沧州典型地面沉降区土体压缩与固结特征研究

2020-11-09王云龙郭海朋孟静陈晔臧西胜朱菊艳樊高栋

华北地质 2020年3期

王云龙，郭海朋*，孟静，陈晔，臧西胜，朱菊艳，樊高栋

（1.中国地质环境监测院，北京10081；2.中国地质科学院地质力学研究所，北京10081；3.中国地质大学（北京），北京10083）

关键字：沧州；地面沉降；压缩变形；固结特征

地面沉降是指由于自然因素或人类工程活动引发的地下松散岩层固结压缩并导致一定区域范围内地面高程降低的地质现象，是一种缓变性地质灾害[1]。目前，包括美国，泰国，意大利在内的60多个国家的许多城市中已发生地面沉降[2-5]。1920年前后，我国的地面沉降现象首次被发现于上海、天津等滨海或近海地区。全国有102个地级以上城市发现地面沉降现象，包括20个省会级以上城市和计划单列市[6-9]。地面沉降带来地面标高缺失、建筑物损坏、水利设施破坏等一系列的环境地质问题，因此地面沉降相关的研究意义重大[10-13]。

沧州地区是河北平原地面沉降最严重的地区之一。自1970年至2008年，沧州市最大累计地面沉降量为2.5 m，沉降量大于1 m的面积约占全区总面积的15%[14-16]。沧州地面沉降主要由深层地下水开采所致，而深层地下水开采量主要集中于第三含水组，该段地层粘性土层的压缩是造成地面沉降的最主要因素；由于地层中矿物成分以塑性比较大的粘土、粉质粘土为主，容易形成永久性沉降[17-20]。

土是产生地面沉降的物质条件，不同土有不同的特征，其引起的沉降原因也有所区别，1923年，太沙基从变形试验中发现了有效应力原理，提出了一维固结理论，1925年他提出当地下水被开采后，由于水头下降，原本由孔隙水承担的压力逐渐转变成土体承受的有效应力，土体受压变形[21]。随着社会的进步以及计算机的迅速发展，许多学者进行了相关数值模拟的研究[22-25]，不仅如此，随着对水资源的使用量大幅增大，对地面沉降机理分析以及对其发展过程进行准确监测的要求也来越高[26-30]。本文选取沧州地区地面沉降漏斗中心土样作为研究对象，通过室内常规物理力学性质及压缩固结试验，对土体物理性质、压缩变形及固结特征进行分析研究，为地面沉降成因规律研究提供数据支撑。

1 试验内容及方法

试验典型土样取自沧州沉降区中心附近钻孔，地质点编号为CSSY-04（图1），钻孔共取样129个，取样深度3.5 m～398.18 m。对其中较为典型的50个样品分别作土体的基本物理参数试验及高压固结试验。

图1 CSSY-04钻孔所在位置图Fig.1 The location map of CSSY-04 drilling hole

试验以《土工试验方法标准GB/T50123-1999》[31]为依据，按照原状土室内试验制备要求，采用快速固结法对先期固结压力、压缩系数、压缩指数等进行测定，固结试验采用分级加载的方法，加载梯度为Δpi /pi = 1，即施加每级荷载后，试样变形基本稳定（24 h），再施加下一级荷载。试验装置0～100 m以内的土样采用日本圆井MIS-232高压试验仪，100 m以下采用70 MPa高压流变试验机，试验过程中保证恒温恒湿，从而不考虑由于温度、湿度的变化对土样变形特性造成的影响，从50 kPa 开始逐级施加压力到12 800 kPa，分析沧州地区土层在不同荷载下固结变形的特性。

2 土体物理力学特征分析

由于沉积成因的不同，不同区域的地层土体呈现出的物理力学性质差异也较大，对沧州地区土体进行了基本物理力学试验，主要测得其含水率，密度，比重，孔隙比，塑性指数，液性指数及压缩系数等，其中孔隙比、含水量、密度反映土体三相组成，塑性指数和比重反映了土体颗粒细微程度以及吸附结合水的能力；液性指数反映了土体的软硬程度或者抗剪切能力。土样采集及试验项目见表1。

2.1 土体物理力学性质指标

测试结果表明，测试土样的含水率在13.4%～40.5%之间；密度在1.82～2.14 g/cm3之间；比重在2.66～2.76之间，孔隙比在0.37～1.13之间，塑性指数在4.8～22.6之间，液性指数在-0.3～0.93 之间，压缩系数（a1-2）在0.09～0.43 之间。从图2可以看出土体的含水量、孔隙比、液性指数、压缩系数随着深度增加呈递减趋势，密度、比重、塑性指数随深度增大呈增大趋势。土体类型对土体的压缩性以及物理性质有着很大影响，对于同一钻孔而言，不同类型的土体的可压缩性基本符合粉质粘土＞粉土＞粘土规律。

2.2 土体粒度对压缩性的影响

本次研究土样以粘土、粉质粘土为主，并有少量粉砂，其中粘土和粉质粘土交替出现。图3选取了四个土样进行了级配颗粒分析，其总体上，土样分布在0.05～0.01 mm区间段的颗粒比例最大。土样的不均匀系数较高，大于5 的有46 个样品（占92%），表明土粒不均匀，而从所有样品的曲率系数看，介于1～3 之间级配情况相对良好的仅占22%，其余土样为级配不良，且细粒含量大。研究区含大量级配不良的细颗粒土成层分布、构成了以松散孔隙介质为主的含水结构，为地下水位下降后的沉降变形提供了潜在条件。

