西安市承壓含水層高壓滲透模擬試驗研究

孫剛臣,彭建兵,戴海濤,孫曉涵,何小鋒,盧全中

(1.長安大學地質(zhì)工程與測繪學院,陜西西安 710054;2.桂林理工大學廣西壯族自治區(qū)建筑工程檢測與試驗重點實驗室,廣西桂林 541004; 3.桂林理工大學土木與建筑工程學院,廣西桂林 541004;4.長安大學西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)工程教育部重點實驗室,陜西西安 710054; 5.中國廣東核電集團中廣核工程有限公司,廣東深圳 518124;6.寧夏回族自治區(qū)國土資源調(diào)查監(jiān)測院,寧夏銀川 750004)

西安市承壓含水層高壓滲透模擬試驗研究

孫剛臣1,2,3,彭建兵1,4,戴海濤5,孫曉涵1,4,何小鋒6,盧全中1,4

(1.長安大學地質(zhì)工程與測繪學院,陜西西安 710054;2.桂林理工大學廣西壯族自治區(qū)建筑工程檢測與試驗重點實驗室,廣西桂林 541004; 3.桂林理工大學土木與建筑工程學院,廣西桂林 541004;4.長安大學西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)工程教育部重點實驗室,陜西西安 710054; 5.中國廣東核電集團中廣核工程有限公司,廣東深圳 518124;6.寧夏回族自治區(qū)國土資源調(diào)查監(jiān)測院,寧夏銀川 750004)

為了揭示在地下水頭升降過程中西安市承壓含水層的物理及力學性質(zhì),采用自行設(shè)計的高壓滲透固結(jié)試驗設(shè)備模擬西安市承壓含水層中細砂高壓滲透,研究了在不同豎向壓力和孔隙水壓力條件下砂柱應變與時間的關(guān)系、應力與應變的關(guān)系以及砂樣的滲透性,同時對比探討了試驗前后砂樣微觀結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明:孔隙水壓力降低或豎向壓力增大時,砂柱發(fā)生壓縮變形且表現(xiàn)出分段線性的特點;在一定應力范圍內(nèi),增大孔隙水壓力,砂柱變形幾乎沒有發(fā)生回彈或者恢復。根據(jù)試驗前后顆粒分析曲線、雙目鏡照相及電鏡掃描照片的對比,可以推斷砂樣在壓縮過程中除產(chǎn)生顆粒滑移和位置調(diào)整外,部分顆粒被壓碎或壓裂,由此導致了砂樣在地下水頭升降過程中顆粒級配發(fā)生改變、滲透系數(shù)急劇降低以及砂樣在不同應力下表現(xiàn)出的分段線性、粘滯性和部分不可恢復等非完全彈性性質(zhì)。

承壓含水層;中細砂;地下水頭;高壓滲透;非彈性變形;顆粒級配

Key words:confined aquifer;medium-fine sand;groundwater head;high-p ressure penetration;inelastic defo rmation;particle composition

0 引言

過量開采淺層承壓水是西安市發(fā)生地面沉降的主要原因。根據(jù)西安市地面沉降分層標監(jiān)測和歷年的研究成果,西安市地面沉降主要發(fā)生在地表以下100～300 m的承壓含水層組,該層為粉質(zhì)黏土與中細砂或粉細砂互層[1-10]。一般認為,西安市地面沉降中,黏土層的壓縮變形占大部分,砂層的壓縮量小,且為近彈性壓縮,對砂層變形計算一般依據(jù)彈性理論[11]。但是,張云等[12-14]在對上海和常州承壓含水層變形現(xiàn)場監(jiān)測和試驗研究時發(fā)現(xiàn),砂層在一定應力環(huán)境下,會發(fā)生塑性變形和蠕變,并且其壓縮量在地面沉降計算中不容忽略。為研究西安市承壓含水層在水頭升降條件下的物理、力學性質(zhì)及其變化,通過中細砂的高壓滲透固結(jié)試驗,對西安市承壓含水層進行模擬試驗研究。

1 試驗概況

1.1 試驗用土

按照試驗要求,應取各深度處的土樣,根據(jù)其埋藏深度和地下水頭高度,施加豎向力和孔隙水壓力,待變形穩(wěn)定后測其孔隙比和滲透系數(shù)。但鑒于砂土原狀樣取樣困難及與大型物理模擬試驗用土保持一致,本次試驗取西安市某基坑工地中細砂代替不同深度處的土樣,試驗用中細砂相對密度為2.675。

