常州地区地面沉降及地层压缩性研究

系统分析了常州地区地下水开采动态和地面沉降发生发展历史,概述了研究区地面沉降的框架,在此基础上,系统研究了常州市分层标从1984年至2002年的分层沉降资料。根据常州地区地下水含水层系统及土层特性,将研究区松散土层垂向划分为四个不同层次,分别研究了它们的压缩变形历时特性及其与累计地下水开采量的关系,研究了各自的应变特性。由于土层结构及物理力学性质的不同、地下水开采层次及强度的差异、土层不同应力历史的影响等诸多因素的综合效应,导致了地面沉降及分层压缩特性的显著差别。常州地区的主要压缩层为第II承压含水层的顶板弱透水层,与含水层距离近的土层变形量及应变量均较大,其次是第II承压含水层本身及其与第III承压含水层之间的弱透水层。地面沉降及地层压缩与地下水开采之间的滞后效应在常州地区表现得并不明显,这一点至少在月或年的时间尺度上是正确的。     

宁波轨道交通规划区域地面沉降特征分析及监测

通过对沿线地形地貌、工程地质、水文地质的调查,利用宁波地面沉降漏斗扩展动态结果、沉降中心各土层变形量统计和各土层累计沉降量,分析了宁波轨道规划区域地面沉降特征。针对宁波区域地面沉降监测存在的问题,提出由地面沉降基岩标、地面沉降分层标、水准点、孔隙水压力孔和地下水监测井等组成的宁波轨道交通地面沉降监测网布设方案,探讨了地面沉降监测及预警对策。轨道交通地面沉降监测网的建立将减轻地面沉降对轨道交通造成的影响。     

基于改进遗传算法的粘弹性岩体力学参数反演

把模式搜索嵌入目前广为应用的遗传算法中,使之和神经网络有机结合,提出了搜索—遗传—神经网络算法。该方法用经过最佳预测学习算法训练的神经网络来表达粘弹性岩体力学参数和位移之间的映射关系,除具有一般遗传算法的优点外,还提高了参数反演的精度,节省了参数反演的计算时间。结合某工程实例,验证了该方法在粘弹性岩体力学参数反演中的优越性。      

围岩力学参数反演的GSA-BP神经网络模型及应用

针对遗传算法（GA）存在早熟现象和局部寻优能力较差等缺陷,引入具有很强局部搜索能力的模拟退火算法（SA）,组成改进的遗传模拟退火算法（GSA）提高优化问题的能力和求解质量。针对BP神经网络容易陷入局部最小和收敛速度慢等方面的不足,应用改进的遗传模拟退火算法搜索BP神经网络的最优权值和阀值,提高BP神经网络的预测精度,建立了围岩力学参数反分析的GSA-BP神经网络模型。将该模型应用于乌东德水电站右岸地下厂房围岩力学参数的反演分析中,根据监测围岩变形数据反演围岩力学参数,反演所得参数应用到正计算分析中,得出的计算位移与实测值吻合较好,说明该方法的有效性和应用于该工程的可行性。     

地下水采、灌方案计算及标点分层变形量预测预报

一、标点分层变形量预测预报的目的及现状地面沉降预测预报工作的目的就是运用从生产实际、科学实验中总结出来的理论,把土层变形的客观现象归结为反映在一定采、灌条件下承压水头变化所引起土层变形规律的物理模型,从而推导出地下水采、灌水量、承压水头与土层变形量的数学关系,以此为基础从满足工农业生产需要出发而确定在“控沉”(注)这一特定条件下的最佳合理采、灌地下水方案。有了正确的“控沉”数学模型就可以给采取更有效的“控沉”措施及采用数学模拟提供依据和可能。从对地面沉降预测预报的要求而言,是希望预报不同采、灌水量条件下各地面测点的变形趋势,由于各方面的实际困难,作为地面沉降预测预报的第一步,目前还只能提供在一定采、灌地下水条件下,标点附近含水层承压水头和土层变形量的预测预报值。     

大连某围填海造陆场地碎石土性质及地表变形计算

以大连某围填海场地作为研究区,对该区域地表变形进行计算研究。收集钻孔地质资料及土层物理力学性质参数,通过室内试验获得碎石土性质参数,利用MIDAS GTS NX建立场地的三维地质模型,结合FLAC3D对场地施加预设荷载的变形进行分析,并通过规范法计算地表变形。结果表明:场地地表变形的计算结果和数值模拟结果基本接近,最大变形量接近100 mm,均满足场地工后沉降控制标准。     

