環(huán)境學(xué)報，2008，30（1）：57－59.

［8］汪 靜，石 勇，趙 偉，等.最美“外灘”景觀明年初現(xiàn) ［EB／OL］.［2008－11－18］.http：／／www.qzwb.com.

Explanation for and Treatment of Urban Ground Subsidence

HUANG Dun－wen1，Huang Sui－guang2
（1.Insitute of Science and Technology Information，Shantou City，Shantou 515031，Guangdong China；2.Shantou Polytechnic College，Shanto 515041，Guangdong China）

Excessive extraction of groundwater is not the main cause for ground subsidence.The direction of the load pressure of dense high－rises must be taken into consideration.In this paper，a new explanation for the cause is proposed ground load and the ground support，which leads to load－support balance theory.Through the analysis of friction pile load pressure transfer mechanism，it is found that the ground has overall support stress，which is a valuable natural resourece.Applied in geological adjustment，the support stress can play a central role in the prevention of ground subsidence in the urban area.To prevent subsidence，it is necessary to increase the support stress of the ground，which can be achived by using sand pile.The sand pile must maintain a balanced state between the ground and the increased pressure，and thus it is possible to prevent subsidence.

urban ground；subsidence；reason；treatment

TU746.3

A

10.3969／j.issn.1007－2985.2012.03.013

1007－2985（2012）03－0050－07

2012－02－11

黃敦文（1936－），男，廣東汕頭人，汕頭市科技情報研究所副研究員，主要從事地沉方面研究；黃穗光（1966－），男，廣東汕頭人，汕頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，經(jīng)濟(jì)師，經(jīng)濟(jì)學(xué)碩士，主要從事地沉方面研究.