北京典型地面沉降區(qū)土體壓縮特征研究

楊　艷，王　榮，羅　勇,3

(1.北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院，北京　100871；2.北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊，北京　100195；3.中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，北京　100029)

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北京典型地面沉降區(qū)土體壓縮特征研究

楊艷1,2，王榮2，羅勇2,3

(1.北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院，北京100871；2.北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊，北京100195；3.中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，北京100029)

北京平原區(qū)地面沉降目前處于快速發(fā)展階段，影響因素十分復(fù)雜，其中粘性土體的存在是其賴以形成的物質(zhì)基礎(chǔ)。以北京昌平八仙莊典型地面沉降區(qū)為研究對象，采取逐級加荷、逐級卸荷以及反復(fù)加卸荷，分析100 m以淺粘性土體在不同加卸載方式下的固結(jié)特征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：荷載從25 kPa分級加荷到1 600 kPa，粘土變形量大于粉土，分別為2.822 mm、1.000 mm；荷載從400 kPa分級卸除到50 kPa，粘土的回彈量大于粉土，分別為0.277 mm、0.121 mm；反復(fù)加卸荷條件下粉質(zhì)粘土及粉土較之粘土更容易達(dá)到固結(jié)狀態(tài)，蠕變時間效應(yīng)為粘土>粉質(zhì)粘土>粉土。建議在制定地面沉降災(zāi)害防治措施方案時，應(yīng)充分考慮沉降區(qū)地層土體特征影響。

地面沉降；粘性土；固結(jié)試驗(yàn)；壓縮特征

地面沉降是一種不可補(bǔ)償?shù)沫h(huán)境和資源損失，是地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)被破壞所導(dǎo)致的區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害，并誘發(fā)一系列地質(zhì)環(huán)境災(zāi)害，形成災(zāi)害鏈，受到國內(nèi)外專家學(xué)者和政府管理部門的廣泛關(guān)注[1-3]。

北京地區(qū)地面沉降影響因素十分復(fù)雜，地面沉降影響范圍和發(fā)展速率在不同時間、空間上有較大的差異。從驅(qū)動力條件來看，地下水位周期性波動特征下的持續(xù)下降是誘發(fā)地面沉降的主要原因[4-5]。從區(qū)域水文地質(zhì)條件來看，可壓縮層的存在是形成地面沉降的客觀地質(zhì)條件，而粘性土固結(jié)壓縮特征決定了土體變形的特征。國內(nèi)上海、天津和蘇錫常地區(qū)都利用地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了土層變形特征研究[6-7]，并進(jìn)行了粘性土固結(jié)特征的研究[8-10]。本文將以北京昌平八仙莊地面沉降區(qū)為例，開展地層土體壓縮特征研究。

1　典型沉降區(qū)的選取

圖1　研究區(qū)范圍及取樣點(diǎn)位置圖Fig.1　Map of the study area and location of sampling points

北京自1935年西單至東單一帶發(fā)現(xiàn)地面沉降以來，先后經(jīng)歷形成階段、發(fā)展階段、擴(kuò)展階段和快速發(fā)展階段，其快速發(fā)展已經(jīng)對城市建設(shè)及安全造成了一定影響[11-12]。截至2013年，北京平原區(qū)發(fā)育有昌平區(qū)八仙莊、沙河，朝陽區(qū)金盞、三間房，大興區(qū)小馬坊、趙村以及通州城區(qū)等多個沉降中心。其中八仙莊沉降中心累計沉降量達(dá)1.5 m，最大年沉降速率超過110 mm/a，沉降發(fā)展受地下水超量開采[13]、粘性土層變形與壓縮影響明顯，因沉降災(zāi)害導(dǎo)致的市政工程破壞、軌道交通工程受損、誘發(fā)和加劇地裂縫等現(xiàn)象明顯，是北京最典型的地面沉降區(qū)域之一[14]。

八仙莊沉降區(qū)位于昌平區(qū)東北部溫榆河沖洪積扇上游地區(qū)(圖1)，第三系地層巖性為亮黃棕、灰黃棕、濁紅棕-灰紅棕色粉質(zhì)粘土，含礫石粗砂卵石層、凝灰質(zhì)砂礫巖，以河湖相沉積為主。第四系底界埋深約400 m，巖性以黃棕、濁黃棕、濁棕色粉質(zhì)粘土以及粉砂質(zhì)亞粘土為主，夾雜灰黃、黃棕、灰黃棕色粉、細(xì)、中砂及含礫粗砂，粘性土普遍含砂質(zhì)，多具水平層理，賦水性較好，以河流相沉積為主[15-16]。

