南水北调前后北京平原区地下水和地面沉降演变特征

超量开采地下水引发的地面沉降已成为制约北京区域社会经济可持续发展的重要因素之一。2014年12月,南水北调中线工程正式通水,每年向北京输水超过10×108 m3,改变了北京供水格局,也为地下水压采、涵养及控制地面沉降创造了条件。本文利用多种监测数据,分析南水进京前后,北京平原区地下水和地面沉降的变化;研究不同水位变化模式下不同岩性及深度土层的变形特征;计算土层不同变形阶段的弹性和非弹性储水率;并对黏性土层产生较大残余变形和滞后变形的原因进行了探讨。结果表明：① 2015～2020年,平原区大部分地区第一至第四含水层组地下水位逐渐上升,地面沉降呈减缓的趋势。② 第二和第三压缩层组是沉降主要贡献层,除平各庄和榆垡站外,其余各站第三压缩层组沉降占比逐渐增大,沉降主控层有向深部转移的规律。③ 平原区北部和东部,第二和第三压缩层组对应的地下水位由降转升。在水位下降阶段,土层呈塑性和蠕变变形;水位上升阶段,土层以塑性变形为主,部分时间出现弹性变形,具有黏弹塑性。平原区南部,地下水位始终持续下降,土层变形始终呈塑性和蠕变变形。含水砂层则主要呈弹性变形。④ 土层变形的不同阶段,弹性和非弹性储水率并不是恒定的,随着地下水位下降,储水率呈减小的趋势。⑤ 黏性土层存在较大残余变形和变形滞后的原因,一是非弹性储水率大于弹性储水率,二是黏性土层的弱渗透性。     

天津滨海地区晚新生代地层自然固结与地面沉降研究

天津滨海地区地处渤海湾西岸,晚新生代沉积了巨厚的松散沉积物。地下水位下降、地层自然固结、地表载荷的加速增长等复合因素造成了严重的地面沉降。利用在天津滨海新区塘沽地区施工的一眼1 226 m全取芯钻孔,通过原状样品测试分析,系统研究了晚新生代土层的物理力学性质、黏性土固结特征,并结合欠固结黏性土层沉降量计算等方法阐述了土层固结状态空间特征,探讨了土层固结特征与地面沉降的相关关系。结果表明：该地区0～100 m深度土层具有低天然密度、高孔隙比、高含水率、高压缩性等特点,表现出软土的性质,在地表荷载增大的情况下,易发生地面沉降;100～550 m的黏性土大都处于超固结和微超固结状态,主要是由于过去地下水的大量开采造成的;550 m以下的黏性土多为正常固结,局部存在欠固结黏性土夹层。钻孔中存在合计约218 m的欠固结黏性土夹层,这些欠固结黏性土夹层在自重应力下的最终沉降量为1 985 mm,沉降量最大的土层对应于第1、6含水组,分别达614 mm和665 mm,这一沉降过程完成所需时间为数十年甚至上百年。     

土层回弹变形特性及回弹潜力试验研究

对土层的回弹变形效应进行研究有助于科学实施地下水回灌、管理地下水资源及预测地面沉降。文章通过大量室内 压缩回弹试验,研究了土层回弹影响因素及回弹变形特性。试验结果表明：土层的最终回弹量受土样性质、最大固结压 力、固结时间以及卸荷比等因素影响;相同固结回弹条件下,土层黏粒含量越高,回弹量越大;对于同一种土,固结时间 越短,卸荷压力越大,回弹量越大;当卸荷比小于0.5时,固结压力对土层回弹量影响不明显,随着卸荷比的增大,同一种 土样所受固结压力越大,土样回弹率也越大,而当卸荷比大于0.9时,回弹率迅速增大。当土层类型及固结压力确定时,土 层最大回弹率和固结压力大致呈线性关系,可用于土层最大回弹率的预测。     