土层工程性质与其沉积环境关系分析研究

对江苏北部沿海地区与长江三角洲地区土层的工程性质进行分析对比 ,发现这两地区的土层在同一个历史时期所沉积但土层工程性质完全不一样。因此分析了该两地区在同一历史时期的沉积环境与当时的水动力条件与沉积物源的来源。由分析研究结果得到 ,土层的物理力学性质与该土层当时的沉积环境、水动力条件与沉积物源有重要的关系。因此对土层如果能了解其在沉积过程当中的沉积条件 ,更有利于分析研究该土层的物理力学性质     

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。     

黄土深基坑潜水区降水诱发地面沉降的简化算法

针对黄土地区深基坑降水导致地层不均匀沉降,危及坑周建筑物的问题,论文基于基坑降水诱发地面沉降机理分析,以分层总和法和剪切位移法为基础,推导出降水引起地面沉降的简化计算公式。在忽略群井效应和土层侧向变形的前提下,依据Dupuit公式得出基坑降水曲线方程,将坑周土体以降水曲线为界分为疏干区和饱和区。引入修正系数,对黄土地区不同性质土层因孔隙水压力减小产生的有效应力增量修正,同时考虑桩-土界面侧摩阻力对土体的约束作用,分别计算距井轴不同距离处的沉降量,叠加后得出最终的沉降值。对比数值模拟计算结果及工程实例监测值,分析表明:在桩-土交界处,侧摩阻力对土体竖向沉降的约束作用最明显;在1.5倍降水深度范围内的沉降计算值精度远高于规范算法,能够较好的预测降水期间黄土地区坑周不同距离处的地面沉降量。     

岩土工程勘察中土体取样合理子样数的探讨

合理子样数应随土的性质、指标特征、土样质量和工程要求而异。本文在分析了沿海平原各主要土层的物理力学性质指标变异性的基础上 ,运用概率统计方法 ,针对不同土层不同的物理力学性质指标提出了岩土工程勘察合理子样数确定原则。     

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.     

苏锡常地区非线性地面沉降耦合模型研究

长期过量开采地下水所引发的地面沉降是一个复杂的非线性变化过程,对其进行数值模拟时,如不考虑沉降发展过程中模型参数的非线性变化,会给预测带来很大误差。本文依据苏锡常地区实际资料,通过典型钻孔土力学试验,确定出土体在不同荷载条件下的弹塑性和蠕变特征方程以及土体渗透系数随孔隙度变化的关系式。在此基础上建立了研究区三维变系数地下水流模型及考虑土体垂向不同变化特征(弹塑变或蠕变)的一维区域沉降模型,并采用多尺度有限单元法对模型进行了真正意义上的耦合求解。     

Groundwater resources management under environmental constraints in Shiroishi of Saga plain, Japan

A sinking of the land surface due to the pumping of groundwater has long been recognized as an environmental issue in the Shiroishi plain of Saga, Japan. Land subsidence can have several negative economic and social implications such as changes in groundwater and surface water flow patterns, restrictions on pumping in land subsidence prone areas, localized flooding, failure of well casings as well as shearing of structures. To minimize such an environmental effect, groundwater management should be considered in this area. In this study, a new integrated numerical model that integrates a three-dimensional numerical groundwater flow model coupled with a one-dimensional soil consolidation model and a groundwater optimization model was developed to simulate groundwater movement, to predict ground settlement and to search for optimal safe yield of groundwater without violating physical, environmental and socio-economic constraints. It is found that groundwater levels in the aquifers greatly vary from season to season in response to the varying climatic and pumping conditions. Consequently, land subsidence has occurred rapidly throughout the area with the Shiroishi plain being the most prone. The predicted optimal safe yield of the pumping amount is about 5 million m³. The study also suggests that pumping with this optimal amount will minimize the rate of land subsidence over the entire area. An erratum to this article can be found at     

