湛江霞山区菉塘地面沉降量计算方法及沉降趋势预测分析

2017-06-19王双

地下水 2017年3期

关键词：湛江市工程地质土层

王双

(广东省地质局第四地质大队，广东湛江 524000)

湛江霞山区菉塘地面沉降量计算方法及沉降趋势预测分析

王双

(广东省地质局第四地质大队，广东湛江 524000)

湛江市作为广东省主要由地下水供水城市，其地面沉降现象日益加剧，其为了控制地面沉降的发生和发展，在提出合理的地面沉降计算方法的基础上，对未来地面沉降进行预测分析。菉塘为湛江市地面沉降中心之一，选取菉塘沉降中心计算其最终沉降量，并对其沉降趋势及沉降主导因素进行分析预测与确定。湛江市地层和地下水分布比较复杂，地层几乎涵盖了黏性土、粉土、砂、基岩等几乎所有类型，地下水类型较多，几乎涉及到了所有地下水类型。为了合理预测抽取地下水引起的地面沉降，有必要通过对不同地层进行分析，提出简单、实用、使用便捷的沉降计算方法。

地面沉降；沉降趋势；主导因素；菉塘

1 地面沉降量的计算方法——分层总和法

虽然地面沉降最终沉降量(S∞)由瞬时沉降(Sd)、固结沉降(即主固结沉降) (SC)和次固结沉降(Ss)三个部分组成，即S∞=Sd+Sc+Ss

但在实际计算过程中三者很难区分，因此本次主要通过计算主固结沉降量，再用沉降计算经验系数(ψs)来修正，即按下面式子计算总沉降量：S∞=ψs·Sc

沉降计算经验系数与软弱类土的变形特性、上部荷载条件、加载速率等因素有关，对于正常固结或稍超固结土，通常取1.1～1.7，荷载较大、土较软弱时取大值，反之则取小值。根据区内实际，本次湛江市平原ψs区取1.1。

1.1 固结沉降量的计算

在计算固结沉降量Sc时，对不同地层采用不同的计算公式。

1.1.1 黏性土及粉土层固结沉降量计算公式

式中：α为压缩系数(MPa-1)；θ0为初始孔隙比；ΔP为施加于计算土层上的平均附加压力(MPa)；H为计算土层的厚度(mm)。

1.1.2 砂性土层固结沉降量计算公式

式中：Es为砂层的弹性模量(MPa)。

分层总和法计算总沉降量

根据前面分析，区内影响地面沉降的作用力有五种形式，各种作用力施加的起始地层是不尽相同的，即施加于不同层位的ΔP也是不同的，因此，分层总和法计算总沉降量的公式如下：

式中：i为计算土层的序号；n为计算土层的总层数；j为黏性土层(含粉土层)的序号；n1为黏性土层(含粉土层)总层数；k为砂性土层的序号；n2为砂性土层总层数。

1.2 次固结沉降量计算

在软弱类土层的相关参数比较齐全和可靠的情况下，也可以直接计算其次固结沉降量。由于次固结沉降速率远远小于主固结沉降速率，因此，一般情况下都将次固结开始的时刻等同于主固结完成的时刻，即软弱类土次固结可以理解为在没有外部荷载的情况下发生的压缩现象，次固结的孔隙比变化为：

式中：Δθs为次压缩阶段的孔隙比变化；θ1为土层主固结完成时刻的孔隙比；θ2为土层次压缩量计算时刻的孔隙比；Ca为土层的次固结系数；t1为主固结完成的时刻；t2为次压缩量计算时刻。

常规次固结沉降量计算公式如下：

假设土颗粒是不可压缩，那么土体压缩变形是由孔隙比的减小而成，即次固结沉降量Ss不能是无限大的，而上式当t2→∞时得Ss→∞，与实际不相符。根据广西电力工业勘察设计研究院冯志刚等的研究成果，对上式进行了改进，修正后的公式如下：

上式当t2→∞时，得

该极限值可认为是次固结沉降的最终沉降量。

1.3 瞬时固结沉降量计算

一般采用弹性力学法计算瞬时固结沉降量，如均布荷载下地基表面任意点的沉降计算公式为：

式中：ω为沉降影响系数；p为上部荷载；B为矩形荷载的宽度或圆形荷载的直径；Eu为土层的不排水弹性模量；μ为土的泊松比。

1.4 稳定附加压力下某时段地面沉降量预测计算

在大面积填土工程、各类建设项目施工完成后，或地下水水位升降基本稳定不变等情况下，由此产生的附加应力也基本稳定不变，土层变形量与时间的关系为：

St=S∞U

其中：

式中：St为某时刻时的地面沉降量(mm)；U为固结度；N为时间因素；Cv为土层的固结系数(mm2/a)(1cm2/s=31.54×108mm2/a)；t为时间(a)。

2 菉塘沉降中心最终沉降量计算结果分析

限于工作区地面沉降诱发因素的复杂性，本次仅对典型点进行沉降总量、速率和持续时间等做出评估。湛江市霞山区菉塘在二十世纪80至90年代大量开采中层地下水用于生活用水，90年后期政府加强了对地下水开采的管理，中层承压水漏斗中心区水位出现逐年回升的现象，至2011年，菉塘的开采量基本稳定，中层承压水水位也趋于稳定。根据湛江市地面沉降监测数据，1989年菉塘沉降中心累计沉降量为140 mm，2011年菉塘沉降中心累计沉降量为195 mm，附近钻孔资料可作参考，故本次选取菉塘沉降中心进行沉降计算。

2.1 中层承压水水位下降引发的沉降

根据菉塘沉降中心S5186钻孔资料，主要抽水层为第13层的粗中砂，厚度10.50 m；孔深100.50 m时见玄武岩。S5186号孔地层自上而下的岩性及主要物理指标见表1。

表1 湛江市霞山区菉塘村S5186号收集孔地层分层情况表

该点1989年水位标高-5 m，2011年水位标高-11 m，22年间水位降深6 m，水位下降引起的附加压力约为60 kPa；该区地面沉降计算经验系数ψ取1.1；计得最终沉降量约为1 010 mm。

2.2 上部荷载作用产生的沉降

S5186钻孔上覆填土以吹填砂为主，为未经压实的软弱类土，厚度2.60 m，密度2.0 g/cm3；第二层黏土为软弱类土，厚度3.40 m；由于本场地浅层水水位埋深为1.10 m，小于填土厚度，故将填土对软弱类土产生的附加压力分为水位以上、水位以下分层计算。计得最终沉降量约为324 mm。

3 菉塘沉降中心沉降趋势预测

综上所述计算结果，松散层总沉降量为1 334 mm。根据收集的钻孔土工试验资料，选取荷载100 kPa时的固结系数，按分层厚度加权平均，即加权平均值为24.073×10-3cm2/s；压缩土层的底部为玄武岩，故考虑单面排水，为100.50 m。水位升降稳定不变情况下，以Terzaghi一维固结理论预测沉降趋势，预测沉降计算如下(表2)。