2.3 软硬状态对土体压缩性的影响

从液性指数与压缩系数随深度的变化曲线可以看出，土体的液性指数和压缩系数随着深度增大总体趋势一致，两者呈正相关关系。根据液性指数大小，对四种状态土体的可压缩性进行了统计分析（表2）。从表2可以看出，随着液性指数的逐渐减小，压缩系数逐渐减小，即土体越软越容易压缩，土体越硬越难压缩。在正常状态下，土体的软硬状态应和含水率有较大相关性，垂向上应服从含水层、弱透水层的间隔分层特征，整体分布应较均匀，但从试验结果看，沧州土体主要以固态和硬塑态为主，说明土体的压缩性在经历了历史的沉降变形后，已经发生了较显著的变化。

表1 土样采集及试验项目Tab.1 Soil samples collection and test items

图2 CSSY-04土体物理参数与压缩系数随深度的变化曲线Fig.2 Change curve of CSSY-04 soil physical parameters and compression coefficient with depth

图3 土样的颗粒级配曲线Fig.3 Grain gradation curve of soil samples

表2 土体软硬程度与压缩系数Tab.2 Soil hardness and compression coefficient

3 土体压缩性与固结状态

3.1 不同深度土体应力-应变关系

以三个典型土样（原48、原94 和原113）进行分析，对土样在0～12.8 Mpa 下的土体压缩变形特征进行了分析（图4）。可以看出：①土样变形量随着压力的增大呈增大的趋势，在压力变化的作用下，变形量具有一定的阶段性，在4 000 kpa压力下土体的变形量变化较为剧烈，占到了总变形量的一半以上，且在5 000 kpa 以前变形量与压力之间基本为抛物线，而5 000 kpa之后，变形量与压力之间基本呈线性关系。说明土体的压缩过程是孔隙水排出，土体孔隙减小，颗粒间的排列更为紧密的过程，随着压力越大，土体的变形量区域平缓；②浅层土样变形量大于深层土样变形量，是因为浅层土结构较松散，孔隙比大，较容易压缩，深层土结构较密实，孔隙比较小，难于压缩。

3.2 压缩系数规律研究

3.2.1 不同深度地层压缩系数随压力的变化特征

压缩系数是反映土体压缩性大小的指标，压缩系数越大，土体完成固结所需时间越长，最终沉降量也越大。以三个典型的土样（原48、原94和原113）进行分析，对土样在0～12.8 Mpa。不同压力下的土体压缩系数进行了分析（图5）。原48及原113属于中等压缩土，原94属于低压缩土。可以看出：①不同深度土样的压缩系数随压力的增大总体上呈现减小而后趋于平缓的趋势，在压力较小阶段, 压缩系数变化剧烈，其减小幅度变化较大；②浅层土样压缩系数曲线均高于深层土样，说明随着埋深的增加, 土样的压缩系数有逐渐减小的趋势。

图4 不同深度土样变形量随压力变化曲线Fig.4 Deformation curve of soil samples at different depths with pressure

图5 不同深度土样压缩系数随压力变化曲线Fig.5 Compression coefficient curve of soil samples at different depths with pressure

为了探求压缩系数和固结压力的关系，经过多次试算，发现压缩系数和固结压力在双对数坐标下能呈现出很好的线性关系（图6）。由此，得出压缩系数和固结压力的非线性lga-lgp 模型，其表达式为：lga=B－A·lgp。采用上述模型分析沧州钻孔的6个试验数据，并在双对数坐标下进行线性拟合（图6），各个试样对应该模型的参数，结果总结如表3所示。可知：试样模型拟合相关系数都能达到0.939以上，相关性较好；粉质粘土参数A 的取值变化范围为0.377～0.607，参数B 的取值变化范围为-0.593～0.488。粘土及其他试样太少，有待于对更多样品的研究，得出更为精细的范围。

3.3.2 压缩系数与孔隙比及塑性指数的关系

从三者随深度变化曲线（图7）可以看出，土体孔隙比与压缩系数及塑性指数随着深度增大三者的走势基本一致，呈正相关关系，总体来看，土体越松散、密实度越差，土体越容易压缩；浅部地层正相关性要好于深部地层，这有可能与土体的结构屈服力有关，浅部地层土体结构屈服力相对较小，实验压力能够克服土体的结构屈服力，使土体结构易破坏，而深度地层土体由于结构屈服力较大，且土体固结程度较高，土体难于破坏。

图6 压缩系数与固结压力lga-lgp线性拟合关系Fig.6 Linear fitting relationship between compression coefficient and consolidation pressure lga-lgp

表3 试样对应的lga-lgp模型参数Tab.3 Parameters of lga-lgp model corresponding to soil samples

图7 不同深度土样压缩系数与孔隙比及塑性指数变化曲线Fig.7 Variation curves of compressibility, void ratio and plasticity index of soil samples at different depths

3.4 不同深度地层的固结状态分析

在沧州第四系沉积形成的地质历史过程中，由于气候变化、历经多次海侵事件、风化作用等多种因素，使得该地区地层存在明显的固结状态差异，这种差异特征可由先期固结压力Pc表征，Pc即指地层在地质历史上所受到的最大固结应力。根据Pc值与土体自重应力Po之间的比值关系，可将土的固结状态用超固结比ORC描述，即ORC = Pc/Po，并将其分为三类：当ORC＜1时，为欠固结土；当ORC=1时，为正常固结土；当ORC＞1时，为超固结土。

在沧州地区普遍存在着超固结土。通过对取样进行高压固结试验结果表明（图8），沧州地区自0～150 m以内多为正常固结或欠固结土，150 m以下地层普遍为超固结土。随着埋深增加，土的固结程度亦逐渐增加。