【摘要】：地面沉降是一種影響范圍廣、持續(xù)時間長的環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害。其前期難以察覺,但在后期易引發(fā)較為嚴(yán)重的沉降災(zāi)害鏈,已成為影響城市基礎(chǔ)設(shè)施長期穩(wěn)定運(yùn)行和制約經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的重要因素。在我國東部沿海軟土地區(qū),地面沉降問題已由來已久,隨著近些年來人口數(shù)量的急劇增加,導(dǎo)致該地區(qū)地下水資源需求與地面沉降防控之間的矛盾變得越來越突出。因此,本論文以沿海軟土地區(qū)地面沉降為研究背景,主要采用理論分析和數(shù)值模擬,研究在地下水位變化作用下的沉降機(jī)理,并探討不同采灌模式對于地面沉降的抑制效果。本論文中主要的研究內(nèi)容和研究成果如下:(1)基于Biot流固耦合理論,考慮流體滲流的各向異性,利用Laplace-Hankel聯(lián)合積分變換對粘土層在下臥含水層水位變化作用下的固結(jié)問題進(jìn)行了求解,研究了定降深和定流速兩種水力邊界對于粘土層固結(jié)特性的影響。其中對于定降深邊界主要對比了常降深和循環(huán)降深的作用效果,而對于定流速邊界則重點(diǎn)探討了土性參數(shù)變化的影響。結(jié)果表明前者作用下的位移隨時間會最終趨于穩(wěn)定,而由后者引起的位移則一直在增加。(2)基于Biot流固耦合理論,考慮抽水井長度以及滲流各向異性的影響,利用LaplaceHankel聯(lián)合積分變化以及解析層元法對成層地基在抽水井降壓作用下的固結(jié)問題進(jìn)行了求解,研究了層間土性參數(shù)相對變化以及不同采灌模式對于整個地基系統(tǒng)以及每層土壓縮變形行為的影響。結(jié)果表明忽略抽水井豎向尺度會極大地增加沉降預(yù)測值,采取回灌淺部含水層或者間歇性采灌的措施能有效減小抽水引發(fā)的沉降。(3)通過引入各向異性張量以及旋轉(zhuǎn)硬化法則,建立了適用于軟粘土循環(huán)荷載分析的各向異性邊界面塑性模型,并利用完全隱式應(yīng)力積分算法,實現(xiàn)了該本構(gòu)模型在ABAQUS中的二次開發(fā),最后利用室內(nèi)三軸試驗獲取材料參數(shù)并驗證該本構(gòu)模型的適用性。結(jié)果顯示自行編寫的UMAT子程序能與ABAQUS中的孔壓單元相連用,且該本構(gòu)模型能夠較好地刻畫出軟粘土在循環(huán)荷載所用下產(chǎn)生的塑性累積變形。(4)通過引入上述開發(fā)的各向異性邊界面塑性模型以及非線性滲流模型,建立了三維完全耦合地面沉降彈塑性有限元模型,分析了土性參數(shù)變化以及不同采灌模式對于地面沉降發(fā)展的影響。結(jié)果表明粘土層的沉降量遠(yuǎn)大于砂土層,且粘土層中以塑性變形為主。采取滯后回灌或者間歇性采灌的方式能有效抑制地面沉降的發(fā)展。
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：P641;P642.26
【圖文】：

圖 1-1 國內(nèi)地面沉降分布圖Figure 1-1 The distribution of domestic land subsidence（1）長江三角洲地區(qū)上海市最早于 1921 年根據(jù)水準(zhǔn)測量結(jié)果發(fā)現(xiàn)該地區(qū)出現(xiàn)了地面沉降的現(xiàn)象。在 192年至 1965 年間，由于過度開采地下水，上海市區(qū)累計平均地面沉降量達(dá)到 1.69m，年均沉降量為 37.6mm，最大累計沉降量則高達(dá) 2.63m。1965 年后，通過壓縮地下水開采量、調(diào)整開采層次以及采取人工回灌等措施，地面沉降得以有效控制。在 1966 年至 1988 年間，上海中心城區(qū)地面平均累計沉降量為 44mm，沉降速率為 2mm/a。從 1989 年開始至 20 世紀(jì)90 年代末，隨著上海開展大規(guī)模的工程市政建設(shè)，市區(qū)地面沉降又出現(xiàn)了加速現(xiàn)象（如圖1-2 所示）。從 2000 年開始，上海開展了長期的地面沉降防治工作，使得上世紀(jì)末期沉降加劇的趨勢得以遏制，并使之持續(xù)減緩。至 2015 年末，上海市區(qū)年均地面沉降量已減小至6mm 以下。但此時，上海市區(qū)大范圍的地面沉降逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榫植康孛娉两荡沃行模@主要是由于地下水開采與人工回灌格局發(fā)生了變化，尤其是疊加了深基坑降排水的影響，使地面沉降在空間上的差異性體現(xiàn)得更為明顯[13-15]。

圖 1-3 美國由于地下水開采誘發(fā)的地面沉降區(qū)域分布Figure 1-3 The distribution of land subsidence induced by groundwater pumping inAmerica圣克拉拉流域河谷位于舊金山東南部，從 20 世紀(jì)初期開始，由于大量開采地下水用業(yè)灌溉，該地區(qū)開始出現(xiàn)地面沉降。1912 至 1933 年期間，部分地區(qū)沉降量達(dá)到 1.265 年后，由于采取了地下水回灌等措施，地面沉降速率開始減緩；至 1969 年，南部累計沉降量為 0.6~2.4m。1910 至 1995 年期間，該地區(qū)最大沉降量為 4.3m[3]。圣華金流域位于加利福尼亞州中央谷地的南部，該地區(qū)下部土體為海相沉積土，上體為陸相沉積土，其中超過一半的陸相沉積土為細(xì)粒的河流、湖泊沉積土。至 1970 年有超過 1.1×104km2的地區(qū)的累積沉積量大于 0.3m，最大沉降量達(dá)到 8.5m；至 1977 年地區(qū)形成了三個沉降中心，最大沉降量分別達(dá)到 9m、4.3m 和 2.8m。從 2008 年到 2，圣華金流域在春季時的地下水位持續(xù)低于歷史最低水位，兩個主要農(nóng)業(yè)區(qū)的地面沉 50~540mm[31]。休斯頓-加爾維斯頓地區(qū)位于德克薩斯（Texas）州東南部，該地區(qū)分布著厚度不均勻土和砂土層，其中粘土層的主要礦物成分為高含水量的蒙脫石。最初該地區(qū)的地面沉由于油氣開采所引發(fā)的。隨著人口的增加，工業(yè)和農(nóng)業(yè)對于與地下水的需求不斷增 1906 年至 1943 年，地面累積沉降達(dá)到了 0.5m。由于 40 年代至 70 年代該地區(qū)用水量

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 陶福平;陶虹;李輝;;西安市地面沉降數(shù)值模擬研究[J];地質(zhì)學(xué)刊;2015年04期

2 熊志濤;葉騰升;文美霞;王偉;;武漢某地鐵基坑降水引發(fā)的地面沉降數(shù)值模擬分析[J];資源環(huán)境與工程;2015年06期

3 羅美芳;;浙江溫州永強(qiáng)平原地面沉降成因初探[J];中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報;2015年03期

4 楊天亮;王寒梅;焦s

本文編號：2731004