软土地区地铁道床沉降特征及其诱发因素分析

以上海4条地铁线路道床长期沉降监测资料为基础,分析了地铁隧道的纵向沉降特征;结合该地区地质环境调查资料,深入分析地铁隧道沉降与下卧层地层结构、浅部地下水位变化以及区域地面沉降三个地质环境因素之间的相互作用关系。结果表明,地铁隧道下卧地层结构差异是地铁隧道沉降差异性的重要地质环境因素,深基坑降排水引起降水目的含水层地下水位下降,使得降水目的层以及相邻软黏性土层发生较大的压缩变形,导致以降水目的层上覆软黏性土层为承载体的地铁隧道也随之发生沉降,区域地面沉降也是地铁隧道沉降的重要影响因素。     

区域沉降对京津城际高铁北京段线路坡度影响分析

地面沉降是北京平原区最主要的地质灾害之一,形成了多个沉降中心,其将对高速铁路运行的安全性产生不利影响。以我国首条高速城际轨道交通—京津城际高铁工程为例,分析铁路沿线地面沉降发育现状,以及该线路运营五年多来的差异沉降与坡度变化特征。结果显示,由区域沉降导致的差异沉降量较大,但沉降坡度变化目前仍处于高铁轨道平顺性的设计要求许可范围内。以该线路100年使用年限的设计指标为预测时段,按2013年度沉降速率及2008~2013年间的平均沉降速率分别估算因差异沉降而导致的线路坡度变化,其最大值为3‰左右,远低于20‰的设计临界线;但显著的累计沉降量无疑将影响线路维护及安全运行。指出须采取切实有效的地面沉降防治措施,以减缓高铁线路坡度的变化速率。     

地面沉降对高速铁路的影响分析

北京平原区快速发展的地面沉降对高速铁路的发展构成了威胁,地面沉降与过量开采地下水造成的水位下降关系密切,为此有针对性地开展基于高速铁路的地下水动态与地面沉降相关关系研究对于高铁安全运行意义重大,特别是对于制定高铁沿线地下水开采方案、地面沉降减缓措施和工程措施至关重要。基于其对高速铁路的影响模式,本文将地面沉降分为区域沉降和局部沉降两种类型。针对区域沉降,利用Logistic方程,使用天竺、望京及王四营分层地面沉降和地下水位数据,构建了不同层位地下水水位变化与地面沉降之间的相关关系模型,通过ABAQUS计算局部地区,对于6m高路堤和15m CFG桩处理深度的地基而言,当渗透系数k=2m／d,距离线路边缘25m处浅层地下水下降10m将产生约61—85mm的沉降。     

京沪高速铁路沿线地面沉降与地下水位变化关系探讨

文章选择京沪高速铁路沿线的北京、廊坊、天津、沧州、德州等几个沉降中心的监测数据及研究资料,对比分析发现地面沉降发展与地下水位变化密切相关,依此建立了地面沉降与地下水位变化的经验关系,进一步分析预测了华北平原各主要沉降区地面沉降发展趋势。结果表明:北京地区地面沉降变化与水位变化线性相关明显,地面沉降对地下水位变化反应较灵敏,无明显临界水位;廊坊、天津及沧州地区显示指数相关,有较明显的临界水位,沉降过程存在初期缓慢沉降和快速沉降两个阶段;德州市在监测时段内显示二次函数相关,可能存在临界水位,但不如天津至沧州地区明显。各主要沉降区除天津市区地面沉降已经得到有效控制外,随着地下水资源的不断超采,过量消耗深层地下水储量,其它沉降区的地面沉降将持续发展,地面沉降灾害问题也必将日趋严重。     

沧州市地面沉降研究及防治对策

河北省沧州市发生了严重的地面沉降，至2001年的30年间，沧州市沉降中心的地面沉降量已超过2m，导致了城市内涝积水，河床下沉，影响南水北调等引水工程安全。经研究提出了地下水等液体资源的过量开采是诱发地面沉降的主要原因，而厚大的粘性土层为地面沉降的发生提供了物质基础。粘性土的释水压缩的永久性决定了地面沉降的不可逆性。通过不同时期沧州市地面沉降累计沉降量和地下水位降深的相关分析，建立了二者之间的相关公式，提出了警戒水位降深(临界)值(40m)和限制降深(止采)值(70m)，并进行了地面沉降发展趋势预测。文中提出以调控地下水位为主，避让和工程措施相结合的防治对策，以期对沧州市地面沉降防灾减灾工作有所促进和帮助。     

