徐海洋，任志剛

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都 610072)

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釋水條件下黏土層沉降滯后問題研究

徐海洋，任志剛

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都 610072)

摘要：由于含水層系統(tǒng)中各分層透水性的差異，在含水層系統(tǒng)釋水過程中，各分層的沉降對水頭響應(yīng)表現(xiàn)出差異性。結(jié)合之前研制的地面沉降試驗(yàn)裝置，通過大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析研究釋水條件下黏土層變形的滯后，并定義了延遲指數(shù)的概念，驗(yàn)證了Leake得出的水頭下降造成的最終壓縮的93%是在滯后時間段內(nèi)發(fā)生的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：釋水；沉降；滯后；延遲指數(shù)

0前言

地面沉降是指區(qū)域性地面高程下降的一種環(huán)境地質(zhì)現(xiàn)象。資料表明世界絕大多數(shù)的地面沉降都發(fā)生在地下水儲量豐富但地層未完全固結(jié)的軟弱地質(zhì)區(qū)，該類區(qū)域通常含有高滲透率、低壓縮性的砂或礫石含水層和低滲透率、高壓縮性的黏土弱透水層[1]。

由于含水層系統(tǒng)中各分層透水性的差異，在含水層系統(tǒng)釋水過程中，各分層的沉降對水頭響應(yīng)表現(xiàn)出差異性，透水性越好完成沉降時間越短，透水性越差完成沉降所需的時間越長。因此，將這種沉降對水頭響應(yīng)表現(xiàn)出的差異性現(xiàn)象稱為沉降的滯后效應(yīng)。國內(nèi)學(xué)者研究含水層的滯后效應(yīng)主要是從20世紀(jì)90年代開始，以南京大學(xué)薛禹群院士、張?jiān)?、吳吉春、吳劍鋒、葉淑君等為代表。薛禹群、張?jiān)频日J(rèn)為黏土層變形存在的遲后效應(yīng)主要和黏土的滲透系數(shù)、蠕變性以及水位變化模式有關(guān)。國外研究含水層的滯后效應(yīng)以Leake為代表。Leake認(rèn)為夾層大多都由細(xì)顆粒的物質(zhì)(如淤泥、黏土等)組成，垂向滲透系數(shù)一般較低，因而在周圍含水層的水頭發(fā)生變化時，夾層中的水頭平衡通常滯后于周圍含水層的水頭變化[2-4]。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合研制的地面沉降試驗(yàn)裝置，通過大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析研究釋水條件下黏土層變形的滯后。

1延遲指數(shù)概念的提出

在《釋水條件下地面沉降的滯后效應(yīng)試驗(yàn)研究》(巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2011,增刊2.)一文中研究了黏土層的變形滯后于水位的變化和黏土層的變形滯后于孔隙水壓力的消散，發(fā)現(xiàn)II黏土層和III砂層的變形都滯后于水位的變化，但黏土層沉降的滯后時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于砂層。也就是當(dāng)砂層不再產(chǎn)生沉降的時候，黏土層的變形還在繼續(xù)，即在整個含水層系統(tǒng)中黏土層的變形滯后于相鄰砂層的變形[5]。為了描述黏土層的變形相對于砂層的滯后，我們將黏土層的相對變形量與砂層的相對變形量的比值稱為黏土層變形的延遲指數(shù)，記為Di，無量綱。

(1)

式中：S黏為黏土層的變形量；S黏為黏土層的厚度；S砂為砂層的變形量；S砂為砂的厚度。經(jīng)過變化，式(1)也可寫成

(2)

式中：C=S砂/S黏為常數(shù)。

2延遲指數(shù)計(jì)算與分析

以1-3號試樣第1組試驗(yàn)為例，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　號試驗(yàn)黏土層和砂層沉降量　時間/min；沉降/mm

黏土層變形的延遲指數(shù)如圖1所示。

(a)1號試樣

(b)2號試樣

(c)3號試樣

(d)試樣1、2、3對比

從圖1得出黏土層變形的延遲指數(shù)隨著沉降的進(jìn)行而逐漸變大，變化曲線呈現(xiàn)出明顯的非線性特征。將圖1前面一段(0~10 min)放大，如圖2所示。

(a)1號試樣

(b)2號試樣

(c)3號試樣

從圖1、2可以清楚的看出延遲指數(shù)隨時間變化曲線隨時間可分為3段。第1段持續(xù)時間較短，斜率較小，幾乎為一水平線；第2段持續(xù)時間較長，斜率較大，幾乎為一直線；第3段持續(xù)時間較長，斜率逐漸減小，最終趨于0。

將圖1中的時間取對數(shù)得到圖3，從圖3能更加清晰的看出延遲指數(shù)隨時間變化曲線的分段性。

圖3　黏土層變形的延遲指數(shù)隨對數(shù)時間變化曲線

通過《釋水條件下地面沉降的滯后效應(yīng)試驗(yàn)研究》一文中地面沉降對水位變化的響應(yīng)試驗(yàn)得出：在含水層開始釋水的前幾分鐘，砂層和黏土層均產(chǎn)生沉降，即：S砂、S黏都在變化，且變化基本為線性，如圖4所示。通過式(1)可以得到Di為定值，所以延遲指數(shù)隨時間變化曲線的第1段基本為一水平線。與黏土層的沉降相比，砂層的沉降歷時較短，所以第1段持續(xù)時間較短。當(dāng)砂層的沉降完成時，S砂/S砂為定值，而黏土層沉降還在繼續(xù)，S黏/S黏持續(xù)增大。第2段反映了黏土層的主固結(jié)過程，即黏土層中超靜孔隙水壓力消散完全的過程。當(dāng)黏土層中超靜孔隙水壓力消散完全后黏土層還會發(fā)生次固結(jié)，即產(chǎn)生蠕變。和主固結(jié)沉降量相比，黏土的蠕變量非常小，即S黏/S黏增加的非常緩慢，所以第3段斜率逐漸減小，最后趨于0。