土层回弹变形特性及回弹潜力试验研究

对土层的回弹变形效应进行研究有助于科学实施地下水回灌、管理地下水资源及预测地面沉降。文章通过大量室内 压缩回弹试验，研究了土层回弹影响因素及回弹变形特性。试验结果表明：土层的最终回弹量受土样性质、最大固结压 力、固结时间以及卸荷比等因素影响；相同固结回弹条件下，土层黏粒含量越高，回弹量越大；对于同一种土，固结时间 越短，卸荷压力越大，回弹量越大；当卸荷比小于0.5时，固结压力对土层回弹量影响不明显，随着卸荷比的增大，同一种 土样所受固结压力越大，土样回弹率也越大，而当卸荷比大于0.9时，回弹率迅速增大。当土层类型及固结压力确定时，土 层最大回弹率和固结压力大致呈线性关系，可用于土层最大回弹率的预测。     

地下水位变化模式下含水砂层变形特征及上海地面沉降特征分析

土体变形特征与其经历的应力状态有关。由于抽灌水位置和水量的变化,同一土层中不同时期的地下水位可以呈现不同的变化模式,土层表现出不同的变形特征。论文根据上海1400多个水位孔近40a的水位观测资料和各土层的变形资料,从土层变形角度将地下水位的变化方式划分为5种模式。分析了每种地下水位变化模式下土层的变形特征,并进一步分析了上海地面沉降在时间和空间上的特征。分析结果表明:地下水位的变化模式对上海土层的变形有显著影响。同一土层在不同的水位变化模式下可表现为弹性、弹塑性或粘弹塑性的变形特征;地面沉降与地下水开采量、地下水开采层次与主要沉降层具有密切的关系,开采地下水是上海地面沉降的主要原因;与现阶段含水层的水位变化模式相联系,第四承压含水层是上海最近几年来地面沉降的主要沉降层。     

北京典型地面沉降区土体压缩特征研究

北京平原区地面沉降目前处于快速发展阶段,影响因素十分复杂,其中粘性土体的存在是其赖以形成的物质基础。以北京昌平八仙庄典型地面沉降区为研究对象,采取逐级加荷、逐级卸荷以及反复加卸荷,分析100 m以浅粘性土体在不同加卸载方式下的固结特征。实验结果表明：荷载从25 kPa分级加荷到1 600 kPa,粘土变形量大于粉土,分别为2.822 mm、1.000 mm;荷载从400 kPa分级卸除到50 kPa,粘土的回弹量大于粉土,分别为0.277 mm、0.121 mm;反复加卸荷条件下粉质粘土及粉土较之粘土更容易达到固结状态,蠕变时间效应为粘土>粉质粘土>粉土。建议在制定地面沉降灾害防治措施方案时,应充分考虑沉降区地层土体特征影响。     

北京地面沉降区土体变形特征

因过量开采地下水而引发的地面沉降问题已成为北京平原区最主要的地质灾害。北京地面沉降监测网络从2002年开始建设,到2008年底已经基本覆盖整个平原区。本文基于地面沉降分层标和地下水位监测资料,从土体变形与水位随时间的变化、土体变形和水位的关系出发,分析了不同岩性、不同深度土体在不同的水位变化模式下的压缩变形特征,最终将土体在水位变化下的变形特征概括为5类。结果表明:现阶段北京地面沉降区浅部土体压缩减缓,中深部土体和深部土体多以较快的速度持续压缩。砂层以弹性变形为主;不同埋深的粘性土体存在弹性变形、塑性变形和蠕变变形,具有显著的粘弹塑性。     