弹塑性变形条件下抽水引起的地面沉降三维数值模拟

基于部分耦合原理,采用TOUGH2和FLAC3D建立抽水引起的三维地面沉降弹塑性模型,模型中综合考虑土体的弹塑性变形特征、渗流-应力的双向耦合作用以及参数的非线性,探讨了持续抽水和脉冲抽水两种抽水过程中地面沉降发展演化过程。研究结果表明:（1）集中抽水停止后地面沉降会发生回弹,抽水中心沉降量不断减小。由于水平方向存在水力梯度,地下水继续向地下水位漏斗中心渗流从而导致沉降漏斗的范围仍继续扩大;（2）脉冲抽水导致土体的孔隙水压力、渗透系数以及沉降量均呈周期性波动变化,地面沉降会局部回弹,但总体仍随着抽水的持续,沉降量不断增加;（3）在抽水量相同前提下,对比持续抽水与脉冲抽水两种方式引发的塑形沉降量可知,抽水速率小、脉冲式多次开采导致的塑性沉降量较小,持续抽水的抽水速率越小、脉冲抽水间隔越短越有利于控制地面沉降。研究成果为地面沉降数值模拟提供了一种新方法,其中算例研究能为抽水条件下地面沉降的控制提供参考。     

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.      

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。     

基于"区域分解"思想的苏锡常地区地面沉降相关预测模型研究

本文在系统分析苏锡常地区地下水开采与地面沉降发展动态及相互关系的基础上,从“区域分解”的思想出发,将研究区按第四纪土层结构进行了合理分区,并分别在各亚区建立地面沉降量与地下水水位相关预测模型。实践表明,该模型符合现阶段苏锡常地区地面沉降研究现状,具有一定的实用价值。     

高层建筑荷载引发地面沉降与隆起变形三维数值模拟

针对地下水埋深较浅地区,由高层建筑荷载引起的土体变形问题,以比奥固结理论为基础,结合土体非线性流变理论,将土体本构关系推广到黏弹塑性;同时考虑土体力学参数及水力参数的动态变化关系,建立了高层建筑荷载引发地面沉降与隆起变形的三维有限元数值模型,详细研究了高层建筑荷载影响下的土体变形特征及此过程中土体力学参数及水力学参数的变化特征。结果表明：由高层建筑荷载引起的地面沉降呈现漏斗状,以建筑物中心为漏斗中心,高层建筑荷载施加初期,高层建筑周围出现隆起,到达最大值后隆起逐渐消失;高层建筑底部浅层土体孔隙度、渗透系数及泊松比均呈现缓慢减小趋势,弹性模量呈现缓慢增大趋势;而高层建筑周围浅层土体的孔隙度、渗透系数及泊松比呈现先增大后减小的变化趋势,弹性模量则呈现先减小后增大的变化趋势;高层建筑影响区域浅部土体参数的变化趋势与土体的回弹及压缩有关。     

太原市地层空间异质性对地面沉降分布的影响

对比1956～2000年太原市地下水位与地面沉降资料发现,该区地面沉降漏斗与地下水位降落漏斗的空间分布基本相近,但不完全吻合,局部地区存在偏移。通过对黏性土层累计厚度分布、黏性土层与粗颗粒土层的组合特征、不同分区各深度处土的力学特征值与上述偏移的对比分析,认为太原市地层的空间异质性对地面沉降分布有如下影响：（1）与地下水位降落漏斗相比,地面沉降漏斗偏向于黏性土层较厚的一侧;（2）地层组合（黏性土的夹层数、单层厚度等）对地面沉降的空间分布影响较大,沉降多发生在黏性土夹层多、单层厚度较小的地区;（3）土的力学性质的差异是影响沉降分布的重要因素。     

基于随机介质理论的抽水地表变形时空耦合预测模型

抽取地下水引起的地表变形对地面建(构)筑物的正常使用和结构安全构成了严重威胁。深入研究抽水地表变形预测理论对于沉降灾害防治具有重要意义。由于土体模型选择和土工参数测定上的困难,基于比奥固结理论的数值求解方法在计算抽水地表变形上尚未取得理想效果。文章将随机介质理论与一维固结理论结合,建立了新的抽水地表变形时空预测模型。首先,利用一维固结微分方程,建立反映地面沉降时间效应的半经验计算模型;其次,在分析抽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抽水地面沉降空间分布特征;再次,综合考虑抽水地面沉降的时间效应和空间分布形态,建立抽水地面沉降的时空耦合预测模型及抽水地表倾斜、水平移动、水平变形、曲率的时空计算模型。利用这些模型计算地表变形共需5个计算参数,介绍了参数求解方法。最后,利用上述时空耦合计算模型预测某地单井抽水引起地表变形的时空规律。研究表明,所建立的抽水地表变形预测模型能准确地反映抽水地表变形的时空规律,能方便、快捷地预测地下水开采引起的地表变形。