承压含水层降水诱发相邻黏土层固结沉降规律研究

摘要

世界上已经有150多个国家和地区发生了地面沉降，仅上海一地由于地面沉降造成的损失就高达2900多亿元，平均每下降1mm造成的经济损失约1.53亿元。本文以上海地区地面沉降为研究背景，采用理论分析、数值模拟和室内模型试验等手段，对软土地区承压含水层降水引起的相邻黏土层固结沉降机理进行研究，得出以下结论。 （1）基于传统的太沙基一维固结理论，运用传递矩阵法分别求解了在上覆荷载、承压含水层定降深降水和定流量降水情况下，不考虑非线性过程引起的软土固结半解析解。经过与传统解法求得的解析解对比，检验了该方法的正确性和适用性。讨论了不同深度处的有效应力和沉降随时间的变化，越靠近地表的位置，沉降发展的速度越快，最终稳定后的沉降越大。与常水头降深引起的地面沉降相比，循环降深引起的沉降差异明显。在沉降模式上，常水头降深引起的地面沉降是逐渐积累的，而循环降深引起的地面沉降是随着降深波动而波动的；在沉降值上，常水头降深引起的地面沉降大于循环降深引起的地面沉降。循环降深引起的地面沉降波动明显滞后于降深引起的循环应力波动，且这一滞后时间并不随时间的延长而改变。对于不同的循环降深峰值来说，其引起的地面沉降的周期并不同步，峰值越大，周期越长。在第一个波峰时，每个循环降深峰值对应的地面沉降并不会达到其最大值，而是在之后的波峰才能达到； （2）为了体现软土固结过程中，渗透系数和压缩系数不断变化的客观事实，将渗透系数和压缩系数随着有效应力变化的关系引入一维固结方程之中，并且利用传递矩阵法求得了其半解析解，对单层和双层地基在降水中的沉降进行了讨论，发现引入非线性后，降水引起的黏土层固结时间相对更长，最终达到的沉降更小。为了考虑实际中渗透性系数的各向异性，利用考虑渗透系数各向异性的比奥固结理论，对承压含水层降水诱发地面沉降进行了探讨，结果表明对于承压砂土层来说考虑渗透系数的各向异性是合理和必须的，但是对于软黏土层来说，是否考虑其渗透性系数各向异性并不会对结果产生太大的影响，还发现在降水诱发土体变形的过程中，在上覆黏土层中存在拉伸和剪切变形，使得考虑土体内部的变形成为必要； （3）利用有限元软件讨论了承压含水层降水过程中，上覆黏土层-承压含水层-下卧黏土层组成的越流系统中，不同土性参数对地面沉降和地面水平位移的影响。对于上覆黏土层来说，在回弹系数、压缩系数、土层厚度、竖直和水平方向渗透系数这五个参数中，对地面沉降和地面水平位移影响最大的因素是其厚度；而对于下卧黏土层来说，对地面沉降影响最大的是土层厚度，而对地面水平位移影响最大的是压缩系数。对于承压含水层来说，在垂直渗透系数、水平渗透系数、弹性模量、摩擦角和粘聚力这五个参数中，对地面沉降和地面水平位移影响最大的因素是水平渗透系数。 （4）采用室内模型试验，利用均匀布置在土体表面的传感器和颗粒图像测速技术，研究了承压含水层降水诱发地面沉降规律。结果表明，越靠近抽水井的土体，在抽水后的沉降越严重；承压含水层降水后，土体中的孔压会经历先减小后增加的过程，这是降落漏斗在孔压上的表现形式。土层的分层沉降中，上下黏土层中压缩量较大，占据了地面沉降的绝大部分，而承压含水层几乎不发生压缩。

目录

声明

致谢

变量注释表

1 绪论

1.1研究背景

1.2国内外地面沉降发展现状

1.2.1 国外地面沉降现状

1.2.2 国内地面沉降现状

1.3国内外地面沉降研究现状

1.3.1 地面沉降理论研究现状

1.3.2 地面沉降模型试验的研究现状

1.4目前研究存在的问题

1.5.1 本文研究内容

1.5.2 技术路线

1.6创新点

2 承压含水层降水诱发线性固结的理论分析

2.1引言

2.2.1 对于单层土的传递矩阵法

2.2.2 对于多层地基的传递矩阵法

2.2.3 算例

2.3定降深降水诱发软土固结

2.3.1 定降深降水的传递矩阵解

2.3.2 算例

2.3.3 将软土层按照多层土考虑和按照加权平均后单层土考虑的对比

2.4定流量降水诱发软土固结

2.4.1 定流量降水在软土层下部引起的边界条件

2.4.2 定流量降水的传递矩阵法

2.5固结性状分析

2.5.1 降深的影响

2.5.2 深度的影响

2.5.3 循环降深的影响

2.6本章小结

3 承压含水层降水诱发的非线性固结理论分析

3.1一维非线性固结的传递矩阵法

3.1.1 基本假定和控制方程

3.1.2 一维非线性固结单层土传递矩阵法求解

3.1.3 一维非线性固结多层土传递矩阵法求解

3.2与一维线性固结理论的比较

3.2.1 单层地基

3.2.2 双层地基

3.3应用比奥固结理论的非线性固结

3.3.1 理论来源

3.3.2 计算可靠性验证

3.3.3 不同深度的位移

3.4参数分析

3.4.1 渗透系数各向异性

3.4.2 相邻土层渗透系数差异

3.4.3 抽水时间

3.4.4 抽水速度

3.5本章小结

4 承压含水层降水诱发软土固结沉降的数值模拟研究

4.1引言

4.2.1 计算模型的简化

4.2.2 土体参数的选取

4.3上覆土层土性参数对土层变形影响的敏感性分析

4.3.1 上覆土层渗透系数对土层变形的影响

4.3.2 上覆土层厚度以及压缩系数对土层变形的影响

4.4下卧土层土性参数对土层变形影响的敏感性分析

4.4.1 下卧土层渗透系数对土层变形的影响

4.4.2 下卧土层厚度和压缩系数对土层变形的影响

4.5承压含水层土性参数对土层变形影响的敏感性分析

4.5.1 承压含水层渗透系数对土层变形的影响

4.5.2 承压含水层库伦摩尔参数和弹性模量对土层变形的影响

4.6本章小结

5 承压含水层降水诱发软土固结沉降的模型试验

5.1引言

5.2.1 试验材料

5.2.2 试验装置

5.2.3 传感器标定

5.3试验步骤

5.4.1 土体固结时期

5.4.2 第一次和第二次抽水引起的变化

5.4.3 第三次抽水过程

5.5本章小结

6 结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

作者简历

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