上海市地下水位大幅抬升条件下土层变形特征分析

过去对地下水位持续下降条件的地面沉降研究较多,但对水位大幅持续抬升过程中的地面沉降研究较少。本文根据 上海大量地面沉降、水位观测和钻孔资料,系统分析上海市90年代末以来地下水位大幅抬升条件下各土层的变形特征。自 1998年以来,上海市通过大幅压缩开采量、回灌地下水等措施使第二、三、四和五承压含水层水位分别平均抬升2.1 m, 3.6 m, 12.4 m, 12.7 m。水位的抬升使上海市地面沉降平均速率由1998年的12.2 mm/a减小到2011年的1.83 mm/a,减少85%。 通过对27组分层标数据分析发现：现阶段主要压缩层位在第一、二软土层,年沉降速率为2~4 mm/a;而第二含水层以下土 层已经有少量回弹。在水位持续大幅抬升过程中,本文总结了两种变形特征：1） 变形和水位变化基本同步,残余变形量非 常小,变形可概化为线弹性变形,这种变形主要发生在第一、二、三和五承压含水层、第五和六弱透水层;2） 压缩速率逐 渐减小,无明显持续回弹趋势,有较大残余压缩量且存在变形滞后现象,变形可概化为弹塑性变形,这种变形主要发生在 地第二、三和四弱透水层。第四承压含水层变形较复杂,两种变形特征都有。其中较大残余变形量主要由塑性贮水率比弹 性贮水率大2个数量级引起;变形滞后主要由弱透水层中超孔隙水压力消散较慢引起。本文研究成果对于掌握水位抬升过 程中土层变形方式、发生发展机理、预测未来地面沉降及地下水科学管理和资源评价具有重要意义。     

上海地区基坑开挖卸荷土体回弹变形试验研究

通过对上海地区某基坑工程坑底不同深度土样进行一系列K0固结不排水三轴卸荷试验,对上海地区不同深度土层随基坑开挖卸荷变形性状进行研究。研究不同深度的不同土层在两种典型卸荷应力路径下的变形特性,分析了回弹率及回弹模量与卸荷比的变化关系。结果表明,软土的初始卸荷模量Ei及最大回弹率 不仅取决于土层性质,还与所经历的不同卸荷应力路径、预压最大荷载等有关,且不同卸荷路径下土体发生强回弹变形的极限卸荷比亦不同     

深部含水层黏弹塑固结模型及压密模拟

上海市曾遭受了严重的地面沉降灾害,主要由于浅部含水层开采引发浅部土层固结所致。之后采取了回灌浅部含水层并转向开采深部含水层的措施,地面沉降得到了有效控制。但21世纪初,通过水位及分层沉降监测,发现随着开采量增加,深部含水层也会成为主要压密土层。其变形呈现出显著的非线性压密特征,即使水位普遍抬升,压密仍然持续,开展其固结压密机理模型研究对地面沉降防治十分必要。传统太沙基理论认为砂土骨架是瞬时变形的,忽略了流变性本质,因此无法解释该现象。基于国内外学者的研究,考虑了前期固结压力前后流变性的差异,建立了深部含水层黏弹塑固结压密模型。通过试验获取了相关参数,结合塘桥F16分层标监测结果,对第四含水层长期压密变形进行了模拟。模拟结果很好地反映了含水层长期非线性压密行为,研究结果对指导防治地面沉降有实际意义。     

基于冻融交界面直剪试验的冻土斜坡失稳过程研究

为了探讨多年冻土区自然斜坡失稳机制,开展了不同含水率黏土、粉土、砂土的土-冰交界面直接剪切试验和相应融土的直接剪切试验。结果表明,砂土和砂土-冰冻融交界面剪切应力-变形特性主要表现为弹性变形,且剪应力存在明显峰值;粉土、黏土及相应的冻融交界面在很小的变形范围内表现为塑性变形,且剪应力无峰值。水分对砂土活动层抗剪强度影响较弱,表现为水分增高,内摩擦角小幅降低。水分对粉黏土活动层抗剪强度影响剧烈,表现为水分增高,粉黏土黏聚力急剧减小。研究发现,冻土区斜坡失稳更易发生于细颗粒粉黏土中。相对于粉土,粉土-冰冻融交界面抵抗剪切变形的能力更强,粉土斜坡潜在滑动面更易发育在冻融交界面上层附近;相对于黏土,黏土-冰冻融交界面抵抗剪切变形的能力更弱,黏土斜坡更易在冻融交界面处发生滑动。同时,细粒土斜坡极易在达到最大融化深度前提前失稳,斜坡坡度越高,失稳时间越提前。融化期活动层水分增多导致潜在滑动面黏聚力降低是细粒土冻土斜坡失稳的最主要原因,孔隙水压对冻土斜坡具有一定影响,在稳定性评价时要考虑活动层水位的影响。     

