地下水位变化诱发的地面沉降机理研究

摘要

地面沉降是一种影响范围广、持续时间长的环境地质灾害。其前期难以察觉，但在后期易引发较为严重的沉降灾害链，已成为影响城市基础设施长期稳定运行和制约经济快速发展的重要因素。在我国东部沿海软土地区，地面沉降问题已由来已久，随着近些年来人口数量的急剧增加，导致该地区地下水资源需求与地面沉降防控之间的矛盾变得越来越突出。因此，本论文以沿海软土地区地面沉降为研究背景，主要采用理论分析和数值模拟，研究在地下水位变化作用下的沉降机理，并探讨不同采灌模式对于地面沉降的抑制效果。本论文中主要的研究内容和研究成果如下： （1）基于Biot流固耦合理论，考虑流体渗流的各向异性，利用Laplace-Hankel联合积分变换对粘土层在下卧含水层水位变化作用下的固结问题进行了求解，研究了定降深和定流速两种水力边界对于粘土层固结特性的影响。其中对于定降深边界主要对比了常降深和循环降深的作用效果，而对于定流速边界则重点探讨了土性参数变化的影响。结果表明前者作用下的位移随时间会最终趋于稳定，而由后者引起的位移则一直在增加。 （2）基于Biot流固耦合理论，考虑抽水井长度以及渗流各向异性的影响，利用Laplace-Hankel联合积分变化以及解析层元法对成层地基在抽水井降压作用下的固结问题进行了求解，研究了层间土性参数相对变化以及不同采灌模式对于整个地基系统以及每层土压缩变形行为的影响。结果表明忽略抽水井竖向尺度会极大地增加沉降预测值，采取回灌浅部含水层或者间歇性采灌的措施能有效减小抽水引发的沉降。 （3）通过引入各向异性张量以及旋转硬化法则，建立了适用于软粘土循环荷载分析的各向异性边界面塑性模型，并利用完全隐式应力积分算法，实现了该本构模型在ABAQUS中的二次开发，最后利用室内三轴试验获取材料参数并验证该本构模型的适用性。结果显示自行编写的UMAT子程序能与ABAQUS中的孔压单元相连用，且该本构模型能够较好地刻画出软粘土在循环荷载所用下产生的塑性累积变形。 （4）通过引入上述开发的各向异性边界面塑性模型以及非线性渗流模型，建立了三维完全耦合地面沉降弹塑性有限元模型，分析了土性参数变化以及不同采灌模式对于地面沉降发展的影响。结果表明粘土层的沉降量远大于砂土层，且粘土层中以塑性变形为主。采取滞后回灌或者间歇性采灌的方式能有效抑制地面沉降的发展。

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