松散承压含水层地区深基坑降水三维渗流与地面沉降耦合模型

以上海环球金融中心基坑降水为例,根据基坑降水过程中有效应力和孔隙水压力的转化关系,建立了基坑降水与地面沉降的耦合模型,并采用有限差分数值模拟方法,模拟了在多层含水层复合存在、含水层最深底板埋深达145 m、基坑周围挡水连续墙埋深达34 m、抽水井埋深达55 m、抽水井过滤器埋深为34～55 m,单井抽水量为1420 m3/d的8口抽水井联合降水情况下,基坑中心下伏第Ⅰ承压含水层上部降压段水位降至埋深26 m时的地下水复杂流动状态及其地面沉降特征。经后续工程验证,该结果正确、可靠,该理论用于模拟预测此类地区深基坑降水引起的地下水流场变化及其地面沉降具有较高的可信度。

深基坑降水与地面沉降变形三维全耦合模型及其数值模拟

针对第四纪松散沉积层地区深基坑降水引起的地面沉降问题,以比奥固结理论为基础,并将其推广应用于非线性问题。考虑到土的渗透性随应力状态的动态变化,将地下水渗流场和土体应力场相耦合,建立水土全耦合模型,并以上海市环球金融中心深基坑降水为例,采用三维有限元数值分析方法,详细模拟分析了降水引起的基坑内外地下水位和地面沉降变形的变化特征,据此获得的基坑中心水位降至-22m时基坑周围的地下水位与地面沉降变形量,经后续工程验证正确、可靠,该模型具有重要的工程实用价值。

地下水开采与地面沉降控制三维全耦合模型研究

针对第四纪松散沉积层中地下水开采所引起的地面沉降问题,以比奥固结理论为基础,考虑到土体的非线性特征及土体的渗透性随应力状态的动态变化,引入邓肯-张非线性模型和渗透率动态模型,将地下水渗流场和土体应力场耦合起来,并以吴江市浅层地下水开采为例,建立了浅层地下水开采与地面沉降三维全耦合数值模型。在对模型进行校正、识别的基础上,以微承压含水层未来10 a内地下水位埋深不低于含水层顶板、地面沉降量不超过50 mm为约束条件,预测了吴江市各镇的地下水可采资源量合计为1203.59×104m3/a。

基于地下水渗流方程的三维地面沉降模型

针对地下水抽取引起的大面积地面沉降的问题,提出了一种计算方法。该方法基于饱和与不饱和岩土介质中地下水渗流理论,计算出三维状态下的大面积地面沉降。提出的方法被结合到地下水渗流的三维有限元法分析中,计算时考虑了地层的可压缩性,并被用来分析软土的固结,将该法与太沙基理论及固结试验的结果进行比较,结果表明其误差小于2%。该法还被用来分析单井抽取承压地下水引起的周围地基的沉降及承压水层由于挡水板的阻断作用而引起的下游侧的地基的沉降。

高层建筑引发地面沉降模拟预测三维流固全耦合模型

为了准确预测由高层建筑引发土体应力场和渗流场变化而导致的地面沉降,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拓展到黏弹塑性,并考虑了土体孔隙度、渗透系数及变形参数随有效应力的动态变化关系。以河北省沧州市为例,建立了沧州市高层建筑荷载、地下水渗流与土体变形三维流固全耦合数学模型。在对模型进行识别、验证的基础上,模拟预测了沧州市在地下水停采、仅存在高层建筑荷载的影响下,从2010年12月底到2025年12月底逐年的各含水层组地下水流场变化特征和地面沉降发展趋势。结果表明:沧州市由高层建筑荷载引发的最大地面沉降量为40.57mm,最大地面沉降速率为2.7 mm/a,位于沧州市区。

三维区域地面沉降数值模拟

由于地裂缝研究及地表变形监测技术(例如GPS,In SAR等)的快速发展,抽取地下水引起的地层水平位移受到关注。传统区域地面沉降模型虽然求解快速但不能模拟水平位移;比奥模型虽然能够模拟土体的三维变形,但模型求解的计算量较大,较少应用于大尺度的区域地面沉降数值模拟。为解决以上问题,推导了解耦三维地面沉降数学模型,模型推导过程显示:比奥模型假设法向总应力和不变,则可简化为解耦三维地面沉降模型;解耦三维地面沉降模型假设土体仅有垂向一维变形,则可简化为传统区域地面沉降模型。同时通过数值试验验证了解耦三维地面沉降模型可以作为比奥模型的替代模型和传统区域地面沉降模型的改进模型,用来模拟抽取地下水引起的三维区域地面沉降。

深基坑降水与地面沉降变形三维耦合数值模拟

以比奥固结理论为基础,考虑土体的非线性特征及土的渗透性随应力状态的动态变化,将地下水渗流场和土体应力场进行耦合,建立了深基坑降水与地面沉降变形的水土全耦合三维数学模型,并采用三维有限元数值分析方法,以上海市环球金融中心深基坑降水为例,模拟预测了基坑中心水位降至标高-23.4 m时基坑周围地下水渗流场与地面沉降变形场的分布特征.结果表明,该模型稳定性好,收敛速度快,能模拟复杂三维地质体和整个基坑降水工程的结构.

