地下水开采引起地面沉降的机理研究

过量开采地下水会造成地面沉降已经是不争的事实,但其发生发展的机理目前还缺乏深入研究,学术界的观点也不统一。本文基于多层地下水水头分布的理论,应用有效应力原理对此进行了详细的分析和研究,从理论层面揭示了地下水开采引起地面沉降的机理,并给出了预测地面沉降的计算方法。研究显示:潜水水位下降在引起有效应力增加的同时也会产生总应力的减小,因此在部分土层中发生固结沉降而另一部分地层中发生卸荷回弹;承压水水头降低只会在其含水层和上下两个隔水层中引起有效应力增加,并产生土层的固结沉降。     

大型沉井终沉前底部土体回弹变形特性试验分析

为了准确描述大型沉井下沉到位前的回弹变形特征,对马鞍山长江大桥南锚沉井底部土体进行了6组压缩回弹的室内试验。借助于K_0试验仪,针对其卸载回弹再压缩的受力特征,分别对静止侧压力系数、回弹比率、回弹率、回弹模量与卸荷比R之间的关系进行回归分析,并与工程实测结果相对比。结果表明,当卸荷比大于极限卸荷比时,K_0值随卸荷比显著增大;当卸荷比大于0.8时,发生的回弹量约占总回弹变形量的60%;在相同卸荷比下,前期固结压力越大的土样,其对应的回弹率越大;随着卸荷比的增加,回弹模量则逐渐减小。对比结果显示,沉井内隔墙明显限制井底的回弹变形,沉井底部断面土体不能视作自由回弹。     

上海陆家嘴地区回灌试验分析

地下水回灌试验表明地下水水位对地面沉降有直接的影响,当进行地下水回灌时,地下水位逐渐回升,地面产生回弹。地面沉降规律与地下水水位变化较为一致,水位回升越大,地面回弹也越大。地面沉降和回弹较地下水水位的变化有一定的滞后性。地下水水位的变化与所在点周围的地面沉降具有较好的时空对应关系。基坑降水设计可采取地表水回灌措施有效抑制地下工程施工过程中因工程降水引起地下水变化引起的地面沉降,基坑降水中选择坑内降水井抽出的地下水对坑外回灌井通过密闭管道在还原环境下实施回灌。     

合肥膨胀土轴向卸荷回弹变形的试验研究

为研究轴向卸荷路径下的土体回弹变形特性以及初始含水率和蒙脱石粉含量等指标的影响,以合肥膨胀土为研究对象,开展了一系列的室内一维压缩回弹试验。试验结果表明:卸荷时合肥膨胀土样的e-p曲线具有明显的先缓后陡特征;每级卸荷量越大,膨胀土产生的回弹变形量也就越大;与其他土质相比,合肥膨胀土的一维压缩回弹变形偏低;最大轴向荷载、卸荷比等指标与回弹变形指标之间具有良好的拟合函数关系;相同卸荷比条件下,试样回弹变形量随初始含水率增高而相应增大;当初始含水率较低时,试样的非饱和吸力会抑制土样的回弹变形;蒙脱石粉含量与试样的一维压缩回弹变形之间具有很好的正相关性。这表明膨胀土的胀缩性会影响到膨胀土基坑坑底土体产生的回弹变形量。     

不同卸荷路径下软土变形特性试验研究

本文通过不同的试验方式对软土进行了不同卸荷路径下的变形特性试验研究。一维压缩回弹试验成果表明,软土的回弹变形随着预压荷载的增大而增大,但与卸荷过程中的卸荷比无关;土样再加荷时的压缩模量小于回弹模量而大于初始压缩模量;得到回弹孔隙比、回弹模量的计算公式,从而计算基坑开挖引起的回弹变形量。三轴卸荷蠕变试验成果表明不同的卸荷路径得到不同性质的蠕变变形;卸荷变形模量随应力路径、时间、荷载的变化而变化。     