1.2 試驗設(shè)備

試驗用儀器是在常規(guī)固結(jié)儀的基礎(chǔ)上,借鑒同類儀器加以改進和加工。改進后的儀器包括加荷、水壓控制、量測和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。試驗儀器裝置見圖1。

1.3 試驗方案

首先通過加荷系統(tǒng)提供豎向壓力,模擬上覆地層的自重應力,同時通過高壓氮氣來控制試驗土層中孔隙水壓力,按照試驗方案,在各級豎向壓力下變形穩(wěn)定后,逐級降低和增大孔隙水壓力,以模擬水頭下降和上升。試驗中量測砂柱變形及單位時間出水量和水溫等。地下水水頭監(jiān)測表明,該承壓水水頭波動范圍為地表以下50～130 m。根據(jù)土層深度和地下水水頭波動情況(圖2),豎向壓力分別為2.0、3.0、4.0、5.0、6.0 MPa;水壓0.06～2.0 MPa,滲透試驗水頭差為0.1 MPa(表1),如果連續(xù)5 h砂柱變形不超過0.02 mm,視為砂柱在該級壓力下變形穩(wěn)定。

圖1 試驗裝置Fig.1 Test Equipment

圖2 試驗方案設(shè)計依據(jù)Fig.2 Design Considerations of Test Scheme

2 試驗結(jié)果分析

2.1 砂柱應變與時間的關(guān)系

圖3表明,在不同豎向壓力、不同孔隙水壓力作用下,砂柱應變與時間關(guān)系曲線表現(xiàn)出以下特征:

(1)砂柱應變與時間有關(guān),表明在長時間的壓應力作用下,砂層也會發(fā)生流變。

(2)應變-時間曲線具有分段性,土柱壓縮變形先快后慢,并逐漸趨于穩(wěn)定。

(3)小幅度降低孔隙水壓力時,砂柱應變增量近

似為零(圖3c中豎向壓力為4 M Pa、孔隙水壓力為0.9～1.5 M Pa下應變-時間曲線)。

表1 試驗壓力控制方案Tab.1 Pressure Control Scheme of the Test

圖3 不同豎向壓力和孔隙水壓力下砂柱應變與時間的關(guān)系Fig.3 Relationship Between Strain and Time of Sand Column Under Different Vertical Pressure and Pore Water Pressure

(4)受豎向壓力波動影響,部分應變-時間曲線出現(xiàn)異常點。

2.2 豎向有效壓力下砂柱應力與應變的關(guān)系

由循環(huán)荷載作用下砂柱壓縮曲線(圖4)可以看出,砂柱在豎向壓力和孔隙水壓力反復升降作用下的應力-應變具有以下特征:

圖4 循環(huán)荷載作用下砂柱壓縮曲線Fig.4 Com pression Curve of Sand Column Under Cyclic Loading

(1)有效應力-應變曲線具有分段性。本次試驗中的砂柱應變曲線可以分為3段:0.0～2.01 M Pa、2.01～2.9 M Pa、2.9～6.0 M Pa。隨著有效應力增加,壓縮模量降低,各段曲線基本呈線性。

(2)在較低水平有效應力作用下,砂柱應變量的增加和降低都很小。

(3)砂柱在豎向壓力作用下變形穩(wěn)定后,增大孔隙水壓力,應變量基本不變。這表明升高地下水頭僅能控制砂層的壓縮變形不再增加,而不能使其變形恢復。另外,間斷性抽水可以減少砂層的壓縮變形量。

(4)荷載恢復后,砂柱變形仍遵循原來的變形軌跡。

2.3 不同豎向壓力下砂樣滲透性

對試驗數(shù)據(jù)進行整理,繪制出滲透系數(shù)曲線(圖5)。圖5表明,西安市下覆中細砂的滲透系數(shù)隨孔隙比的降低而降低,當孔隙比在0.527～0.534處,滲透系數(shù)發(fā)生突變。此時豎向有效應力為4～5 M Pa。

圖5 砂樣在不同孔隙比下滲透系數(shù)Fig.5 Permeability Coefficient of Sand Sample Under Different Void Ratios

