采水地面沉降时空预测模型研究

地下水开采引起的地面沉降对地面建（构）筑物的正常使用和结构安全构成了严重威胁,深入研究采水地面沉降预测理论对于沉降灾害防治具有重要意义。针对本构模型和土体参数确定上的困难,采用力学推理和数学统计相结合的方法,建立了新的采水地面沉降时空预测模型。首先,利用太沙基固结微分方程,建立了反映地面沉降时间效应的半经验计算模型;其次,在分析采水地面沉降空间分布规律的基础上,利用随机介质理论研究了采水地面沉降空间分布特征;再次,综合考虑采水地面沉降的时间效应和空间分布形态,建立了采水地面沉降的时空预测模型。利用该模型计算地面沉降共需4个计算参数,介绍了参数求解方法。最后,利用时空计算模型预测了某地单井采水引起地面沉降的时空规律。研究表明,所建立的采水地面沉降预测模型能准确地反映采水地面沉降的时空规律,能方便、快捷地预测地下水开采引起的地面沉降。     

抽水地面沉降预计的随机介质模型

本文视抽水引起的地面沉降为一随机过程,应用随机介质理论和土力学基本原理,建立了随机介质模型,对抽水地面沉降及变形分布进行了分析预测,计算实例表明,该模型是有铲的。     

地面沉降计算的回顾与展望

本文回顾了３０年来由抽水引起的地面沉降计算,简单介绍了一维固结理论的解析方法和考虑反复荷载因素的次固结计算模型,对计算参数进行了讨论,并指出了今后的方向。     

深基坑降水三维变参数非稳定渗流与地面沉降耦合模型

为了精确模拟预测松散沉积层中深基坑降水引起的地下水渗流场和地面沉降的变化特征,考虑土体孔隙度、渗透系数、储水率随地下水位下降发生的动态变化,建立了深基坑降水三维变参数非稳定渗流与太沙基一维固结理论的地面沉降耦合模型,并采用有限元数值分析方法对模型进行求解。以南京地铁三号线浦珠路站深基坑降水为例进行模拟计算。结果表明：采用15口坑内抽水井,抽水井过滤器埋深为22.0～37.0 m,基坑围护连续墙底部埋深至41.5 m为最优降水方案;不仅使基坑内地下水位满足开挖要求,又使基坑外地面沉降在控制范围内。经验证,所建立的模型合理,计算结果可靠,研究理论用于模拟预测此类地区深基坑降水引起的地下水流场变化具有较高的可信度。     

基于随机介质理论的采水地面变形时空分布

采用随机介质理论计算规模采水引起的地面下沉和水平位移。分析了采水引起的地面位移机制,采用有效应力原理推导微单元体的沉降;利用非稳定流理论Theis模型计算单井定流量采水时平面径向流引起的降深;利用现场观测数据,通过反分析法确定模型参数;由于模型的边界动态变化,故分时段采用数学近似法和变边界数值逼近法处理。在此基础上建立单元盆地在降落漏斗区域的时空分布积分方程,引入柱坐标系进行解答。工程实例分析表明,随机介质理论适用于计算采水引起的地面变形;结合非稳定流理论和数值计算方法能较好地预测地面随时间的变形规律。     

考虑流变特性的流固耦合地面沉降计算模型

本文根据流固耦合力学的理论与方法,研究地面沉降问题,即将地面沉降过程视为一个动态耦合作用过程,通过建立渗流－变形－沉降耦合模型,同时对渗流、变形和沉降过程进行仿真模拟,从而对地面沉降进行计算和预测。由于软粘土的流变变形量在地面沉降中占有明显的份量,因此本文在模型中充分考虑软粘土的流变特性,建立了包括主固结又考虑次固结的计算模型,特别适用于采、灌过程中不同受力阶段的流变特性。其特点：三维渗流与三维固     

一维大变形主、次固结耦合新模型

针对传统一维大变形固结理论不能考虑土体次固结变形的缺点,在连续介质力学有限变形理论和土力学固结理论基础上,提出了全新的一维大变形主、次固结耦合模型。该模型采用超静孔压为控制变量,可以分别表述为欧拉坐标、拉格朗日坐标和固相体积坐标等三种形式,其中均可以显式地反映出土体重度变化、固相速度、地表沉降速度、地下水位变化、荷载变化和次固结等6个因素的影响。在不同简化条件下,新模型可以分别退化为以往学者提出的相关模型。当不考虑次固结效应时,新模型与经典的Gibson大变形固结模型完全等价。从便于工程应用的角度而言,新模型中仅考虑次固结和外荷载变化的退化形式更便于求解,可作为一种供参考的实用模型。     

