抽灌水条件下上海砂土层的变形特征和变形参数

长期抽取地下水造成了上海严重的地面沉降。本文根据上海砂土层的水位、变形观测资料,研究了上海含水砂层变形特征及其与地下水位变化的关系。研究结果表明:在地下水位的总体上升期、稳定期,砂土层的变形为弹性;在地下水位总体下降期,当水位高于土层历史上的最低水位时,砂土层的变形主要为弹塑性,可用双线性弹塑性模型描述;当水位低于土层历史上的最低水位时,砂土层的变形为黏弹塑性,此时砂土层黏弹塑性的模型为一弹簧体与宾哈姆体并联后再与另一弹簧体串联而得到的模型。根据实测的土层变形和水位数据,可以得到砂土层的变形参数,从而为地面沉降的计算提供依据。

地下水位变化模式下含水砂层变形特征及上海地面沉降特征分析

土体变形特征与其经历的应力状态有关。由于抽灌水位置和水量的变化,同一土层中不同时期的地下水位可以呈现不同的变化模式,土层表现出不同的变形特征。论文根据上海1400多个水位孔近40a的水位观测资料和各土层的变形资料,从土层变形角度将地下水位的变化方式划分为5种模式。分析了每种地下水位变化模式下土层的变形特征,并进一步分析了上海地面沉降在时间和空间上的特征。分析结果表明:地下水位的变化模式对上海土层的变形有显著影响。同一土层在不同的水位变化模式下可表现为弹性、弹塑性或粘弹塑性的变形特征;地面沉降与地下水开采量、地下水开采层次与主要沉降层具有密切的关系,开采地下水是上海地面沉降的主要原因;与现阶段含水层的水位变化模式相联系,第四承压含水层是上海最近几年来地面沉降的主要沉降层。

抽水地面沉降中含水层长期变形特性研究

长江三角洲地面沉降监测数据表明,抽水地面沉降中含水层的变形在总沉降量中占较大比例,且随时间长期发展。分析认为含水层砂土的蠕变是造成其变形长期发展的主要原因,而目前计算砂土蠕变特性的模型中普遍存在参数较多且确定困难的问题。根据含水层砂土的蠕变特性,对采用Singh黏性土蠕变模型计算含水层长期变形的方法进行研究。该模型假定土的蠕变速率与时间在双对数坐标系中呈线性关系,模型中仅有1个参数,即双对数坐标系中蠕变速率与时间曲线的斜率m。砂性土蠕变试验数据统计结果表明,砂性土的m值为0.9～1.1。通过对m的灵敏性分析可知,m在0.9～1.1区间内取值对计算结果影响不大,因此,在缺乏试验数据时可假定m=1。利用常州和上海的地面沉降实测数据验证Singh模型计算含水层变形的有效性及模型参数简化确定方法的准确性。

西安市承压含水层高压渗透模拟试验研究

为了揭示在地下水头升降过程中西安市承压含水层的物理及力学性质,采用自行设计的高压渗透固结试验设备模拟西安市承压含水层中细砂高压渗透,研究了在不同竖向压力和孔隙水压力条件下砂柱应变与时间的关系、应力与应变的关系以及砂样的渗透性,同时对比探讨了试验前后砂样微观结构。结果表明:孔隙水压力降低或竖向压力增大时,砂柱发生压缩变形且表现出分段线性的特点;在一定应力范围内,增大孔隙水压力,砂柱变形几乎没有发生回弹或者恢复。根据试验前后颗粒分析曲线、双目镜照相及电镜扫描照片的对比,可以推断砂样在压缩过程中除产生颗粒滑移和位置调整外,部分颗粒被压碎或压裂,由此导致了砂样在地下水头升降过程中颗粒级配发生改变、渗透系数急剧降低以及砂样在不同应力下表现出的分段线性、粘滞性和部分不可恢复等非完全弹性性质。

近松散层采掘抗渗透破坏评价方法Ⅰ:临界水力坡度

抗渗透破坏评价是近松散含水层煤层开采溃水溃砂防控的重要基础工作,但至今尚未形成规范性方法和标准。松散层和风化带抗渗透破坏评价的关键是确定水力坡度和临界水力坡度。首先综述了流土和内部侵蚀发生的临界水力坡度确定方法,指出近松散层煤层采掘诱发溃水溃砂临界水力坡度与传统的临界水力坡度的不同特点。针对集中通道获得考虑临空面出口尺寸和岩土层物理力学性质的松散砂层、黏土层和基岩风化带的抗渗透破坏临界水力坡度的计算公式,采用试验结果验证,溃水溃砂临界水力坡度公式的适用性。通过单因素和多因素参数对临界水力坡度的敏感性分析结果表明,裂隙宽度是影响临界水力坡度大小的最重要因素,也表明在实际工程中通过控制采掘诱发的覆岩破坏是减少溃水溃砂灾害的关键措施。煤系风化带的临界水力坡度与其中黏土成分的含量、施加荷载大小有密切的关系,当黏土在风化岩石中占比(质量分数)为5%~40%时,其变化范围为2.9~67.2,给出了用高斯函数的拟合估算关系式和考虑上覆荷载的估算公式。研究结果将为近松散层开采溃水溃砂评价临界水力坡度计算提供参考。

循环抽注水作用下承压含水层砂土的变形特性

为探讨人工回灌和地下水位季节性变化等因素对承压含水层砂土变形特性的影响,利用FlowTracⅡ增量固结试验系统,设计了符合承压含水层砂土应力状态、符合抽注水应力路径的单向压缩试验,研究了循环抽注水作用对砂土变形特性的影响规律及抽注水作用下砂土变形特性的影响因素。试验结果表明：抽水作用（加载）下砂土产生压缩变形,注水作用（卸载）下,砂土变形呈现压缩和回弹两种现象,且砂土孔隙比大（密度小）时易发生注水压缩现象;循环抽注水作用下砂土总体呈现压缩变形特性,随抽注水循环次数的增加和前期固结压力增大,注水作用下砂土变形逐渐由压缩向回弹转化。基于砂土结构演变,构建了以弹性理论和最小势能原理为基础的抽注水作用下砂土变形机理,解释了注水作用过程中砂土变形呈现的回弹与压缩交替波动的试验现象,用试验结果总结了注水强度、前期固结压力、注水速率等因素对砂土变形特性的影响规律,验证了抽注水作用下砂土变形机理的合理性。

含水层砂土压缩变形特性及数学描述

基于 FlowTracⅡ增量固结试验系统,通过控制孔隙水压力设计模拟符合承压含水层砂土应力状态和满足抽水条件应力路径的压缩试验,得到了砂土应变与时间关系曲线,探讨分析不同抽水模式作用对含水层砂土压缩变形特性的影响。试验结果表明:在抽水作用下,砂土压缩变形具有非线性和时效性特征;在相同前期固结压力下,砂土压缩变形量随着抽水强度的增加而增大,且变形稳定所需时间也越长;在稳压抽水作用下,砂土的应变率与时间在双对数坐标中呈现较明显的线性关系,其斜率受抽水强度和抽水速率的影响。建立了考虑抽水强度和抽水速率影响的砂土压缩变形与时间、应力的归一化经验公式。研究成果揭示了不同抽水模式下含水层砂土的压缩变形特性,为合理评价抽水引起的地面沉降提供试验依据。