广州金沙洲岩溶区地下水位变化与地面塌陷及地面沉降关系探讨

金沙洲可溶性灰岩分布面积广,岩溶洞隙发育,洞隙及地下水的连通性强,上覆第四系松散土体中软土广泛分布,客观存在岩溶地面塌陷及地面沉降的地质环境条件。2007年4月起,受某高铁隧道施工抽排地下水的影响,金沙洲地下水出现异常波动,引发了地面塌陷及地面沉降。文章根据监测数据,经对比分析结果表明,区内岩溶地面塌陷及地面沉降受控于地下水位的变化,地下水位波动至基岩面附近时,是地面塌陷较活跃的时期,地面沉降与地下水位变化呈正向相关。文章进一步对地面沉降与地下水位变化关系的机理进行了探讨,认为目前地下水位尚未恢复正常的区域仍存在地面塌陷及地面沉降的隐患。     

抽降地下水引起地面沉降的计算与预测

通过理论分析,提出抽降地下水引起地面沉降的计算方法,并根据抽降承压水引起地面沉降的估算公式对沉降及差异沉降进行预测.     

北京地区基于不同地面沉降阈值的地下水位控制分析

城市地面沉降是对城市规划建设、经济发展和人民生活构成威胁的地质灾害。为了探究地下水位与地面沉降的关系,本文对北京顺义地区天竺地面沉降监测站多年分层地面沉降及对应含水层组地下水位监测数据进行统计分析,建立了该地区基于累计沉降量与含水层组水位标高、水位变幅及水位波动的多元回归模型,并对所建立的回归方程进行了检验,研究分层地面沉降与地下水位变化的定量关系,并结合《全国地面沉降防治规划(2011—2020)》中北京市的控沉目标,设置该地区不同地面沉降速率控制阈值,计算得到各层位达到控制阈值时所对应的地下水位,为下一步合理调整地下水开采层位,开展地面沉降防控工作提供科学依据。     

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.      

岩溶区线性工程影响下的地下水监测及数值模拟研究——以广州市金沙洲为例

以广州市金沙洲地区的水文地质条件及地下水位监测结果为基础,应用地下水数值模拟FEFLOW 软件建立了金沙洲地区的地下水系统的数值计算模拟模型。模拟结果表明:（1） 高铁金沙洲隧道施工降水是引起金沙洲地下水流场变化的主要原因,高铁隧道施工大量抽排地下水时,地下水位变化形成以抽水点为中心的降落漏斗;（2） 随着抽水量的加大,形成水位下降漏斗及地下水强径流排泄带,加速地下水对泥沙的搬运动力,增大对岩土体结构的冲刷作用,使与岩溶管道连通的土洞及覆盖层稳定性受到破坏,从而导致地面塌陷的发生;（3） 随着地下水水位的下降,金沙洲一带的软弱淤泥土容易出现排水固结沉降和失托沉降,从而产生地面沉降灾害。      

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。     

天津平原地下水可开采量与确定依据

根据深层地下水开采对地面沉降的影响比较,天津中部平原和滨海平原第二、三含水层组深层地下水开采对地面沉降影响较小,为适宜开采层位。地面沉降控制在10 mm/a,第二、三含水层组深层地下水可开采量为2.68亿m3/a。中部平原浅层地下淡水、微咸水,在技术经济上鼓励开采,可开采量为1.64亿m3/a;山前平原地下水现状开采强度未引起明显的环境地质问题,开采强度适当,可开采量为2.79亿m3/a。天津平原生态环境保持良好,地下水总的可开采量为7.11亿m3/a。     

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     

地基土沉降对复合地基影响的三维数值模拟

通过对复合地基在正常使用条件下和地基土沉降后的三维数值模拟,研究了复合地基由地下水位下降引起的地基土沉陷后的沉降、桩体摩阻力分布和桩身轴力分布的变化。分析表明：随着地基土沉降的增加,加固桩体和基础的沉降加大,中性点位置逐渐下降,桩身轴力有所增大;在加强桩中,中心桩的中性点最低,边桩次之,角桩最高;随着地基土沉降的增加,各桩中性点位置差异逐渐减小,桩体上部负摩阻力作用的桩身长度更长,负摩阻力值逐渐增大。     

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.     