砂土地基中静压桩桩体回弹和复压特性分析

明确静压桩回弹和复压特性有利于提高静压沉桩质量及其经济性。为此,采用室内模型试验模拟砂土地基中静压沉桩,考虑沉桩速率、桩长和卸荷速率,分析静压桩卸荷过程中桩体回弹量、桩周侧压应力、桩端残余应力和单桩极限承载力的变化规律。并对比分析了复压前与复压后桩体回弹量、桩周侧压应力和桩体极限承载力的变化。结果表明：桩体回弹量主要与桩长有关,桩体回弹量约为桩长的0.4%,并随沉桩速率和卸荷速率增加而增大,且卸荷速率的影响程度大于沉桩速率。建立了桩体回弹量随时间变化的双曲线模型,较好地反映了卸荷过程中桩体回弹量随时间的变化规律。提出了卸荷后桩周侧压应力计算的修正被动土压力计算式,其计算结果显著优于被动土压力公式计算结果。沉桩速率和卸荷速率引起的极限承载力差异最高可达12%,建议以沉桩终压力的1.04倍进行桩体极限承载力估算。复压的主要作用是提高桩周侧压应力,且桩周侧压应力约提高50%,桩体承载力提高幅度约为10%,故实际工程中应关注复压施工质量,以有效提高桩体极限承载力。     

上海区域地面沉降模型中土层变形特征研究

根据上海大量地面沉降和水位观测资料,结合室内实验,首次系统分析了上海过量开采地下水引起地面沉降过程中各土层的变形特征及地面沉降在空间、时间上的分布规律,发现上海各土层变形特征差异很大,同一土层在不同地点不同时期变形特征差异也很大。地面沉降受多种因素影响呈现出空间分布的复杂性,土层压缩量的垂向分布,从20世纪90年代之前以浅部土层压缩为主转变为90年代之后以深部和浅部土层压缩为主。这些研究成果将为上海区域地面沉降模型中各土层沉降模型的合理选择提供依据。     

承压水降水引起周边环境变形的粘弹性分析

针对上海地区承压水降水引起的地面沉降问题,考虑上海地区软土的非线性渗流变形特征,建立了基坑降水与地面沉降三维粘弹性全耦合数学模型。采用3-D FEM,以上海M4号线董家渡修复工程基坑降水为例,利用抽水实验期间监测资料对计算参数进行了反演,进而对降水运行期间引起的地下水渗流场与地面沉降的变化趋势进行预测,并与实际情况进行了对比,其结果比较吻合。     

土样回弹及再压缩变形特征的试验研究

通过固结回弹试验对土体的回弹变形规律进行研究,提出回弹比率的概念,更为清晰地反映出了回弹变形随卸荷比变化的发展过程:当卸荷比小于0.4时,土样卸荷产生的回弹量不到总回弹量的10%;而当卸荷比在0.9～1.0之间时,土样卸荷产生的回弹量占到总回弹量的40%～60%。将原有的卸荷比—回弹模量分析方法中的R-Ec与R-lgEc方法相结合应用,得出土体回弹变形发展的3个阶段,为回弹变形的计算提供参考,同时通过对卸荷比—回弹模量关系曲线进行拟合分析,可得到在任一卸荷比下土体的回弹模量。试验结果表明:土体回弹率与固结压力、卸荷比密切相关,反映了土体回弹变形的基本特征;在土样的再压缩过程中,再压缩变形大于回弹变形。结合模型试验实测结果,对土样的再压缩变形进行了研究。     

大面积加卸载对软土地铁隧道的影响

选择HSS(Hardening Soil Small-Strain Model)本构,建立二维平面应变模型,进行既有软土地铁隧道上地表大面积加卸载情况下土体固结分析。研究结果显示:①大面积加载会增大衬砌结构的变形,并进而导致衬砌结构出现病害;②渗漏水会增大衬砌结构的内力;③回填土应及时卸除;④卸载后土体回弹,但有一部分变形无法得到恢复,回填土厚度越大,无法恢复的沉降越大;⑤在衬砌结构损伤的情况下,水平大直径卸载后无法恢复,最终表现为增长,根据曲线形态将沉降过程分为5个阶段。结合工程实例,对监测数据进行分析,验证上述结论。     