2.4 試驗前后砂樣微觀結(jié)構(gòu)對比

對試驗前后的砂樣分別進行顆粒分析(篩分試驗、激光粒度分析實驗)、雙目鏡觀察及電鏡掃描分析。

2.4.1 砂樣的顆粒粒度分析

圖6表明,試驗后曲線整體向左側(cè)偏移(圖6a),曲線峰值明顯降低(圖6b),說明試驗后小粒徑砂粒所占密度比試驗前明顯增加,砂樣顆粒級配發(fā)生變化。

圖6 試驗前后砂樣顆粒粒度分布Fig.6 D istribution of Particle Size Before and After the Test

2.4.2 砂樣的顆粒結(jié)構(gòu)分析

為了進一步揭示砂樣的顆粒級配變化,通過雙目鏡光學顯微鏡觀察了不同粒徑的顆粒結(jié)構(gòu)變化,同時通過高精度電鏡掃描對砂樣的微觀結(jié)構(gòu)進行分析。

圖8 砂樣試驗前后電鏡掃描照片F(xiàn)ig.8 Photographs of Sand Samples by Electronic M icroscopic Beforeand After the Test

(1)普通光學雙目顯微鏡觀察的試驗前后不同顆粒結(jié)構(gòu)特征。圖7在長安大學地質(zhì)古生物實驗室拍的,由于該雙目光學顯微鏡及配套照相裝置像素低,放大倍數(shù)有限,故粒徑小于0.075 mm顆粒沒能拍到,但從試驗前后砂粒照片(圖7)可以較清晰地看到,試驗后砂樣比試驗前有所破碎,試驗后部分砂顆粒發(fā)生了破裂。

圖7 砂樣試驗前后雙目鏡照片F(xiàn)ig.7 Photographs of Sand Samples by Binocular M icroscope Beforeand After the Test

(2)試驗前后砂顆粒結(jié)構(gòu)的電鏡掃描觀察。對試驗前后的砂樣分別取樣進行電鏡掃描(圖8),通過照片可以很清楚地看到試驗后部分砂粒發(fā)生壓裂破壞,破壞方式主要有整體結(jié)構(gòu)破壞和局部邊緣破壞等兩種類型,可以推測其顆粒不規(guī)則、棱角度高是砂顆粒在較低應力(5～6 MPa)水平發(fā)生破壞的原因。

3 結(jié)語

(1)孔隙水壓力降低或豎向壓力增大時,砂柱發(fā)生壓縮變形,且表現(xiàn)出分段線性的特點:低水平循環(huán)應力作用下,砂柱應變量的增加和降低都很小,隨著有效應力水平增大,砂柱發(fā)生較大的應變,壓縮模量降低,在豎向有效壓力增加到4～5 MPa時,砂柱的滲透系數(shù)突然降低。

(2)本次試驗應力范圍內(nèi),增大孔隙水壓力,砂柱變形幾乎沒有發(fā)生回彈或者恢復,可以推測,恢復和升高地下水水頭僅能控制砂層的壓縮變形不再增加,而不能使已經(jīng)發(fā)生的壓縮變形得到恢復。此外,計算西安市100～300 m深度內(nèi)的砂層在水頭升降時的變形,采用完全彈性理論是值得商榷的。

(3)砂顆粒在壓縮過程中除產(chǎn)生顆?；坪臀恢谜{(diào)整外,部分顆粒被壓碎或壓裂,使顆粒級配趨于“優(yōu)化”,從而減小了有效滲透面積,導致滲透系數(shù)急劇減小。

(4)本次試驗用砂取自西安市某基坑工地,與100～300 m承壓含水層在沉積時間和環(huán)境上有一定的差異,因此,試驗還需進一步改進,采取深層砂樣進行試驗,以期能夠根據(jù)試驗結(jié)果對西安市承壓含水層的力學性質(zhì)做定量分析與研究。

[1] 趙其華,王蘭生,徐 進.西安市地面沉降機制[J].地質(zhì)災害與環(huán)境保護,1998,9(3):11-17.

[2] 彭建兵,陳立偉,黃強兵,等.地裂縫破裂擴展的大型物理模擬試驗研究[J].地球物理學報,2008,51(6):1826-1834.

[3] 徐光黎,佟永賀,張家明.地下水抽汲對西安市地面沉降和地裂縫活動的影響程度分析[J].中國地質(zhì)災害與防治學報,1992,3 (4):3-7.

[4] 金海峰,張益謙.西安市地下熱水開采現(xiàn)狀與合理開發(fā)利用探討[J].地球科學與環(huán)境學報,2004,26(3):40-43.

