控制地面沉降条件下天津深层地下水资源持续利用

天津平原大强度开采深层地下水引发严重的地面沉降。根据地下水位和地面沉降监测结果分析,第四系中更新统和下更新统是深层地下水持续利用的最佳层位。当水位埋深控制在35~40m,引发的地面沉降量小于10mm/a,深层地下水开采资源为26 755×104m3/a,平均资源模数为2.90×104m3/(a.km2)。与1991~2000年平均开采量相比,资源量减少了43.1%,而地面沉降量可以减少68.3%。长期大强度开采深层地下水提高了粘性土的固结程度。保持历史开采层位,稳定开采量,使水位稳定在地面沉降临界水位附近,是深层地下水资源持续利用,控制地面沉降的有效措施。     

饱和土体再固结变形特性若干问题研究

重点考察了冲击能大小、周围压力、土性对再固结变形规律的影响,对一种砂粘混合体土料制备的扰动土样进行了试验研究。这对于了解强夯冲击荷载作用下,不同土类地基的性状及其加固效果有重要意义。此外,还研究了饱和粘性土的扰动固结问题、临界孔隙水压力问题,并对不同排水条件下土体的次固结变形问题进行了讨论。     

温度对粘性土介质力学特性的影响

分析了温度效应对粘性土介质若干基本力学特性的影响。对粘性土的热固结问题、温度对粘性土介质渗透特性的影响、粘性土中的热传导规律及热阻抗特性、土-水体系在温度效应下的作用机理、温度作用下粘性土的本构规律等进行了深入研究。特别就温度诱致的孔隙水压力的变化机理及不同性质土类粘性土体积变化的可逆性问题进行了探讨。     

粘性土渗透系数的室内测定方法初探

本文介绍了室内固结渗透试验获取粘性土渗透系数的方法技术,从粘性土渗透系数实测数据出发,讨论了粘性土的渗透规律,总结了不同告性粘性土的渗透系数值.     

往返荷载下粘性土的强度及取值标准试验研究

通过对粘性土进行一系列动三轴试验，测定并分析了动荷载作用下为粘性土的动剪应力，轴向应变及超孔隙水压力随时间的变化规律，分析了破坏时不同固结比的粘性土对静，动剪强度和孔隙水压力影响规律，得出了粘性土的动剪强度随固结比变化的关系式，并对粘性土的动剪强度判别方法的标准进行探讨，得出了有益的结果。     

水位变化条件下粘性土渗流特征试验研究

开采孔隙承压含水系统,引起含水层水头下降。通常认为相邻含水层一经出现水头差,便会有通过粘性土层的越流渗透。但在粘性土两侧含水层出现水头差初期,粘性土内部水头降低缓慢,并伴随有释水压密过程。笔者采用多用途饱水粘性土固结和渗透试验装置,对不同岩性的粘性土原状样进行了释水、吸水与越流发展过程之间关系的试验。试验表明,含水层水位升、降变化,首先引起相邻粘性土吸水回弹或释水压密,而后出现粘性土吸水或与释水越流并存阶段,越流的出现,明显滞后于含水层水头变化,当吸水或释水过程结束后,越流渗透达到稳定。越流滞后时间与土的固结程度有关,笔者采用一维固结理论提出了计算越流滞后时间的方法。     

水位变化条件下粘性土渗流特征试验研究

开采孔隙承压含水系统，引起含水层水头下降。通常认为相邻含水层一经出现水头差，便会有通过粘性土层的越流渗透。但在粘性土两侧含水层出现水头差初期，粘性土内部水头降低缓慢，并伴随有释水压密过程。本文采用多用途饱水粘性土固结和渗透试验装置，对不同岩性的粘性土原状样进行了释水、吸水与越流发展过程之间关系的试验。试验表明，含水层水位升、降变化，首先引起相邻粘性土吸水回弹或释水压密，而后出现粘性土吸水或与释水越流并存阶段。越流的出现。明显滞后于含水层水头变化，当吸水或释水过程结束后，越流渗透达到稳定。越流滞后时间与土的固结程度有关，笔者采用一维固结理论提出了计算越流滞后时间的方法。     

