基于BOFDA的砂—黏土互层垂向变形物理模型试验研究

地面沉降作为一种常见地质灾害对城市发展造成巨大威胁，有效监测土层的垂向变形过程是地面沉降防治的一项重 要工作。文章采用布里渊光频域分析（BOFDA） 技术，利用室内地面沉降模型，对砂—黏土互层土体在排灌水循环中的垂 向变形进行分布式监测，并结合固结压缩试验对土体的垂向变形进行分析。结果表明：黏土层为地面沉降的主要变形层； 在排灌水循环中，土体也会经历压缩—回弹的循环。此外，BOFDA分布式监测技术可以有效地捕捉砂—黏土互层土体在排 灌水状态下的垂向变形情况，实现对地面沉降发育过程中土体垂向变形的实时监测。研究结果可为实现地面沉降的有效防 治措施提供一定的参考依据。     

降水及回灌过程中土体变形响应室内模型试验研究

过度抽取地下水是引起地面沉降的主要原因,而人工回灌地下水能在一定程度上延缓地面沉降的速率并能使地面发生部分回弹。为研究降水及回灌过程中土体变形规律,本文设计了砂土-黏土-砂土互层的室内模型试验。针对室内模型试验,选取特种感测光纤,研究了光纤的埋设工艺,运用分布式光纤感测技术捕捉土体在水位变化过程中各土层的应变数据;采用传统的分层沉降标和测水头管,观测了试验过程中土体沉降变形和自由水位面变化;对比分析了分布式光纤感测技术在降水及回灌过程中对于土体内部变形监测的准确性与可靠性,研究了该过程中土体变形对水位变化的响应规律。研究成果为地下水位和土体变形长期观测资料的合理分析提供了试验依据,并有助于推动分布式光纤感测技术在地面沉降现场监测中的应用。     

基于DFOS的排灌水条件下土体变形响应模型试验研究

黏土层和砂土层交替变化的多层土体在强烈开采地下水作用下极易产生压密固结而引发地面沉降灾害。本文针对含水层释水引起地面沉降问题,研制了地面沉降试验装置,进行了排灌水条件下含水层系统的沉降及回弹试验。采用分布式光纤感测技术对土体内部应变分布及含水率变化进行耦合监测,并分析了各分层对水位变化的响应特征。结果表明:黏土层和砂土层均表现出了排水压缩和灌水回弹特点,黏土层变形较砂土层明显。各层变形与含水率变化具有良好的对应关系,表现为砂土层变形和含水率变化基本同步,而黏土层变形略微滞后于含水率变化。黏性土压缩曲线具有明显的分段特征,排水时当含水率低于液限后迅速减小,黏土层压缩速率明显加快;回灌时当含水率高于液限后,回弹速率明显加快。试验结果对研究地面沉降机理、评价地面沉降潜力及地下水利用具有重要意义。     

基于BOFDA的地面塌陷变形分布式监测模型试验研究

地面塌陷变形作为一种分布广泛的地质灾害已成为目前城市发展中亟待解决的一个问题。文章使用布里渊光频域分 析（BOFDA）技术对地面塌陷变形进行分布式监测模型实验研究。利用自制的地面塌陷物理模型,对不同类型、不同厚度 土体在塌陷过程中的变形进行分布式光纤监测,并对其试验结果进行对比分析。结果表明：基于BOFDA分布式光纤传感技 术可有效捕捉到地面塌陷变形的发生和发展过程,并较为准确地反映出地面的塌陷变形规律。研究结果为该技术在地面塌 陷变形监测的推广应用提供一定的参考依据。     

连云港徐圩地面沉降BOTDR监测与评价

连云港市位于苏北沿海地区,地面沉降灾害面积较大,多地沉降速率超过20 mm/a,徐圩的沉降现状尤为严重。为了能够对徐圩地区的地面沉降进行精细化观测,文章采用BOTDR分布式光纤感测技术,对徐圩镇127 m深的钻孔地层进行了两年多的全断面精细化监测。结果表明:徐圩镇共有四个承压含水层组,I-1隔水层和I-2隔水层土体沉降量分别占总沉降量的70.29 %、24.59 %,抽水层的土体最大沉降量仅占比1.38 %。I-1隔水层和I-2隔水层的地层岩性包括淤泥质黏土（L2）、亚黏土（L3）、亚砂土夹粉砂（L4）,总厚度为44 m,由于抽水过程中隔水层向含水层失水,导致该隔水层土体固结压缩。同时,工程建设附加荷载对地面沉降的影响也不可忽视。徐圩地区现阶段的沉降仍在继续发生,但沉降速率有减小的趋势。BOTDR技术可有效获取地面沉降钻孔全断面的土层变形分布信息,为地面沉降评价提供了一种精细化的分布式监测手段。     