上海某枢纽基坑工程浅层承压水回灌试验分析

随着上海城市建设进程的不断推进,深大基坑大量涌现,同时因城市立体空间设施的密集化,使得基坑周边环境趋于复杂,在此背景下因浅层承压水降水而引起的工程性地面沉降事故不断发生,给社会带来了巨大的经济损失。地下水人工回灌是控制因降水引起的工程性地面沉降的方法之一,目前地下水人工回灌系统主要应用于深层承压水的回灌。本文通过上海某地第一承压含水层的回灌试验,研究分析了浅层承压含水层回灌井的结构、回灌过程中地下水的流态变化规律、水土应力变化及对控制地面沉降作用的效率,证明了浅层承压水回灌在基坑环境保护中的可行性。试验研究对基坑建设中的地下水浅层承压水回灌系统的设计和施工有重要的指导意义。     

京沪高铁沿线某地地下水开采与地面沉降关系分析

 京沪高速铁路沿线地面沉降除受软土本身性质影响外,主要受沿线地区长期过量开采地下水的影响。结合DInSAR与地面精密水准测量结果,选取京沪高速铁路天津段西青区杨柳青镇沉降异常区(火电厂深部抽水井所致)为研究区域,通过分析抽水井所在部位地质结构和水文地质条件,建立水文地质概念模型,采用Visual Modflow软件对研究区地下水位变化进行数值模拟。在此基础上,结合该地区地面沉降量与地下水位变化间的相互关系,计算出不同开采量、开采时间下的地面沉降量,得出京沪高速铁路穿过部位的沉降量预测,为高铁安全运营采取处理对策提供依据。     

深基坑坑底地基的回弹应力与回弹变形

某长条形地铁车站深基坑,基坑开挖深度15m,通过设置数个分层回弹磁环,测得回弹变形沿坑底深度方向的分布规律;通过固结回弹试验建立回弹模量与卸荷比关系,得到回弹模量沿坑底深度方向的分布规律;结合以上两种成果,并考虑坑底土承受侧向净土压力的伸长作用,得到回弹应力沿深度方向的分布规律:作用在坑底的反向荷载相当于挖去土的自重,因受坑底土有效自重应力的抵消作用,回弹应力沿深度方向呈线性衰减,坑底土的"残余应力"可以认为就是坑底回弹影响范围内的有效自重应力。用上述确定回弹应力的方法计算另一个新近案例的回弹变形,与实测结果比较接近。     

钢管冷弯成形与回弹分析

分析了冷弯钢管加载弯曲过程,在卸载回弹后内应力平衡和截面变形协调条件下,建立残余应力分布模型,然后推导出弯曲回弹半径和回弹弯矩准确计算公式,并进行参数分析,得出一些有益的结论,对工程设计与加工具有指导意义或参考价值。     

Sand creep as a factor in land subsidence during groundwater level recovery in the southern Yangtze River delta, China

A number of areas worldwide are suffering from the land subsidence, including the southern Yangtze River delta, the most developed area in China. Land subsidence is mainly induced by excessive groundwater pumping and has caused numerous problems, for example, flooding, structural cracking, and ground fissuring. Although several countermeasures have been adopted to mitigate the land subsidence problem in the southern Yangtze River delta, commonly using groundwater recharge, land subsidence is still developing even when groundwater levels are rising. The observation data of land subsidence in each stratum show that the deformation of the pumped aquifer is even greater than that in the adjacent aquitards when groundwater levels are recovering. Laboratory test results on the aquifer sand in Shanghai and Changzhou (two cities in the studied area, which have the most sufficient observation data about the land subsidence and groundwater level developing with time) proved that sand creep deformation is significant and is partially responsible for the land subsidence without groundwater level drawdown. Considering the difficulty and cost of collecting borehole samples from deep pumped aquifers to obtain the essential parameters for the existing sand creep calculation models, a simplified method was then proposed to calculate the sand creep deformation in the pumped aquifer. The relationship between the sand creep rate and the time can be recognized as linear using double logarithmic coordinates and the slope can be assumed to be one. In the proposed method, the laboratory test data are not necessary. Finally, case histories from Shanghai and Changzhou were used to verify the effectiveness of the proposed method.     