天津市承压层应力状态及减压引发沉降规律研究

基坑工程中坑内承压水降水引发的坑外土体沉降与含水层土体性质及应力状态密切相关,但在天津地区承压含水层的土体应力状态及其沉降变形规律均缺乏系统地研究。首先通过天津市第一、二含水层组的历史水位变化,分析各含水层组土体的应力状态。再结合2组现场抽水试验,分析了各承压层降水-恢复过程土体沉降变形规律。根据对历史数据的分析表明,受补给关系和自然条件影响,天津市第一含水层组中上部水位变化较小,处于正常固结和轻度超固结状态。而20世纪60～80年代天津市深层地下水由于大规模开采形成了以市区为中心的降深漏斗,造成了严重的地表沉降。80年代后限制开采,天津市区的地下水位得以部分恢复,导致第一含水层组底部和第二含水层组处于严重的超固结状态。抽水试验结果表明,基本处于正常固结状态的第一承压层在抽水-恢复过程中变形以塑性变形为主,处于超固结状态的第二承压层变形以弹性变形为主,在反复降水-恢复中仍然会产生一定量的塑性变形,即当水位恢复时承压层压缩变形并不能完全恢复;受"土拱"作用影响,承压含水层降水引发的土体沉降最大值并不位于地表,而是位于抽水含水层上覆弱透水层附近。     

开采条件下山东德州深层水资源组成及其与地面沉降的关系

针对德州长期过量开采深层水导致地下水位不断下降、地面沉降等环境地质问题,以深层地下水动态、地面沉降监测及其对应的粘性地层为主要研究对象,应用水文地球化学、地下水动力学和同位素技术方法,初步查明深层水主要形成于末次冰期盛期的大气降水补给;考虑地面沉降条件下,开采资源中20.6%的侧向径流补给和越流补给来自区域径流系统,反映深层地下水具有一定的更新能力;含水层弹性释水占17.5%,其中61.9%来自粘性土的压密释水,这是产生地面沉降的直接原因。     

螺旋板载荷试验及其应用

地基土的变形模量(或压缩模量)、固结系数、不排水抗剪强度(或排水强度)是计算地基变形和验算地基强度所需要的重要参数。本文报导在上海的二个场地,用螺旋板载荷试验求砂性土的压缩模量、固结系数;粘性土的不排水抗剪强度、变形模量的成果资料和分析讨论。     

Prediction of stresses and strains around model tunnels with adjacent embedded walls in overconsolidated clay

This paper presents the results of finite element analyses carried out using different constitutive models for overconsolidated clay: the Modified Cam clay model and the Three-Surface Kinematic Hardening (3-SKH) model. These analyses are evaluated against data from an extensive series of physical model tests examining the influence of an embedded wall placed near a tunnel on ground movements and tunnel stability. It is shown that for heavily overconsolidated soils reasonable predictions of both deformations and failure can be obtained from kinematic hardening models such as the 3-SKH model, which allow plastic deformation inside a Modified Cam clay state boundary surface.     

天津滨海地区深部黏土层弹塑性变形特征与地面沉降关系研究

利用在滨海新区施工的2眼全取芯钻孔（G2和G3）,通过原状土样工程特性指标测试、固结压力试验、0-P0反复加、卸荷试验及地面沉降分层标监测数据分析等,系统阐述了滨海地区深部黏性土层弹塑性变形特征与地面沉降的关系。结果表明：天津滨海地区100 m以浅主要为欠固结土层;100～400 m土层处于超固结和微超固结状态,主要是由过去地下水超量开采造成的;400 m以下土层以正常固结为主。G2和G3孔不同层位黏性土层在反复加、卸荷试验过程中表现出塑性变形量逐渐减小,而弹性变形量几乎不变,与反复加、卸荷次数无关,表明黏性土层在水位反复升降条件下,逐渐变为以弹性变形为主。黏性土层这种特性显示,在地下水位反复升降多次后,黏性土层将会逐渐变成弹性体,在水位恢复时,将产生同步回弹,对防治地面沉降具有重要意义。分析弹塑性变形与黏性土层深度、天然含水率和黏粒含量的相关性发现：弹性变形量与黏性土层深度、天然含水率及黏粒含量呈正相关性;塑性变形量与深度相关性不明显,与天然含水率和黏粒含量呈负相关性。     

