考虑地下构筑物对地下水渗流阻挡效应的地面沉降性状研究

摘要

本研究应用室内试验与数值分析相结合的方法研究地下构筑物对多层含水层的渗流阻挡效应及其对城市地面沉降的影响机理；室内试验还用于验证数值分析中的计算参数。将上述构筑物的挡水作用机理的分析方法与试验确定的参数,用于分析上海市近年来的地面沉降加速现象。本研究的主要内容与成果如下:
　　 1)上海市自20世纪90年代以来出现的沉降加剧现象的主要因为仍然是地下水位的持续下降作用。通过对上海市地面沉降量、地下水开采量以及地下水位三者实测数据的相关性分析发现,目前的沉降量与地下水开采量之间相关性较差；但沉降量与地下水位之间仍具有密切的相关性。
　　 2)上海市中心区近年的地面沉降与工程建设密切相关。引起沉降的与工程建设相关的因素包括建筑物的附加荷载、工程施工以及地下水位下降。本研究的目的是分析工程建设中引起地下水位下降的因素--地下构筑物的长期挡水作用对上海市中心区地面沉降的影响。
　　 3)应用室内试验确定单层含水层中地下构筑物在含水层中的插入深度与宽度对地下水渗流的阻挡作用机理。试验结果表明,构筑物下游侧的地下水位变化随构筑物埋深的增加而增大,构筑物最优插入深度比(构筑物对水位下降作用最大的插入深度与所插入土层的厚度之比)约为70％；随着构筑物宽度的增加,下游侧测点水位变化呈增长趋势,上游侧水位变化呈减小趋势。
　　 4)应用数值模拟确定多层含水层中地下构筑物对多层含水层地下水的阻挡作用以及含水层之间的越流变化规律。数值模拟结果表明,地下构筑物的存在对地下水位、地下水渗流方向、含水层之间的越流变化以及地面沉降量等有较大的影响；相关因素包括构筑物的埋深范围、挡水宽(长)度、以及构筑物与开采井之间的相对位置等。构筑物插入第Ⅱ含水层的最优插入深度比约为56％。
　　 5)应用数值模拟的方法分析上海市多层含水层一隔水层交互堆积地层中地下构筑物的存在对上海市特别是中心区的含水层地下水渗流与地面沉降的作用规律。以上海市含水层与隔水层交互堆积的地层为对象,建立三维地下水渗流及一维土体固结相结合的地面沉降计算模型分析构筑物的挡水效应。为了简化问题,计算中考虑了两种极端的情况:①构筑物分布式配置,②构筑物集中式配置；真实情况可能介于两者之间。计算成果如下:
　　 ①构筑物分布式配置,即材质等效法:将中心城区内含水层内大量的地下构筑物的作用简化为渗透系数和压缩系数降低了的新材料,即等效渗透系数与等效压缩系数。该方法用来模拟大范围地下构筑物对地面沉降的影响。模拟结果表明,第Ⅱ含水层中的构筑物对上海中心城区的沉降量影响最大,外环内第Ⅱ含水层中构筑物含量每增加10％,中心城区年均沉降量大约增长32％；而第Ⅰ含水层及微承压中的构筑物对沉降的影响程度较小,各含水层构筑物含量每增加10％时,中心城区年均沉降量大约增长3％左右。
　　 ②构筑物集中式配置,即含水层局部挡水法:将局部含水层单元的材质直接替换为构筑物材质,而其它地方仍使用天然地层的材质,即考虑含水层局部挡水效应。该方法用来考虑局部环形构筑物对中心城区的地面沉降作用效应。计算结果表明,如果集中配置区域内构筑物的含量超出某临界值,其所围区域内将产生构筑物挡水引起的附加沉降。构筑物含量的临界值对微承压含水层为65％,第1含水层为62％,第Ⅱ含水层为58％。

目录

文摘

英文文摘

图表目录

符号说明

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 地面沉降的原因

1.1.2 国内外地面沉降现状

1.1.3 地面沉降的预测方法

1.2 研究目的

1.3 研究内容

1.4 本研究的创新点

1.5 技术路线

1.6 论文结构

第2章 地下水渗流理论与地面沉降的计算

2.1 引言

2.2 三维地下水渗流的基本理论

2.2.1 质量守恒定律

2.2.2 渗透系数张量

2.2.3 渗流控制方程

2.2.4 边界条件与初始条件

2.3 地面沉降的计算

2.3.1 地面沉降机理

2.3.2 沉降计算理论

2.3.3 沉降模型的验证

2.4 参数的确定方法

2.4.1 渗透系数

2.4.2 体积压缩系数

2.5 考虑地下构筑物影响的地下水渗流

2.5.1 地下构筑物影响地下水渗流的机理

2.5.2 有效介质理论与材质等效法

2.6 小结

第3章 上海地面沉降及其影响因素分析

3.1 引言

3.2 上海地区地质构成特点

3.2.1 基岩地质

3.2.2 第四纪地质

3.2.3 水文地质

3.3 上海地区地下水开采及地面沉降现象分析

3.3.1 地下水采灌情况

3.3.2 地下水位变化

3.3.3 地面沉降的历史与现状

3.4 地面沉降与建设工程相关性分析

3.4.1 上海地区建设工程分布状况

3.4.2 地面沉降与建设工程相关性分析

3.5 城市化进程中软土地基沉降的机理分析

3.5.1 荷载引起的沉降

3.5.2 工程施工引起的土体固结压缩

3.5.3 地下水位下降

3.6 地面沉降量、地下水位及地下水开采量相关性分析

3.6.1 地下水开采量与地面沉降量的关系

3.6.2 地下水位与地面沉降量的关系

3.7 小结

第4章 地下构筑物阻挡地下水渗流的室内试验研究

4.1 引言

4.2 试验装置

4.2.1 试验箱

4.2.2 挡板

4.2.3 进排水系统

4.2.4 水位监测系统

4.2 土体特性

4.3 试验方案

4.4 试验结果

4.5 分析讨论

4.5.1 插入深度

4.5.2 挡板宽度

4.6 小结

第5章 成层地层中地下构筑物阻挡地下水渗流的数值分析

5.1 引言

5.2 单层土层中地下构筑物阻挡地下水渗流的分析

5.2.1 有限元模型的建立

5.2.2 计算结果与分析讨论

5.3 多层含水层中地下构筑物阻挡地下水渗流的数值分析

5.3.1 有限元模型的建立

5.3.2 计算工况

5.3.3 计算结果

5.3.4 分析讨论

5.4 小结

第6章 城市密集地下构筑物对地面沉降的影响分析

6.1 引言

6.2 地下构筑物对地面沉降的影响分析--材质等效法

6.2.1 有限元模型的建立

6.2.2 计算工况

6.2.3 考虑构筑物前后的计算结果

6.2.4 考虑地下构筑物的影响因素分析讨论

6.3 地下构筑物对地面沉降的影响分析--含水层局部挡水法

6.3.1 有限元模型的建立

6.3.2 计算工况

6.3.3 分析讨论

6.4 小结

第7章 结论与建议

7.1 本研究的主要结论

7.1.1 上海市近年地面沉降加速发展的原因

7.1.2 构筑物对多层含水层地下水系统挡水作用的性状

7.1.3 考虑含水层构筑物挡水效应的上海市地面沉降性状

7.2 进一步研究的建议

参考文献

致谢

个人简历 攻读学位期间的学术成果