深层黏性土变形破坏的影响因素分析

河南刘河煤矿矿二1煤层上为厚度20~40m的第四系覆盖层,其中黏土层平均厚度为6.6m。由于第四系孔隙水含水组的四个含水段均为富水性中等及以上含水层,所以该层黏性土在受到上覆高压影响后能否控制顶板突水显得尤为关键,是解决新生界含水层下的安全开采的关键问题。通过室内实验测得该矿深度约在150m的4个钻孔土样的物理参数和土颗粒级配分析,按实验结果模拟深层黏性土,考虑受力面积、含水率和厚度3个影响黏性土破坏的主要因素,利用正交实验原理安排实验。结果表明,受力面积和含水率越大,黏性土的破坏程度增大;黏性土的厚度越大,破坏程度相应减小;3个因素中,受力面积的影响最大;当黏性土含水率在10%~25%,受力面积越小,厚度越大,黏性土不易发生破坏。该研究对预防和保证矿山安全生产具有重要意义。     

循环加卸载作用下贵阳红黏土损伤特性试验研究

为研究贵阳红黏土在循环荷载作用下的损伤特性,揭示抗剪强度参数随加卸载过程的损伤演化规律,通过应力-应变控制式三轴剪切渗透仪中的应力路径试验模块,对ω=29%、32%、35%以及38% 4种含水率的贵阳红黏土在σ₃=100 kPa、200 kPa和300 kPa围压下开展固结不排水剪循环加卸载试验。研究结果表明:卸载过程中土样表现出变形增强性,卸载后轴向应变增量越大,松弛时间越长,回弹变形量越大;综合考虑含水率与围压条件的影响,建立贵阳红黏土剪切过程中弹性变形演化的数学关系式,并与试验结果进行对比验证,拟合度达95%以上;采用等效塑性剪切应变作为塑性内变量,对贵阳红黏土剪切全过程强度损伤特性进行研究,发现其胶结强度不断损失,而摩擦强度不断增加;且随着含水率的增加,内摩擦角的变化范围为21.8°~16.1°,黏聚力的变化范围为83.7~57.5 kPa。研究成果可为路基压实及考虑加卸载工况的土坡稳定性评价提供理论指导。     

The liquefaction of clayey soils under cyclic loading

This paper seeks to investigate the liquefaction of clayey soils, a phenomenon that has been the trigger for many natural disasters in the last few decades, including landslides. Research was conducted on artificial clay-sand mixtures and natural clayey soils collected from the sliding surfaces of earthquake-induced landslides. The undrained response of normally consolidated clayey soils to cyclic loading was studied by means of a ring-shear apparatus. For the artificial clay-sand mixtures, it was found that the presence of a small amount of bentonite (≤ 7%) would cause rapid liquefaction, while a further increase in bentonite content (≥ 11%) produced the opposite effect of raising soil resistance to liquefaction by a significant degree. It was demonstrated that the bentonite-sand mixture was considerably more resistant to liquefaction than the kaolin-, and illite-mixtures, given the same clay content. The test results of plastic soils revealed the significant influence of plasticity on the liquefaction resistance of soil. The microfabric of clayey soil was investigated by means of a scanning electron microscope. The analysis showed that the liquefaction potential of soil was strongly related to certain particle arrangements. For example, soil vulnerable to liquefaction had an open microfabric in which clay aggregations generally gathered at the sand particle contact points, forming low-strength “clay bridges” that were destroyed easily during cyclic loading. On the other hand, the microfabric of soil that was resistant to liquefaction appeared to be more compact, with the clay producing a matrix that prevented sand grains from liquefying. In the case of the natural soils, the obtained results indicated that their cyclic behavior was similarly influenced by factors such as clay content, clay mineralogy and plasticity. The relation between the liquefaction potential of natural soil and its microfabric was thus also established. On the basis of the obtained results, the authors posited an explanation on the mechanism of liquefaction for clayey soil.     