[5] 胡志平,趙振榮,朱啟東,等.西安市某地裂縫兩側(cè)黃土物理力學性質(zhì)試驗[J].地球科學與環(huán)境學報,2009,31(1):85-88.

[6] 孫剛臣,彭建兵,張德媛.西安市地面沉降成因機理中的若干問題探討[J].災害學,2008,23(增刊):40-44.

[7] 門玉明,石玉玲.西安市地裂縫研究中的若干重要科學問題[J].地球科學與環(huán)境學報,2008,30(2):172-176.

[8] 索傳郿,王德潛,劉祖植.西安市地裂縫地面沉降與防治對策[J].第四紀研究,2005,25(1):23-28.

[9] 鄧亞虹,彭建兵,盧全中,等.地鐵工程地質(zhì)災害危險性綜合評估定量方法——以西安地鐵一號線為例[J].地球科學與環(huán)境學報,2009,31(3):291-294.

[10] 石玉玲,門玉明,劉 洋,等.西安市地裂縫對城市立交的破壞機理及防治措施[J].地球科學與環(huán)境學報,2009,31(1):89-93.

[11] 徐光黎,唐輝明,賈思吉,等.西安市地裂縫活動數(shù)學模型研究[R].西安:陜西省環(huán)境監(jiān)測中心站,1994.

[12] 張 云,薛禹群,施小清,等.飽和砂性土非線性蠕變模型試驗研究[J].巖土力學,2005,26(12):1869-1873.

[13] 張 云,薛禹群,李勤奮.上海現(xiàn)階段主要沉降層及其變形特征分析[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2003,30(5):6-11.

[14] 葉淑君,薛禹群,張 云,等.上海區(qū)域地面沉降模型中土層變形特征研究[J].巖土工程學報,2005,27(2):140-147.

Simulated Study on High-pressure Penetration in Confined Aquifer of Xi'an

SUN Gang-chen1,2,3,PENG Jian-bing1,4,DA IHai-tao5, SUN Xiao-han1,4,HE Xiao-feng6,LU Quan-zhong1,4

(1.School of Geology Engineering and Surveying,Chang'an University,Xi'an 710054,Shaanxi,China;2.Guangxi Key Laboratory for Construction Engineering Testing and Experiment,Guilin University of Technology,Guilin 541004,Guangxi, China;3.School of Civil Engineering,Guilin University of Technology,Guilin 541004,Guangxi,China;4.Key Laboratory of Western M ineral Resources and Geological Engineering of M inistry of Education,Chang'an University,Xi'an 710054,Shaanxi, China;5.Engineering Com pany L imited of China Guangdong N uclear Pow er Group,Shenzhen 518124,Guangdong, China;6.N ingxia Institute of Land and Resources Investigation and M onitoring,Yinchuan 750004,N ingxia,China)

In o rder to reveal the physical and mechanical p roperties of soil in confined aquifer of Xi'an w hen groundwater head changes,high-p ressure infiltration and consolidation test system was designed to simulate the high-p ressure penetration of medium-fine sand in confined aquifer of Xi'an.Relationships between strain and time, and strain and stress of sand column under different vertical p ressure and po re water p ressure were discussed; penetrability of sand samp le was analyzed;and microstructures of sand samples befo re and after the test were compared.The results showed that sand column characterized comp ression deflection and piecew ise linearity,w hen po re water p ressure deceased o r vertical p ressure increased;deflection of sand colum n could not resile w hen po re water p ressure increased in a certain limit of stress.According to the comparison of the test curves before and after the particle analysis,and the photographsof binocularmicroscope and electron scanning microscope before and after the tests,it was estimated that the sand samp le characterized particle slides,position adjustment and particle crushed o r fractured partly in the comp ression p rocess.It caused particle composition changing and permeability coefficient sharply decreasing in the p rocess of groundwater head change and the sand samp le characterized imperfectly elastic,such as piecewise linearity,treacliness and partly irrecoverable.

P641

A

1672-6561(2010)04-0386-06

2010-06-13

國家自然科學基金重點項目(40534021);中國地質(zhì)調(diào)查局項目(1212010641403);廣西壯族自治區(qū)建筑工程檢測與試驗重點實驗室基金項目(桂科能07109005-C;桂科能07109005-4)

孫剛臣(1977-),男,江蘇豐縣人,工學博士研究生,從事地面沉降致災機理研究。E-mail:sun2963@163.com