地下水渗流与地面沉降耦合模拟

为了准确模拟由地下水开采导致渗流场和应力场发生变化而引起的地面沉降问题,根据Terzaghi有效应力原理,建立了地下水三维渗流与一维垂向固结的地下水渗流与地面沉降耦合数值模拟模型和以比奥固结理论为基础,并结合土体非线性流变理论,将土体本构关系推广到粘弹塑性,同时考虑土体力学参数及水力参数的动态变化关系的地下水渗流与地面沉降三维全耦合数值模拟模型.通过对比分析,结果表明:基于Terzaghi有效应力原理建立的地下水三维渗流与一维垂向固结地下水渗流与地面沉降耦合数值模拟模型模拟所得地面沉降与地下水位呈现出同步变化的趋势,并且当地下水位逐步回升至初始水位时,地面沉降也逐步回升到初始的零沉降状态.而以比奥固结为基础建立的地下水渗流与地面沉降三维全耦合数值模拟模型模拟所得的地面沉降变化趋势滞后于地下水位的变化趋势,并且当地下水位逐步回升至初始水位时,地面沉降虽也逐步得到回升,但回不到初始的零沉降状态,存在一个永久的残余沉降量.在土体参数变化方面,土体的孔隙度、渗透系数及泊松比均呈现先减小后增大的变化趋势,而弹性模量则呈现先增大后减小的变化趋势,与地面沉降的变化相对应.      

沉积泥砂非线性大变形固结沉降计算模型

沉积形成的水底黏性泥砂自重固结过程表现出显著非线性大变形固结特征,应采用大变形固结理论进行泥砂沉积固结计算。基于软黏土一维非线性大应变固结理论,应用有效应力、渗透系数与孔隙比间扩展幂次函数固结本构关系,由达西定律、有效应力原理、连续介质方程等建立大变形固结控制方程,根据固结单元孔隙水渗流、单元变形与泥砂沉积层固结沉降耦合关系形成黏性泥砂大变形自重固结数值模型。泥砂自重作为固结荷载,数值模型假定沉积泥砂各向同性且固结沉降应变、孔隙水渗流仅发生于竖直方向,为一维单向沉积固结过程;采用泥砂沉降柱试验确定泥砂非线性扩展幂次函数关系参数。模型应用中,划分竖向固结单元,由沉积泥砂固结本构关系确定各固结单元有效应力及超孔隙水应力,通过超孔隙水应力时间维度上的消散过程及各固结参数间的耦合关系计算泥砂固结沉降。数值模型计算结果表明,沉积黏性泥砂自重固结初期表现为有效应力调整过程,初始有效应力与孔隙比根据固结本构关系匹配调整为扩展幂次函数关系;沉积泥砂应变与应力固结度存在20%左右误差,泥砂固结沉降发展快于超孔隙水应力消散过程,证明沉积泥砂固结沉降变形的发展与超孔隙水应力消散并非同步耦合。计算模型应用于室内沉降柱试验模拟淤积黏性泥砂自重固结沉降预测中,模型输出与试验结果符合良好。     

深基坑大变形耦合分析与数值模拟

深基坑开挖的时空效应既与深基坑工程支护设计、施工方案有关,又依赖于场地岩土介质的工程特性。依据Biot固结理论与有限变形的理论基础,采用经典的变分原理方法推导了基于大变形Lagrangian描述的U. L方法--Biot固结理论耦合系统方程及其有限元数值模拟方法。根据工程实例进行大小变形计算的比较以及深基坑开挖的时空效应分析,得出开挖时空效应显著、小变形计算的安全性不足的结论。     

土体自重固结压缩对地面沉降影响研究

以南通市为例,建立了土体自重固结压缩、地下水开采与地面沉降三维全耦合模型.在对模型进行识别、验证的基础上,模拟预测了南通市在地下水停止开采,仅在土体自重固结压缩影响下,自2010年12月31日-2025年12月31日各含水层组地下水流场变化和地面沉降的发展趋势.结果表明,在此期间,南通市由土体自重固结压缩引起的最大地面沉降量为2.42 mm,最大地面沉降速率为0.16 mm/a,土体白重固结压缩对南通市地面沉降的影响极为有限.     

吴江盛泽地区建筑荷载和地下水开采对地面沉降的影响

为了准确分析建筑荷载和地下水开采对地面沉降的影响,为吴江盛泽地区科学防控地面沉降提供决策依据,基于比奥固结和地下水渗流理论,建立了建筑荷载和地下水开采与地面沉降三维全耦合有限元数值模型,分别模拟预测了在建筑荷载单独作用、地下水开采单独作用及建筑荷载和地下水开采叠加作用三种情况下,2015-09-01—2030-08-31盛泽地区逐年地面沉降变化趋势。结果表明,建筑荷载对盛泽地区地面沉降的影响大于地下水开采。第Ⅰ黏性土弱含水层和第I承压含水层分别为建筑荷载和地下水开采单独作用下的主压缩层,单层压缩量占比分别为43.04%和54.06%;第Ⅰ承压含水层及其上覆第Ⅰ黏性土弱含水层是二者叠加作用引发土体变形的主压缩层,其压缩量之和占总压缩量的71.30%。建筑荷载和地下水开采单独作用下引发的地面沉降量的线性叠加之和大于二者叠加作用下引发的地面沉降量,建筑荷载和地下水开采叠加作用引发的地面沉降具有耦合效应。     