一种考虑黏聚强度的改良土弹塑性本构模型

改良土中土颗粒和水化物形成具有一定结构的聚合体而表现出较强的结构性。与重塑正常固结土相比,改良土的结构性更强且具有一定的超固结比。在变形发展过程中,由于聚合体结构逐渐破坏,黏聚强度逐渐损失,土体表现出应变软化的力学特性。基于适用于超固结重塑黏土的统一硬化模型,引入改良土黏聚强度及其随塑性变形的演化规律,对统一硬化参数进行了修正,并采用更适用于改良土的非关联的流动法则,建立了一个可以较好地描述改良土力学特性的弹塑性本构模型。通过与水泥改良土和石灰改良土的三轴剪切排水试验的结果进行对比,该模型能够较为合理地描述改良土加载过程中黏聚强度损失对其力学特性的影响。黏聚强度的存在导致土体表现出超固结土的特性,当黏聚强度损失时会加剧土体的软化速度。     

Regional land subsidence simulation in Su-Xi-Chang area and Shanghai City, China

Su-Xi-Chang area and Shanghai City, located in the south of Yangtze Delta, China, has subsided due to groundwater overpumping. Because of the regional scale of the groundwater exploitation, cone of depression and land subsidence at present, Su-Xi-Chang area and Shanghai City are treated as a single area for land subsidence study to avoid the uncertainty of boundary condition due to the regionalism. The characteristics of aquifer system compaction are complex because of the difference in the types, compositions and structures of the soils that the hydrostratigraphic units are composed of, and in the histories of groundwater level change the hydrostratigraphic units have experienced. Considering the fact that different hydrostratigraphic units have different kinds of deformation and that an identical unit may also present different deformation characteristics, such as elasticity, elasto-plasticity, and visco-elasto-plasticity, at different sites of the cone of depression or in different periods, corresponding constitutive laws have been adopted. This avoids the shortcomings of the previous research that the same constitutive law was adopted in all the hydrostratigraphic units during the entire time period. A coupled flow and subsidence model, which includes a three-dimensional flow model with variable coefficients and a one-dimensional (vertical) subsidence model, is built according to the complicated hydrological condition in the region. The simulation model is calibrated using observed data, which include compression of individual strata from groups of extensometers and groundwater levels from observation wells from 1995 to 2002. The model reproduced that the primary subsidence layer in Shanghai shifts from the shallow aquitard to the fourth confined aquifer because of the groundwater yield variations and the change of exploitation aquifers. However the third aquitard was the primary subsidence layer in Su-Xi-Chang area and the compaction deformation of the sandy aquifers was remarkable. The simulation results could provide some reasonable advice about groundwater exploitation in the future.     

华北平原典型地段地面沉降演化特征与机理研究

华北平原是世界上最大的地下水系统之一,地面沉降问题突出。由于沉积环境变化多样、地质条件差异性显著和人类开采活动强烈,使得该地区地面沉降成因机理复杂。本文采用卫星对地观测技术与传统手段相结合,监测地面沉降灾变过程,分析华北平原地面沉降发展历史和现状。结合应力-应变图解法及土工实验研究地面沉降差异性特征及滞后变形成因机理。取得了以下关键认识:(1)华北平原地面沉降空间分布差异性明显,沉降主要分布在平原区第四纪沉积凹陷,呈现东西分带、南北分段特点。地面沉降空间发展部分受到北东向和北西向构造控制。在沧县隆起区,地面沉降也比较发育,主要原因是沧县隆起在第四纪时期构造运动相对不活跃,沉积了较厚的第四系;存在与构造走向一致的3期古河道,该地区赋存丰富的地下水资源并被大量开采。(2)地面沉降发生发展与地下水开采历史密切相关,沉降主要压缩贡献层随地下水开采层位变化而变化。北京平原100 m以深地层对地面沉降贡献呈增加趋势。天津平原目前地面沉降的主要贡献层来自300 m以下地层。(3)气候干旱导致地下水补给量减少,同时增加了地下水的开采,因而是引起地面沉降的重要间接驱动因素。高层建筑荷载、基坑降排水、地热开采对地面沉降的影响应引起足够重视。(4)地面沉降具有很强的滞后性,最大滞后时间可达25年。除了渗透固结成因以外,土体蠕变是另外一个重要原因。更新世地层在不同荷载下,蠕变特征明显。沧县隆起晚更新世地层次固结可达到总变形28.3%。(5)土的物理性质、地下水位变化模式对土层变形特征具有重要影响。不同埋深地层在地下水位变化条件下的变形特征存在较大的差异(弹性、黏弹性、黏弹塑性)。浅部含水组呈现以弹性为主的变形特征。     