3延遲指數(shù)與沉降的關(guān)系

從延遲指數(shù)的定義可以看出黏土層的沉降與之有密切的關(guān)系。按照延遲指數(shù)的3個階段將黏土層的沉降分為相應(yīng)的3段。每一階段的起始延遲指數(shù)和沉降量如表2所示。

圖4　試驗(yàn)前期黏土層、砂層的

試樣編號時間第1段第2段第3段1延遲指數(shù)初始0.003.2036.20結(jié)束3.2036.2038.90沉降量/mm初始0.000.687.61結(jié)束0.687.617.862延遲指數(shù)初始0.003.8038.70結(jié)束3.8038.7041.20沉降量/mm初始0.000.687.61結(jié)束1.1514.8215.753延遲指數(shù)初始0.003.1040.60結(jié)束3.1040.6044.30沉降量/mm初始0.001.0223.67結(jié)束1.0223.6725.52

從表2中可以看出第2段延遲指數(shù)的增量和沉降量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于第1、3段，每一段的延遲指數(shù)的增量和沉降量占整個沉降過程的百分比如表3所示。

表3　各個階段延遲指數(shù)增量和

從表3可以看出，第1階段的延遲指數(shù)的增量約占延遲指數(shù)最終值的8.1%，與其相對應(yīng)的第1階段的沉降量約占總沉降量的6.6%；第2階段的延遲指數(shù)的增量約占延遲指數(shù)最終值的84.8%，與其相對應(yīng)的第2階段的沉降量約占總沉降量的87.9%；第3階段的延遲指數(shù)的增量約占延遲指數(shù)最終值的7.1%，與其相對應(yīng)的第2階段的沉降量約占總沉降量的5.5%。

從沉降的角度來看，黏土層的主固結(jié)變形發(fā)生在第1、2段，即超靜孔隙水壓力完全消散的過程，主固結(jié)變形量約占最終沉降量的94.5%(6.6%+87.9%)。在主固結(jié)完成時，黏土層的延遲指數(shù)約為最終值的92.9%(8.1%+84.8%)。也就是說當(dāng)延遲指數(shù)達(dá)到最終值的92.9%時，主固結(jié)基本完成[6]。

從滯后的角度來看，當(dāng)承壓含水層水頭降低，承壓含水層和黏土層都會產(chǎn)生沉降(圖4)。在第1段中，S砂、S黏都在變化，且變化基本為線性，由式(1)可以得到延遲指數(shù)基本為定值，在這個階段黏土層變形相對于相鄰砂層變形的滯后效應(yīng)并不明顯。黏土層的變形滯后于相鄰砂層的變形主要發(fā)生在第2、3段，在這兩段中砂層基本不再發(fā)生沉降。在第2、3段的時間段內(nèi)，黏土層的沉降量約占總沉降量的93.4%(87.9%+5.5%)，也就是說黏土層沉降的93.4%是在這個滯后時間段內(nèi)發(fā)生的。

4結(jié)論

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合研制的地面沉降試驗(yàn)裝置，通過大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析研究釋水條件下黏土層變形的滯后，得出以下結(jié)論：

1)提出了黏土層延遲指數(shù)的概念。

2)合理解釋了在沉降過程中延遲指數(shù)曲線的分段性。

3)驗(yàn)證了Leake得出的水頭下降造成的最終壓縮的93%是在滯后時間段內(nèi)發(fā)生的結(jié)論。

參考文獻(xiàn)：

[1]柳志錫.復(fù)雜含水地層之抽水沉陷行為[D].新竹：臺灣交通大學(xué)，2004.

[2]施小清，薛禹群，吳吉春，張?jiān)疲谲?，朱錦旗.常州地區(qū)含水層系統(tǒng)土層壓縮變形特征研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2006(03):1-6.

[3]張?jiān)?，薛禹群，葉淑君，吳吉春，李勤奮.地下水位變化模式下含水砂層變形特征及上海地面沉降特征分析[J].中國地質(zhì)災(zāi)害及防治學(xué)報，2006，17(03):103-109.

[4]薛禹群，張?jiān)?，葉淑君，等.我國地面沉降若干問題研究[J].高校地質(zhì)學(xué)報，2006，12(02):153-160.

[5]張?jiān)?，薛禹?抽水地面沉降數(shù)學(xué)模型的研究現(xiàn)狀與展望[J].中國地質(zhì)災(zāi)害及防治學(xué)報，2002,13(02):1-6.

[6]于軍，吳吉春，葉淑君，吳劍鋒，王光亞，張?jiān)?蘇錫常地區(qū)非線性地面沉降耦合模型研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2007(05):11-16.

[作者簡介]徐海洋(1981-)，男，河南信陽人，工程師；任志剛(1972-)，男，四川成都人，高級工程師。

[收稿日期]2015-05-08

中圖分類號：P642.26

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1007-7596(2015)08-0026-04