非饱和黏性土抗剪强度的温度效应试验研究

为了系统地了解温度对黏性土工程性质的影响,本文采用南京地区三种不同矿物成分的黏性土,制成不同含水量和干密度的试样,在5～45℃条件下,开展了抗剪强度试验,获得了三种土的非饱和重塑试样的抗剪强度与温度的关系.试验结果表明:黏性土的黏聚力随温度升高呈线性变化;亲水矿物含量较高的黏性土抗剪强度对温度变化较敏感,黏聚力随着温度...     

根据参数反演结果分析非饱和黄土边坡破坏机理

边坡的变形破坏本质上有两方面的因素控制,(1)开挖或堆载引起斜坡内应力的重分布; (2)地表水渗入或地下水变动引起其抗剪强度的变化。大部分黄土路堑边坡位于地下水位以上,斜坡开挖以后,应力不再改变。 如果不是在人工灌溉区,其破坏大多可归结为降雨入渗引起的黄土抗剪强度的降低。对于非饱和黄土来讲,其孔隙水压力为负值,传统的Terzaghi有效应力原理不适用于Mohr-Coulomb抗剪强度公式,而Bishop的非饱和土有效应力公式中参数测定周期很长,技术还不是很成熟,目前在实际工程中应用还不现实。如何基于目前常规的测试方法,合理地确定边坡抗剪强度参数,是值得研究的问题。本文对局部发生滑坡的山西吉家塬黄土路堑51.6m高边坡,采用Bishop法反演边坡c、值; 取边坡上的黄土样,测了不同含水率试样的直接快剪强度参数。将试验结果与反演结果对比发现,含水量在接近土样塑限时的直接快剪试验结果与反演结果较为接近。塑限是土的一个状态界限指标,即固态到塑态含水量的界限值。土由固态进入塑态,土强度显著降低,此时最容易发生变形破坏,这符合土体稠度状态和强度变化的本质。因此建议在黄土边坡设计中,一般可取塑限含水量下的直接快剪强度指标作为边坡稳定性评价的指标。     

软土的含水率与界限含水量意义的讨论

鉴于软土的含水率、塑限、液限等工程性质指标的理论定义和试验测试结果不完全吻合,同时考虑到软土中不同形式的水对软土工程性质的不同影响和实际工程中应用习惯,建议废弃软土含水率的理论定义,而将软土含水率定义为软土中除强结合水外其它水的质量与土的固体颗粒质量之比,这里软土固体颗粒中粘粒定义为粘土矿物聚集体与其表层强结合水的组合体,这样使软土含水率理论定义与试验测试的结果相统一。软土的塑限（wP）、液限（wL）以及由此而派生的塑性指数（IP）和液性指数（IL）都是通过重塑土的测试获得的,未考虑软土天然结构对这些指标数值的影响,建议通过对软土结构研究,能提出一个结构影响系数,进而修正试验获得的数据,使这些指标更接近天然软土的实际。同时根据粘粒与水相互作用的特点和软土中各种形态水对软土状态和变形机制的影响,把塑限和液限的含义予以修正,塑限是软土中弱结合水的最小含量,而液限是弱结合水最大含量并有一定数量自由水。     

上海黏性土与水泥混合后强度增长特性试验研究

对于使用水泥与上海黏性土进行混合加固的土体,其强度增长特性与水泥含量、加固土的初期pH值、养护时间有关。以上海4类黏土为研究对象,对加固土的强度增长特性进行了试验研究;探讨了加固土的养护时间、水泥含量、初期pH等与加固土强度的关系。试验结果表明,当上海黏土中水泥含量或者加固土的初期pH值大于某一临界值时,水泥加固土的强度将迅速增加,对于上海黏土,该临界pH值为11.7,对应的水泥含量为17%～20%。但当水泥含量达到一定值后,它对土体的pH值的影响开始变小,而且水泥土的强度趋于稳定的时间变长。