可视化地层模型信息系统在地面沉降研究中的应用

在我国多个城市发生了由于地下水过量开采而引起的地面沉降现象,并由此造成了重大的环境问题和经济损失,预测与控制地面沉降已经成为这类城市发展中必须面对的问题。基于地面沉降产生的机理,在GMS平台上建立了第四系地层三维可视化地层模型信息系统,该系统可以直观地显现不同性质土层的空间展布形态和空间组合特征,实现了研究区地层的拆分与组合,剖面的任意切割与显示,指定深度切割水平剖面,任意视角观测地层等地层信息的三维可视化直观表达,为研究地面沉降问题提供了宝贵的资料信息和有利条件。

地下水开采-地面沉降模型研究

本文建立三维流动 -一维非线性固结地面沉降模型 ,在混合井流、降雨滞后补给、初始水头形成、人为边界刻画、水流 -固结耦合及软土层固结滞后于地下水开采层水头变化等方面有所改进。所建模型用于苏州市 ,模拟出若干地面沉降重要特征 ,地面沉降中心偏离地下水漏斗中心 ,地面沉降动态滞后于地下水的水头动态 。

区域地下水开采与地面沉降控制三维全耦合数值模拟

针对第四纪松散沉积层中地下水开采所引起的地面沉降问题,以比奥固结理论为基础,考虑到土体的非线性特征及土体的渗透性随应力状态的动态变化,引入邓肯-张非线性模型和渗透率动态模型,将地下水渗流场和土体应力场耦合起来,并以江阴市浅层地下水开采为例,建立了浅层地下水开采与地面沉降三维全耦合数值模型。在对模型进行校正、识别的基础上,以第Ⅰ承压含水层未来10年内地下水位埋深不低于含水层顶板埋深一半,地面沉降量不超过50mm为约束条件,预测了江阴市各镇的地下水可采资源量以及地面沉降量。实践表明,该模型不仅稳定性好,且收敛速度快。

高层建筑荷载引发地面沉降与隆起变形三维数值模拟

针对地下水埋深较浅地区,由高层建筑荷载引起的土体变形问题,以比奥固结理论为基础,结合土体非线性流变理论,将土体本构关系推广到黏弹塑性;同时考虑土体力学参数及水力参数的动态变化关系,建立了高层建筑荷载引发地面沉降与隆起变形的三维有限元数值模型,详细研究了高层建筑荷载影响下的土体变形特征及此过程中土体力学参数及水力学参数的变化特征。结果表明:由高层建筑荷载引起的地面沉降呈现漏斗状,以建筑物中心为漏斗中心,高层建筑荷载施加初期,高层建筑周围出现隆起,到达最大值后隆起逐渐消失;高层建筑底部浅层土体孔隙度、渗透系数及泊松比均呈现缓慢减小趋势,弹性模量呈现缓慢增大趋势;而高层建筑周围浅层土体的孔隙度、渗透系数及泊松比呈现先增大后减小的变化趋势,弹性模量则呈现先减小后增大的变化趋势;高层建筑影响区域浅部土体参数的变化趋势与土体的回弹及压缩有关。

地面沉降变形非线性完全耦合数学模型

基于多孔介质有效应力原理的渗流-变形耦合,考虑孔隙度、渗透率非线性变化,建立三维地面沉降变形完全耦合数学模型,并给出了模型的有限差分解法.该模型可以刻画地下水开采、建筑物荷载、基坑降水等作用下的三维地下水渗流场和地层变形位移场,分析地面沉降的三维变化与非线性特征,为地面沉降研究与防治提供技术手段.

区域地下水开采与地面沉降控制三维全耦合数值模拟

针对第四纪松散沉积层中地下水开采所引起的地面沉降问题,以比奥固结理论为基础,考虑到土体的非线性特征及土体的渗透性随应力状态的动态变化,引入邓肯-张非线性模型和渗透率动态模型,将地下水渗流场和土体应力场耦合起来,并以江阴市浅层地下水开采为例,建立了浅层地下水开采与地面沉降三维全耦合数值模型。在对模型进行校正、识别的基础上,以第Ⅰ承压含水层未来10年内地下水位埋深不低于含水层顶板埋深一半,地面沉降量不超过50mm为约束条件,预测了江阴市各镇的地下水可采资源量以及地面沉降量。实践表明,该模型不仅稳定性好,且收敛速度快。

深基坑降水与地面沉降的三维黏弹性全耦合数值模拟

针对上海地区第四纪松散沉积层地下水疏降所引发的地面沉降问题,基于Biot固结理论,考虑上海地区软土的非线性渗流变形特征,采用Burgers本构模型,将地下水渗流场与应力场全耦合,建立了地下水疏降与地面沉降三维黏弹性全耦合数学模型。采用有限元数值分析方法,以上海环球金融中心塔楼基坑降水为例,详细分析了承压水降水引起的基坑内外地下水位和地面沉降的变化规律,据此获得减压抽水井运行30d时基坑周围的地下水位与地面沉降量,并与实测结果进行了对比,其结果比较吻合,对类似重大工程的降水设计、施工及其对周边环境影响的分析具有重要的指导意义。