高层建筑引发地面沉降模拟预测三维流固全耦合模型

为了准确预测由高层建筑引发土体应力场和渗流场变化而导致的地面沉降,以比奥固结理论为基础,结合土体非线性流变理论,将比奥固结理论中的本构关系拓展到黏弹塑性,并考虑了土体孔隙度、渗透系数及变形参数随有效应力的动态变化关系。以河北省沧州市为例,建立了沧州市高层建筑荷载、地下水渗流与土体变形三维流固全耦合数学模型。在对模型进行识别、验证的基础上,模拟预测了沧州市在地下水停采、仅存在高层建筑荷载的影响下,从2010年12月底到2025年12月底逐年的各含水层组地下水流场变化特征和地面沉降发展趋势。结果表明：沧州市由高层建筑荷载引发的最大地面沉降量为40.57 mm,最大地面沉降速率为2.7 mm/a,位于沧州市区。     

阜阳市地面沉降趋势预测

阜阳市地面沉降是典型的因抽汲松散岩层地下水引起水位(压)下降而造成的地面沉降。本文采用固结理论、回归分析、灰色理论等三种方法建立地面沉降预测模型,旨在探讨在未建基岩标、分层标的城市如何定量研究地面沉降,同时对该市地面沉降的发展趋势进行预测,提出控制地面沉降的措施。     

高层建筑物荷载与地下水开采叠加作用下的地面沉降特征

在地下水开采和高层建筑荷载叠加作用下,城市地面沉降分布愈加复杂.以天津塘沽地区为例,考虑到土体在固结沉降中的平衡条件、弹性本构条件、变形协调条件和水流连续条件,以比奥固结理论为基础,建立了高层建筑荷载和地下水开采叠加作用下三维地面沉降模型,采用有限元方法进行了数值计算.结果表明,高层建筑物的附加荷载作用在其建成后的3～...     

沧州市地面沉降灾害预测预警

为了准确模拟评价沧州市地下水开采对地面沉降的影响,为沧州市政规划和地下水资源管理提供决策依据,基于比奥固结理论,建立了地下水开采与地面沉降三维全耦合数学模型。在对模型进行识别和校正的基础上,模拟预测了在地下水现状开采情况下,从2010年12月31日至2025年12月31日逐年的地面沉降变化趋势,并根据地面沉降速率对地面沉降进行了地质灾害预警分区。结果表明,到2025年12月31日,沧州市累计最大地面沉降量为466.82 mm,最小地面沉降量为241.54 mm,大部分地区为四级预警区和五级预警区,仅肃宁县为三级预警区。     

西安典型段地面沉降分层标观测及数值模拟

根据西安地下水监测和详细的地层剖面资料,采用比奥固结理论和不连续面的接触分析,建立了含2条地裂缝的典型地段的二维抽水沉降计算模型,对先存断裂存在时抽水作用下的地面沉降进行了尽可能精细地模拟计算。结合该计算段的监测资料,分析了西安市抽水作用下地层压缩量垂向上的分布特点及地面沉降水平位置上存在差异的原因。研究认为,西安市的地面沉降量主要由100～300 m深度范围内土层的压缩量组成,地裂缝的出现不单是地层厚度不同产生的差异沉降引起的,先存断裂面的作用也很大。由于断裂的存在以及其正断层的特点,沉降过程中上盘（南盘）的沉降得到了放大,而下盘（北盘）沉降缩小,不同结果导致地面沉降在断裂位置出现差异放大现象,导致地裂缝越来越严重。研究成果很好地解释西安地裂缝附近地面沉降的反常差异现象,对于进一步确定地裂缝的成因、预测其发展变化规律具有一定的作用。     

基于地面沉降控制的区域性松散沉积层地下水可采资源规划评价

为了满足区域性松散沉积层地区地面沉降的防控要求,规划评价地下水的可采资源量,根据渗流理论和土力学理论,建立了地下水三维非稳定渗流与地面沉降耦合数学模型,并考虑了含水层孔隙度、渗透系数、储水率随含水层发生固结沉降的变化特征。采用三维有限元数值分析方法,以江苏省南通市地下水开采为例,基于地面沉降的控制要求,规划评价出了各乡镇各含水层的地下水可采资源量。结果表明：地下水开采布局科学规划后,总的可采资源量为17 870.56×10⁴ m³/a,较现状开采量10 902.32×10⁴ m³/a有较大幅度的增加。地下水三维变参数非稳定流与地面沉降耦合模型可以更加精确地刻画三维水文地质体的特征,更加符合实际情况。