The drainage of the aquitard and its implication for groundwater exploitation in Hengshui City

The deformation and the drainage of the aquitard is the main concern in the North China Plain(NCP), and the water released from aquitard compaction may be a large portion of the exploited groundwater. The skeletal specific storage of aquitard is the element parameter to the drainage of aquitard, and the undisturbed core samples are the best choice for the measurement of the physical parameters. In this study, the consolidation test was employed to analyze the skeleton specific storage of the clay sample drilled from Hengshui City, and the contribution from the drainage of aquitard to the groundwater exploitation. The results suggest the consolidation test can be utilized to understand the skeletal specific storage of aquitard, which is about 3.92×10-4 m-1 in the Hengshui. The water-saturation content of the aquitard was less than 100%, and the amount of the drainage of the aquitard was about 69% of the volume of land subsidence. The water released from aquitard compaction was about 35% of the groundwater exploitation to the deep aquifers.     

上海市第四承压含水层变形特征研究

上海市自1968年调整开采层次以后,第四承压含水层逐渐成为地下水主要开采层次,历史上曾因过度开采利用地下水而成为主要的压缩土层。本文依据上海市长期的地下水位和地面沉降监测资料,总结了第四承压含水层在不同水位变化条件下的变形特征,同时根据压缩试验资料,对第四承压含水层变形机理探讨,为合理开发利用地下水资源提供理论依据。     

上海市承压含水层系统应力-应变特征及地面沉降防治对策

1990年以来，上海市地下水开采与人工回灌格局发生了较大的变化。承压含水层地下水位变化与压缩变形均表现为新的特点与发展趋势。通过对上海中心城区含水层系统的应力一应变特点分析，总结了承压含水层随地下水位下降所表现出的弹性一弹塑性一塑性变形的演化规律。上海中心城区第Ⅱ、Ⅲ承压含水层总体上处于地下水开采与人工回灌的平衡状态，表现为弹性变形；而第Ⅳ、Ⅴ承压含水层由于地下水位目前已严重低于其“临界水位”，表现为持续压缩的塑性变形。目前，第Ⅳ承压含水层对中心城区地面沉降贡献率已达到了49．3％，西部华漕地区第Ⅴ承压含水层变形的贡献率为46．7％。针对各承压含水层不同的变形特点，提出了地下水资源管理与地面沉降防治对策。     

吸力历史对非饱和土力学性质的影响

现在被广泛公认的由Fredlund提出的非饱和土力学的双参数理论,即净应力和吸力为非饱和土的应力状态变量,不能直接考虑吸力历史及其饱和度对非饱和土的应力-应变关系和强度的影响。非饱和土三轴试验结果表明,即使净应力和吸力相同的条件下,经过干-湿循环试样与未经过干-湿循环试样的应力比-应变关系和强度是不相同的。在其他条件相同时,经历过干-湿循环的试样比未经过干-湿循环试样的应力比-应变关系要高、强度大和体变小。经过干-湿循环试样的饱和度低而强度高,主要是由于经过先期较高的吸力,相当于受过较大的前期有效压力,使试样成为超固结土。更多不同吸力历史的对比试验有待于进一步研究,以便为非饱和土的水力-力学特性耦合弹塑性本构模型定量地表示上述非饱和土的性质提供基础性试验数据。     

Visual Modflow在松嫩平原地下水动态调查评价中的应用

为了对松嫩平原地下水进行动态模拟评价,以Visual Modflow软件为平台,采用2008~2009年最新的监测数据,开展研究区地下水的数值模拟验证.结果表明,模型拟合误差的平均绝对值在0.5 m左右,VM软件能够满足地下水动态评价的要求,可以在大型盆地开展地下水动态评价.预测结果表明,目前地下水开采量的增长是不可持续的,应该设计更加科学合理的开采计划,保护地下水资源.