Mechanics of land subsidence due to groundwater pumping

This paper presents the formulation of the basic mechanics governing the changes in stress states from groundwater pumping and comparisons among predicted land subsidence from this mechanics with existing analyses and field data. Land subsidence is a growing, global problem caused by petroleum and groundwater withdrawal, mining operations, natural settlement, hydro‐compaction, settlement of collapsible soils, settlement of organic soils and sinkholes. This paper is concerned with the land subsidence due to groundwater level decline by groundwater pumping. It is shown that the stress state consists of asymmetric stresses that are best simulated by a Cosserat rather than a Cauchy continuum. Land subsidence from groundwater level decline consists of vertical compression (consolidation), shear displacement and macro‐rotation. The latter occurs when conditions are favorable (e.g. at a vertical interface) for the micro‐rotation imposed by asymmetric stresses to become macro‐rotation. When the length of the cone of depression is beyond √2 times the thickness of the aquifer, simple shear on vertical planes with rotation is the predominant deformation mode. Otherwise, simple shear on horizontal planes is present. The predicted subsidence using the mechanics developed in this paper compares well with data from satellite‐borne interferometric synthetic aperture radar. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.     

中国典型地区地下水位对环境的控制作用及阈值研究

研究采用理论分析和实践成果相结合、区域宏观分析与典型地区深入剖析相结合的研究方法,从地下水不合理开发利用引起的环境问题出发,选取华北地区、西北地区以及沿海地区作为典型区,分析地下水位对环境的控制作用,提出了具有针对性的地下水位控制阈值。华北平原有利于山前调蓄的地下水位埋深为10m、中东部平原浅层控制土壤盐渍化水位埋深为2~3 m、防止地裂缝的水位埋深为7 m、深层控制地面沉降水位埋深为50 m、浅埋岩溶区地下水位应控制在岩溶含水层上覆的松散岩类的底板高程(2 m)之上;西北地区控制天然植被衰败的地下水位埋深为2.0~4.5 m和人工绿洲灌溉期控制土壤盐渍化的地下水位埋深为1.2~1.5 m,非灌溉期中冻结期地下水位埋深1.3~1.5 m,冻融期为2.2~2.7 m;沿海地区防止海水入侵的地下水位阈值应控制在漏斗中心水位高程-5~-6 m,最大不超过-8 m。上述地下水位控制阈值的确定,为实施地下水总量控制和水位控制管理提供了科学依据。     

海河平原东部地区地面沉降机理与趋势

海河平原东部地区是中国水资源最紧缺的地区之一。地下水开采量占该地区供水总水量的60％以上。深、浅层地下水超采量均超过500亿m^3。该区也是山前拦蓄地表径流最高的地区,大小水库达1820多座,拦蓄能力320亿m^3,控制山区流域面积近90％。在地下水补给源减少与大规模超采地下水的综合作用下,造成平原区河流干涸、地下水水位持续下降、含水层疏干及地面沉降等环境地质问题。同时诱发了含水层之间强越流渗透以求动力场平衡问题,第四系松散地层出现垂向压密而导致地层塑性变形。在滨海平原区,区域性地层垂向压密变形存在缓慢发展趋势。研究表明,地面沉降致灾过程至少存在3个阶段,即自然沉降机制阶段、缓变劣变质变阶段以及快速衰变破坏阶段。缓变劣变质变阶段是采取措施减灾最佳时期。     

Pumping-induced stress and strain in aquifer systems in Wuxi,China

Excessive groundwater withdrawal from an aquifer system leads to three-dimensional displacement, causing changes in the states of stress and strain. Often, land subsidence and sometimes earth fissures ensue. Field investigation indicates that land subsidence and earth fissures in Wuxi, a city in eastern China, are mainly due to excessive groundwater withdrawal, and that they are temporally and spatially related to groundwater pumping. Groundwater withdrawal may cause tensile strain to develop in aquifer systems, but tensile strain does not definitely mean tensile stress. Where earth fissures are concerned, the stress state should be adopted in numerical simulations instead of the strain state and displacement. The numerical simulation undertaken for the Wuxi area shows that the zone of tensile strain occupies a large area on the ground surface; nevertheless, the zone of tensile stress is very limited. The zone of tensile stress often occurs near the ground surface, beneath which the depth to the bedrock surface is relatively small and has considerable variability. Earth fissures often initiate near the ground surface where tensile stress occurs. Tensile stress and earth fissures rarely develop at the centers of land subsidence bowls, where compressive stress is dominant.     

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。