深基坑开挖条件下抗拔单桩承载力性状研究

通过对基坑工程坑底工程桩桩顶位移与桩身轴力的实测结果进行分析总结,发现坑底工程桩在基坑开挖后,由于土体卸荷回弹产生较大的桩顶位移与拉力。为研究深基坑开挖条件下抗拔单桩承载力变化特性,采用有限元分析软件ABAQUS,建立二维轴对称模型,对不同桩长、桩距、开挖深度与开挖半径对坑底抗拔单桩承载力的影响进行了分析。研究结果表明,桩长和桩径可以显著影响开挖后抗拔桩承载特性,可以通过增加桩长与桩径提高抗拔单桩承载力;开挖深度和开挖宽度共同影响坑底抗拔单桩承载力,主要影响基坑开挖后桩体受力特性,对单桩承载力影响较小。因此,当基坑开挖宽度和开挖深度确定后,合理的选择桩长与桩径十分必要。     

渗流作用下深基坑开挖抗隆起破坏数值模拟

利用plaxis数值模拟软件,对临河深基坑开挖降水引起的渗流进行模拟计算,通过6组模型在考虑两次降水、多次降水的情况下,研究改变土质、地下连续墙入土深度、坑内工程桩对深基坑抗隆起稳定性的影响。研究结果表明,两次较为深度的降水土体的位移回弹和沉降量会很大,连续墙的设置插入比近似在0.5,可以发挥它的最大性能,过深的连续墙对基坑抗隆起的影响会减小。在渗流条件下基坑开挖的最底层,桩周土体也会因为水压力造成较大的位移回弹呈现土体的回弹量高于桩体的回弹量。该结果可以为进一步研究渗流对深基坑支护体系的影响提供参考。     

上海地面沉降计算

上海地面沉降是通过一维基本固结方程和拉普拉斯变换进行计算的。它基于下列论断:①经典固结理论的有效性;②叠加原理在含水层边界水位条件分析中的适用性;③周期荷载下,土的双线性模型的可取性。本文分析指出,地面沉降现象可用地下抽水作用引起土层内应力重分布和由此导致的变形作合理的解释。将1965～1978年间的超静水压力和变形计算值同实测值作了比较,结果令人满意。此分析也为把地下水回灌作为控制沉降的一个有效措施提供了有力的理论依据。     

深层开挖条件下自平衡试桩法上段桩承载力损失简化计算方法

针对在深层开挖条件下进行自平衡法试桩时,通过采取有效措施消除开挖段的侧摩阻力影响后,由于深层覆土开挖卸荷导致工程桩桩周土体围压减小,从而导致荷载箱上段桩抗拔承载力降低这一问题,通过借鉴目前在抗拔桩方面已有的相关分析方法、负摩阻力、基底附加应力以及相关土力学基础理论,提出了基于 Mindlin 解的简化分析方法以及负摩阻力-附加应力法两种简化分析方法,并以北京某地铁车站中间柱下桩为例,分别估算深层开挖土体卸荷引起的上段桩承载力的损失值。两种方法所得出的估算值存在较大差异,对其原因进行了初步分析。两种简化分析方法的合理性及准确性还有待于进一步完善和实践验证。     

Computational method of large deformation and its application in deep mining tunnel

The characteristics of deep rock mass, such as the elastic resilience, creep, stress release, expansion, dilation and the long-term strength, are of great importance to the rock mass deformation and failure mechanism. However, there is not yet a constitutive model which can describe all these properties of the deep rock mass. The proposed dynamic failure constitutive model in this paper analyzes the elastic resilience and the dilation deformation of the surrounding rock mass during the unloading process, and the pre-peak (elastic and internal frictional hardening stages) and the post-peak(softening and residual failure stages) stages are also taken into account. A computational software has been coded based on the dynamic explicit finite element method. The constitutive model has also been implemented into this software. The complete stress–strain relation using the new model in numerical unloading test was obtained. The sensitivity of the parameters of the dynamic failure constitutive model has also been analyzed. Based on the long-term monitored data for Zhuji coal mine, the parameter inversion of the two different sections of the piebald mudstone has been conducted with the nonlinear least square method. Further, the whole process simulation of the deformation of Zhuji coal mine has been performed with the inversed parameters. A high degree of agreement on the deformation has been achieved by the comparison between the calculated and the measured data in actual engineering project.