本文選取八仙莊地面沉降監(jiān)測站鄰近的西王路村100 m以淺地層為研究對象，采用Ф130 mm外肋骨雙套合金鉆具取心、Ф108 mm薄壁取樣器取樣，對所取原狀樣土體及時蠟封，并進(jìn)行固結(jié)壓縮試驗(yàn)，分析粘土壓縮變形特征。研究范圍及實(shí)驗(yàn)場地位置如圖1所示，土樣采集深度及主要巖性如表1所示。

2　土體壓縮變形特征

自2004年以來，北京平原區(qū)先后建立了7座分層標(biāo)監(jiān)測站，用于獲取不同地區(qū)分層壓縮量及水位動態(tài)信息。分層標(biāo)和地下水水位監(jiān)測井可以提供含水層系統(tǒng)壓縮、孔隙水壓力變化等信息，了解不同埋深水文地質(zhì)單元水文、力學(xué)特性。其中，八仙莊監(jiān)測站埋設(shè)分層標(biāo)10座，最深觀測深度達(dá)到304.00 m，地面標(biāo)埋設(shè)深度為2.00 m，2008年6月25日開始運(yùn)行，截至2013年12月25日F4-10(地面標(biāo))沉降量為81.73 mm；布設(shè)地下水水位觀測井6眼，采用分層觀測，最深觀測層位為304.81～333.00 m，最淺觀測層位為13.49～23.00 m，觀測層位包括潛水、淺層承壓水和中深層承壓水。在八仙莊地面沉降地下水位、分層標(biāo)監(jiān)測基礎(chǔ)上，利用應(yīng)力-應(yīng)變圖解法分析不同埋深地層土體變形特征。結(jié)果表明，不同埋深地層壓縮量不同，其土體變形特性差異較大，總體上呈彈性、彈塑性特征。

表1　土樣采集及巖性特征

2.1彈性變形

八仙莊監(jiān)測站分層監(jiān)測資料顯示，該地區(qū)24 m以淺地層壓縮量非常小。由圖2可以看出，該段地下水水位總體上處于上升趨勢，自2009年至2013年底該段地層的變形量均在-1～1 mm間變化?？梢哉f，由于該段水位始終處于緩慢上升的趨勢，所以該段地層基本沒有壓縮現(xiàn)象發(fā)生，無明顯的變形特征。

圖2　分層標(biāo)F4-10處土體變形與水位的關(guān)系(“D”表示地下水監(jiān)測曲線， “F”表示地面沉降分層監(jiān)測變化曲線)Fig.2　Soil deformation and water level of F4-10

2.2彈塑性變形

中深部地層(24～235 m)是研究區(qū)地下水開采的主要層位，該段地層含水層組水位總體上呈下降趨勢，水位季節(jié)性波動明顯，波動幅度最大達(dá)4 m。同時，該段地層也是地表形變的主要貢獻(xiàn)層，其壓縮量占總壓縮量的95%以上。自2009年以來，該段水位呈周期性的往復(fù)升降，在每個周期中，水位下降幅度大于上升幅度，水位總體呈下降趨勢，意味著土體所受的有效應(yīng)力持續(xù)增加，土體持續(xù)壓縮(圖3(a))。每當(dāng)水位回升時，土體的壓縮變形減緩，可知其殘余壓縮量大于由于水位變化而產(chǎn)生的回彈量，總體上呈持續(xù)壓縮狀態(tài)。應(yīng)力-應(yīng)變分析結(jié)果(圖3(b))表明，水位在動態(tài)變化中總體上持續(xù)下降, 但仍高于該土層最低水位。土層變形與水位變化幾乎同步, 蠕變變形較小。應(yīng)力循環(huán)加、卸載過程中有明顯的殘余變形, 呈現(xiàn)出一定的塑性, 呈彈塑性變形。八仙莊地面沉降監(jiān)測站內(nèi)24～235 m地層范圍內(nèi)共有分層標(biāo)6個，通過分層沉降和對應(yīng)水位監(jiān)測可知，該層段具有基本相同的應(yīng)力-應(yīng)變特征，以塑形為主的彈塑性變形。

圖3　分層標(biāo)F4-6處土體變形與水位的關(guān)系Fig.3　Soil deformation and water level of F4-6

此外，隨著水位的波動，粘性土體的變形呈現(xiàn)一定的滯后效應(yīng)。以地面沉降發(fā)育較為嚴(yán)重的2010年為例：水位快速下降發(fā)生于3月2日，而59～83 m以粉質(zhì)粘土為主的地層的快速壓縮發(fā)生于3月8日，24～59 m以粘土為主的地層的快速壓縮始于3月22日，即土體壓縮分別滯后了6天和20天，粘土的滯后時間長于粉質(zhì)粘土的滯后時間。其土體壓縮變化曲線如圖4所示。