冲洪积平原地面沉降特征及主控因素——以北京平原为例

北京由于长期过量开采地下水,相继引发了一系列地质环境问题,其中地面沉降问题尤为突出。回顾了北京地面沉降发展历史,从平面和垂向上分析了地面沉降特征,在此基础上对北京冲洪积平原区沉降的主控因素进行了研究。结果表明:(1)平面上,沉降分为南、北2个大区,7个沉降中心。北区已由多个单独沉降中心区扩展成一个大区域,南区北扩明显;(2)垂向上,南区第一压缩层为沉降主贡献层,沉降占比42%,浅部地层沉降速率减小,深部地层沉降速率增加。土体变形特征为塑性变形,包含蠕变变形;北区第二压缩层为沉降主贡献层,沉降占比65%,浅部沉降量值很小且波动平缓,深部沉降量相对较大。土体变形特征为浅部以弹性变形为主,深部以塑性变形为主,包含蠕变变形;(3)沉降受构造作用及基底格架控制,北东方向受冲洪积扇上部单一砂卵砾石的地层条件控制扩展范围有限,沉降整体向北西、南东方向扩张;(4)地层结构决定沉降平面和垂向分布特征,尤其北部冲洪积与南部湖相沉积的差异,是产生深浅部地层沉降贡献率不同的重要因素;(5)地下水开采仍是沉降产生的主因,地下水漏斗的扩展和沉降中心的分布高度吻合,主要沉降层地下水位下降速率与沉降速率成正比。     

基于DFOS的苏州第四纪沉积层变形及地面沉降监测分析

苏州地区广泛分布松散第四纪沉积物,大量抽取地下水导致了苏州大范围的地面沉降,严重影响了该区经济发展。本文在苏州盛泽200m钻孔内安装了分布式感测光纤,采用BOTDR及FBG等分布式光纤感测技术(DFOS),对第四纪沉积层压缩及地面沉降进行了长期的监测分析。分析结果表明:苏州盛泽地区第四纪土层可分为3个含水层(Af)及4个弱透水层(Ad),现阶段含水层压缩已不明显,主要压缩层为与抽水含水层相邻的两个隔水层,且与抽水含水层距离越近的部位压缩越明显; 第四纪沉积层的变形与抽水含水层孔隙水压变化基本一致,呈现出夏季压缩,冬季略回弹的趋势,并且存在滞后现象; 定义压缩度为各层累计压缩量与其自身厚度的比值,即每米压缩量。各土层沉降趋势可用压缩度判断,对于黏土隔水层沉降程度Ad2 Ad3 Ad4 Ad1,对于含水砂层,Af2为主要变形层,Af1及Af3变形基本稳定。DFOS技术为研究地面沉降机理,评价土层压缩变形潜力提供了十分先进的监测手段。     

基于分层监测的北京天竺地面沉降、地下水位与孔隙水压力变化规律

为揭示天竺地面沉降监测站102 m以浅地层分层沉降规律,对天竺分层监测数据进行了分析。研究发现：①地面沉降主要发生在粘性土层,地面沉降发育情况与粘性土含量成正比,粘性土层在有效应力持续增大的作用下被压缩。②季节性变化特征方面,在一个水文年内,地面沉降所表现出的季节性形变特征与地下水位动态变化趋势有较高的相关性,丰水期地面沉降速率减缓,枯水期地面沉降速率明显增大。③不同深度土层变形量及其在总沉降量中比重构成的变化与相应的含水层水位变化幅度密切相关,现阶段北京地面沉降区浅部土体压缩减缓,中深部土体多以较快的速度持续压缩。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; 天竺站浅部水流从第Ⅰ粉土层向第Ⅰ中砂层越流,中部水流从第Ⅱ细砂层向第Ⅱ粘土层越流,深部水流从第Ⅲ粉质粘性土层向第Ⅱ细砂层越流。     

天津黏土的微观结构与压缩变形特征

地面沉降是天津市平原区的主要地质灾害,产生地面沉降原因之一为地下水开采层内黏性土压缩。为深入认识黏性土压缩变形特征,对不同深度黏土样品进行黏土物质组成、微观结构特征、孔径分布等方面的微观结构测试分析。大于10μm孔隙主要为碎屑颗粒刚性骨架孔隙结构,选取的8组原状样品中的5组孔隙率大于30%,现状黏性土仍处于快速压实阶段;孔隙分布表明,黏土压缩过程主要为大于1μm的孔隙变形,变形后由更细小颗粒填充。分析研究成果对地面沉降防治具有一定指导意义。     

地面变形分布式光纤监测模型试验研究

地面变形监测在防治地面塌陷、地面沉降和地裂缝等危害中有着极其重要的地位。本文采用气囊法对地面变形的发育过程展开了分布式光纤监测模型试验研究,详细介绍了分布式光纤监测的技术原理和试验方案,并对不同工况条件下分布式光纤监测结果进行了对比研究。研究结果表明:分布式光纤监测技术能够有效地捕捉不同条件下土体的变形情况,其马鞍型应变分布曲线能够清晰地定位底部拱形的形成区域以及地面变形可能发育的位置,该技术可应用于地面变形发育过程中土体的变形监测。     

北京平原区现阶段主要沉降层位与土层变形特征

超量开采地下水引发的地面沉降已成为北京平原区最主要的地质灾害之一.精准识别现阶段地面沉降主要贡献层位,查明不同水位变化模式下土层变形特征,对实现地面沉降精准防控,建立合适的地下水-地面沉降模型具有重要意义.本文根据北京市7个地面沉降监测站内分层标和水位近十几年观测资料,对不同深度土层沉降变化特征和主要沉降层位进行了精准...     

