土体自重固结压缩对地面沉降影响研究

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1、地质学刊第38卷第3期doi：10．3969／j．issn．1674—3636．2014．03．504土体自重固结压缩对地面沉降影响研究田开洋1，陈兴贤2，谈金忠1(1．江苏南京地质工程勘察院，江苏南京210041；2．江苏省地质矿产勘查局，江苏南京210018)摘要：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

2、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2．42mm，最大地面沉降速率为0．16mm／a，土体自重固结压缩对南通市地面沉降的影响极为有限。关键词：自重固结；地面沉降；比奥固结理论；地下水渗流；三维全耦合数值模型；江苏南通中图分类号：P641．2文献标识码：A文章编号：1674—3636(2014)03—0504—070引言地下水开采引起地下水渗流场变化和土体自重固结压缩引起的应变场变化相互叠加，致使区域地面沉降愈来愈严重。国内外学者对区域地面沉降的研究起步很早，但更多的是对基于抽水引发的地面沉降影响研究(陈

3、希崇等，2001；骆祖江等，2008；Luoetal，2011)，对土体自重固结压缩引起的地面沉降研究尚不多见。为了准确评价土体自重固结压缩对地面沉降的影响，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推广到黏弹塑性，同时考虑水力学参数及土力学参数随有效应力的动态变化过程。以江苏南通为例，建立南通市土体自重固结压缩、地下水开采与地面沉降三维全耦合模型，模拟预测了南通在地下水停止开采、仅在土体自重固结压缩影响下的地面沉降发生、发展趋势，为南通市地面沉降科学防控提供决策依据。1研究区概况研究区域包括南通市区

4、(崇川、港闸)和通州区。全区第四纪松散沉积物发育，分布范围广，最大厚度达300m左右，含水层以第四纪松散层孑L隙水为主。垂向上从上往下分别为潜水含水层、第1承压含水层、第1I承压含水层、第1II承压含水层以及各含水层间的黏性土弱含水层。其中，潜水含水层由第四系全新统地层组成，岩性以粉砂、亚砂土为主，潜水位埋深1—3m，厚度20～30in；第1承压含水层由上更新统冲积、冲海积松散地层组成，岩性以中细砂为主，顶板埋深50～60m，承压水头埋深1～3m；第Ⅱ承压含水层由中更新统河流、河口相沉积的松散层组成，岩性以粉细砂、中粗砂及砂砾为主

5、，顶板埋深约140m，承压水头埋深3—5m；第1II承压含水层由下更新统长江古河道沉积的松散层组成，岩性以中细砂、中粗砂为主，局部有含砾卵石，顶板埋深187～270m，承压水头埋深30～40m。2地质概念模型研究区平面上以行政区域为界，面积为1586km2，垂向深度在230～3501TI。垂向上，从上往下将潜水含水层、第1承压含水层、第1I承压含水层、第1II承压含水层及各含水层之间的黏性土弱含水层剖分成独立的7个层位参与计算，各含水层在水力收稿日期：2014—06-18；修回日期：2014—07—22；编辑：侯鹏飞基金项目：江苏

6、省地勘基金项目(dk2012ky01)作者简介：田开洋(1967一)，男，高级工程师，主要从事水文地质与工程地质等方面的研究工作，E-mail：13601401196@139．tom第38卷田丌洋等：土体自重固结压缩对地面沉降影响研究学上均概化为非均质各向异性，在土力学上均概化为非均质地层。研究区南部是长江边界，其从上往下切割潜水含水层、第1承压含水层及之间的黏性土弱含水层，故在水力学上可概化上述含水层的长江边界为定水头边界，其余在水力学上均概化为第二类流量边界，系统的顶部一方面接受大气降水及农业灌溉人渗的补给，是补给边界；另一方

7、面，地下水又通过其蒸发，是排泄边界，系统的底部为隔水边界。研究区所有侧向边界和底部边界在土力学上均概化为零位移边界。研究区地下水开采是唯一的源汇项，将其概化为大井处理。土体在自重应力作用下发生固结压缩。3数学模型的建立与求解3．1比奥固结理论饱和土体中假定土骨架变形为线弹性、微小变形、渗流符合达西定律、水不可压缩或微压缩的三维比奥固结方程如下(钱家欢等，1996)。f—GV2叱一尚昙(警+鲁+警)+罢=。{一GV2％一尚考(警+詈+警)+考=。【一G2毗一FG瓦昙(警+等+iOw,)+iau—y(1)叭O__(OiWx+Ow_zr

8、+丝)-瓦1【一0怍一OuOyazYaxOx)+af＼以／。【＼。／导(b考)+杀卜c面Ou+yJ)】=oc2，式(1)、式(2)中，G为剪切模量；Ⅳ为泊松比；训。、W，、毗分别为戈、y,z方向上的位移分量；“为孔隙水压力；后。、后小七：分别为主轴