圖4　八仙莊地面沉降區(qū)土體壓縮曲線圖

3　土體固結(jié)壓縮實(shí)驗(yàn)

3.1實(shí)驗(yàn)概況

本次研究在西王路地區(qū)選取典型鉆孔進(jìn)行原狀土取樣，利用單向固結(jié)儀進(jìn)行土體固結(jié)壓縮實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)分為三組，分別為逐級加載、逐級卸載及反復(fù)加卸載，模擬地下水位持續(xù)下降、地下水位逐漸上升和地下水在往復(fù)升降中持續(xù)下降三種情況，每組實(shí)驗(yàn)取粘土及粉土做對比，其中反復(fù)加卸載還取了粉質(zhì)粘土做對比，用于粘土、粉質(zhì)粘土、粉土的固結(jié)特征的分析比較和研究。通過三種方案獲得的變形數(shù)據(jù)，繪制出荷載-變形的關(guān)系曲線、變形-時間的關(guān)系曲線，進(jìn)一步分析不同巖性土樣在不同加卸載方式下的塑性變形和蠕變特征。

3.2逐級加荷

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟如下：

(1)荷載從25 kPa分級施加到1 600 kPa，加載比為 1，即25 kPa，50 kPa，100 kPa，200 kPa，400 kPa，800 kPa，1 600 kPa。第一級壓力的大小可根據(jù)土的軟硬程度，采用50 kPa作為初始加壓；最后一級壓力應(yīng)大于土層的自重應(yīng)力和附加應(yīng)力之和，或大于上覆土層的計算壓力100～200 kPa，但最大壓力值不應(yīng)小于400 kPa。

(2)每級荷載都瞬時施加，各級荷載下變形都觀測到穩(wěn)定狀態(tài)并以變形小于0.005 mm/h作為穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2、表3和圖5。

對7號粘土樣及9號粉土樣做了加載試驗(yàn)，分析兩種不同類型土樣在逐級加載條件下壓縮曲線的變化特征，具體如圖5所示：(1)整體上粘土樣變形量要大于粉土樣，而且隨著壓力的增加，變形量的差異也越大；(2)每級壓力加載后，變形在經(jīng)歷120分鐘后基本趨于穩(wěn)定。

其中，粘土樣總變形量為2.822 mm，而粉土樣則為1.0 mm，而且在加載壓力達(dá)到400 kPa時，兩者累計變形量均達(dá)或超過總變形量的50%。各試樣在不同加載壓力下的穩(wěn)定變形量的統(tǒng)計如表3所示。

表2　土體逐級加荷試驗(yàn)土樣參數(shù)

表3　不同類型土不同加載壓力穩(wěn)定變形量統(tǒng)計

圖5　粘土與粉土逐級加載時的壓縮累計變形歷時曲線Fig.5　Accumulative compressive deformation curves of clay and silt under progressive loading

3.2逐級卸荷

分別選取4號粘土試樣和13號粉土試樣開展逐級卸荷實(shí)驗(yàn)，關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟如下：

(1)加第 1 級荷載至400 kPa。土樣在第 1 級荷載下達(dá)到變形穩(wěn)定后再分級卸載至50 kPa，即按400 kPa→300 kPa→200 kPa→150 kPa→100 kPa→50 kPa進(jìn)行卸載。

(2)每級荷載都瞬時卸除，各級荷載下回彈變形觀測到穩(wěn)定狀態(tài)，并以變形小于0.005 mm/h作為穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖6、表4和表5。

圖6　粘土與粉土自400 kPa穩(wěn)定后逐級卸載累計回彈曲線Fig.6　Accumulative rebound curves of clay and silt under progressive unloading after stabilization at 400 kPa

通過對4號粘土樣及13號粉土樣做卸載實(shí)驗(yàn)，來分析比對兩種不同類型的土樣在逐級卸載條件下回彈曲線的變化特征，結(jié)果如圖6所示。從圖6中可以看出：(1)加載400 kPa且達(dá)到變形穩(wěn)定后，隨著卸載壓力的增加，粘土孔隙度大于粉土的，因此相同荷載下粘土的回彈量明顯大于粉土； (2)由于卸載為瞬時完成，故每一級卸載壓力后的瞬時回彈非常明顯，且隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，當(dāng)有效應(yīng)力逐漸接近土體所承受的荷載后，回彈量也就逐漸減小且趨于穩(wěn)定值；(3)卸載壓力越小，完成回彈量所需時間越長，回彈量也小，即達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)需要更多的時間。如粉土卸載到300 kPa時，回彈量極小，僅為0.005 mm，而粘土則為0.012 mm; 而卸載到50 kPa時，回彈量均達(dá)到最大，分別為0.121 mm和0.277 mm。這與粉土顆粒粒度大、受壓后易被破壞有關(guān)，故卸載后也不易回彈。