广州南沙区地面沉降分布特征及成因

广州南沙区地面沉降已经影响到城市发展和人民生命财产安全,为了制定科学有效的措施防止地面沉降进一步发展,文中基于InSAR监测数据和水准监测数据,总结分析了地面沉降分布特征,地表形变多为小范围的、局部地区的剧烈沉降。在此基础上,针对6个沉降严重区域,采用机理模型定量估算了各因素引起的地面沉降量及所占比重,得可压缩土层引起的沉降量为34.43～96.97 mm/a,所占比重在37.07%～75.67%,地下水水位和地面荷载的最大影响比重分别为26.28%和52.40%。并且通过研究分析地面沉降主要因素及影响程度,为科学防治该地区地面沉降提供科学依据。     

华北平原地下水位驱动下的地面沉降现状与研究展望

华北平原年地面沉降量大于50 mm的严重区面积超过全国总量的80%,防治形势严峻,需要开展有针对性的研究,为有效防控地面沉降提供科学依据。华北平原建立了较完善的地面沉降监测网络,基本掌握了地面沉降现状及演化规律,但受华北平原含水层系统影响因素复杂与时空变化大等因素制约,对地下水位变化驱动下的土层变形特征及其机制研究迄今仍比较薄弱,限制了对地面沉降发展趋势的科学研判和预测预警。在总结国内外地面沉降研究进展、基于高时空分辨率监测数据分析华北平原地面沉降现状和发展趋势的基础上,提出了地下水位变化影响下的地面沉降研究方向。目前,华北平原地面沉降出现减缓态势,天津、沧州、衡水等重点城市主城区地面沉降得到有效控制,但华北平原尤其是河北平原地面沉降总体上仍然处于较快发展阶段,主要原因是农业灌区地下水开采得不到有效控制。未来华北平原地面沉降研究应聚焦地面沉降机理和预测预警、地下水位回升驱动下的土层变形规律及其对环境的影响、地面沉降区地下水资源属性及地热开发与地面沉降关系等方面。     

苏州轨道交通盾构隧道施工与运营期BOFDA监测技术研究

盾构隧道越来越广泛的应用于地下交通工程及地下管道构筑物中,其结构健康监测是保障隧道长期健康服役和反馈隧道安全隐患的重要课题。布里渊光频域分析技术（Brillouin Optical Frequency Domain Analyzer,BOFDA）是近年来国际上发展起来的分布式光纤传感新技术,并开始应用于岩土体内部变形的监测。本文依托苏州轨道交通盾构隧道结构健康监测项目,将基于BOFDA的分布式光纤感测技术应用于盾构隧道施工和运营期的结构安全健康监测。作者设计了可行的监测方案,研发了合理的光纤传感器及配套夹具,对隧道环向收敛、纵向沉降以及伸缩缝的变形进行了监测,取得了一批反映盾构隧道施工和运营期的结构安全健康监测数据,并对隧道的健康状态进行了分析。监测结果表明：BOFDA技术可有效地对隧道结构变形异常点、渗漏点和管片错动处等准确定位和监测,具有分布式、长距离、耐腐蚀、成活率高等技术优势,是地铁盾构隧道施工和运营期结构健康监测的一种十分有效的新手段。     

天津滨海新区地面沉降层位的精准识别与沉降过程重建

塘沽地区地面沉降是新生代松散沉积物多层位沉降叠加的结果,精准识别各层位的沉降贡献是该区地面沉降防控的关键。利用塘沽G2地面沉降分层标组2011—2014年观测数据,对新生代沉积物不同层位的地面沉降进行了精准识别;结合以前的分层标观测资料,重建了1960年以来不同层位的地面沉降过程。结果显示,在1960—1970年地下水开发初期,地面沉降主要层位是浅部粘性土自然固结和第二含水组地下水开采;1970—1980年深层地下水开采高峰期,主沉降层位由二组逐渐加深到三、四组;1985年以后实施了地面沉降控制措施后,第四系地下水开采引起的地面沉降逐渐减小;2000年之后,随着滨海新区的成立和大规模的城市建设,城市建设引起的建筑基础沉降逐渐成为主要的沉降层。通过对不同时期主要地面沉降层位的转换过程分析,提出地面沉降精准防治新思路。