东营市地面沉降模型的构建与应用

东营市是山东省内重要的沿海经济开发区,近年来地面沉降灾害制约了东营市的经济社会发展。构建三维地面沉降模型可以实现东营市地面沉降监测资料的信息化、可视化。根据东营市地质条件及矿产资源赋存层位,将三维地质结构模型的标准分层分为13层;而后收集了东营地区深钻540个,深度均在2 000 m及以上,其中有82个能够达到4 000~5 000 m甚至更大深度,按照标准分层,对所有钻孔进行标准化处理,并进一步利用Mapgis K9软件建立了三维地质结构模型,首次实现了以矿产资源层位划分为依据的大深度的东营市三维可视化地质结构模型模拟分析。同时,结合东营市19座地面沉降监测站数据,构建了地面沉降模型,首次实现了地面沉降的动态预演及监测,为东营市地面沉降评估与防治提供了科学依据。

深基坑降水引起地面沉降的三维数值分析方法

为了预测降水引起深基坑周围地面沉降的程度,建立一种三维数值模型,该模型通过分析宁波地区承压含水层和软土地基,结合抽水试验数据,研究降水期间地下水位变化和地面沉降规律,通过实测值与计算值对比,发现该三维模型模拟实际施工效果较好。基坑降水时的行为预测为宁波地区深基坑施工提供了参考依据。

南通市高层建筑荷载对地面沉降的影响

针对长江中下游第四纪松散沉积层地区由高层建筑荷载引发的地面沉降问题,根据土体非线性流变理论,将比奥固结理论中的本构关系拓展到黏弹塑性,并考虑土体孔隙度、渗透系数及变形参数随有效应力动态变化的关系,建立了南通市高层建筑荷载、地下水渗流与土体变形三维全耦合数学模型.在对模型进行识别、验证的基础上,在地下水停采、仅有高层建筑荷载单独影响的条件下,模拟预测了2010年12月底到2025年12月底每年各含水层组地下水流场变化特征和地面沉降发展趋势.结果表明:南通市崇川区最大地面沉降量为55.28 mm,最大地面沉降速率为3.69mm·a^(-1);通州主城区最大地面沉降量为38.87 mm,最大地面沉降速率为2.59 mm·a^(-1);地面沉降量较大地区位于高层建筑荷载密集区.

线性工程沿线地下水超采引发不均匀地面沉降分析

超量开采地下水引发的地面沉降是一种较为常见的地质灾害类型,具有持续时间长、影响范围广的特点。在此类地区修建诸如高速铁路、地下输油管线等线性工程时,工程安全势必受到地面沉降尤其是不均匀沉降的影响。进行线性工程沿线地面不均匀沉降及其演化特征的定量化分析研究对确保工程长期安全稳定具有重要意义。以鲁南高铁菏泽至曲阜段为例,交叉融合地下水渗流理论和土体比奥固结理论,建立研究区三维流固耦合数值模型,开展研究区不均匀地面沉降定量化评价及沉降演化规律研究。利用建立的地面沉降三维流固耦合模型分析计算不同地下水开采方案情景下,高铁沿线不均匀地面沉降情况,评价确定线路区间内地面沉降相对严重区域。同时从沉降控制角度出发,进行地下水减采工况下地面沉降分析预测。结果表明,减少地下水开采量可以有效降低地面沉降量和最大沉降曲率,缓解不均匀沉降带来的危害,确保高铁运行的安全。研究结果可为类似地区进行地下水开采诱发地面沉降的工程安全评价提供借鉴,具有一定的学术及工程应用参考价值。

土体自重固结压缩对地面沉降影响研究

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2.42 mm,最大地面沉降速率为0.16 mm/a,土体自重固结压缩对南通市地面沉降的影响极为有限。

华北平原鲁北地区地下水超采导致地面沉降区域特征及演化趋势预测

鲁北地区作为华北平原地面沉降的重要组成部分,其地面沉降问题日趋严重。以滨州博兴县为工程背景,基于研究区详细水文地质与工程地质资料以及历年地面沉降监测数据,系统分析该地区地下水动态分布及地面沉降分布演化特征。以Biot多孔介质固结理论为基础,建立博兴县地面沉降三维流-固耦合数值模型,还原地面沉降发展过程并预测分析不同地下水开采方案下的沉降演化规律。研究结果表明:博兴县浅层地下水位降幅呈现南大北小特点,深层地下水形成了以县城区为中心的椭圆形地下水区域降落漏斗;地面逐渐形成了分别以博兴县城区、湖滨镇和店子镇为沉降中心的三个小型沉降区,且有相互关联扩展的趋势;地面沉降三维流固耦合模型较为理想还原了研究区地面沉降发展过程,预测在现状地下水开采方案下未来10年内地面沉降仍以较大速率继续发展,累计沉降量超500mm的区域面积不断扩大,当减小20%现状地下水开采量时是较为合理有效的开采方案。