表4　土體逐級卸荷試驗(yàn)成果

表5　不同類型土不同卸載壓力穩(wěn)定變形量統(tǒng)計

各試樣在土樣加載400 kPa且達(dá)到穩(wěn)定后開始逐級卸壓的累積回彈變形量的統(tǒng)計如表5所示，粘土樣總回彈量為0.277 mm，而粉土樣則為0.121 mm。同時，卸載到300 kPa時，兩種土樣的回彈量均只在4%左右，而當(dāng)卸載到100 kPa時，回彈量達(dá)到總回彈量的約60%。

3.3反復(fù)加卸荷

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟如下：

(1)按照100 kPa→200 kPa→400 kPa→800 kPa→1 600 kPa的順序逐級反復(fù)加卸載。每一相鄰荷載之間要經(jīng)歷加荷→卸荷→加荷→卸荷的循環(huán)。第1次加卸荷循環(huán)為：100 kPa→200 kPa→100 kPa→200 kPa→100 kPa。第2次加卸荷循環(huán)從第一次循環(huán)結(jié)束變形穩(wěn)定后開始加載，即從100 kPa→400 kPa→200 kPa→400 kPa→200 kPa。第3次加卸荷循環(huán)從第2次循環(huán)結(jié)束變形穩(wěn)定后開始加載，即從200 kPa→800 kPa→400 kPa→800 kPa→400 kPa。依此類推，第4次加卸荷循環(huán)以上一次循環(huán)結(jié)束變形穩(wěn)定后開始加載，即從400 kPa→1 600 kPa→800 kPa→1 600 kPa→800 kPa。

(2)每級荷載都瞬時卸除，各級荷載下回彈變形觀測到穩(wěn)定狀態(tài)，并以變形小于0.005 mm/h作為穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)。

通過對6號粘性土、16號粉質(zhì)粘土及21號粉土進(jìn)行反復(fù)加卸載實(shí)驗(yàn)，分析不同類型土在不同加卸載模式下的變形特征及蠕變的時間效應(yīng)，以模擬在地下水往復(fù)升降過程中對土層變形沉降的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7至圖9所示。

圖7　6號粘土試樣分級反復(fù)加卸荷各級壓力累積穩(wěn)定變形曲線Fig.7　Accumulative stable deformation curves of clay sample #6 under repeated progressive loading and unloading

圖8　試樣16號粉質(zhì)粘土分級反復(fù)加卸荷各級壓力累積穩(wěn)定變形曲線Fig.8　Accumulative stable deformation curves of silty clay sample #16 under repeated progressive loading and unloading

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析如下：

(1)粘土在第1次加卸載循環(huán)中，其變形大于第2次循環(huán)，此后兩次加卸載循環(huán)變形逐漸增大且均大于第1次加卸載循環(huán)。分析其原因，可能是由于粘土孔隙度較大，第1次加卸載循環(huán)時，土樣受壓排水，相對容易壓縮，發(fā)生較大變形；而第2次加卸載循環(huán)時由于荷載還較小且前面已經(jīng)經(jīng)歷了1次加卸載循環(huán)，土樣蠕變增強(qiáng)，變形較??；第3、4次循環(huán)其荷載均較大，土樣蠕變越來越大，直至土樣被破壞，其變形也越來越大。

圖9　21號粉土試樣分級反復(fù)加卸荷各級壓力累積穩(wěn)定變形曲線Fig.9　Accumulative stable deformation curves of silt sample #21 under repeated progressive loading and unloading

(2)粉質(zhì)粘土及粉土每次加卸載循環(huán)的變形均大于上次循環(huán)。分析其原因，可能是由于土粒的孔隙度減小后，土樣不容易被壓縮，很容易達(dá)到固結(jié)狀態(tài)，蠕變較小。最大荷載逐漸增大，變形也就逐漸增大。

(3)蠕變的時間效應(yīng)為粘土>粉質(zhì)粘土>粉土，即土體孔隙度越大越容易發(fā)生蠕變變形。

4　結(jié)　論

(1)在逐級加載條件下，粘土變形量大于粉土，且隨著壓力的增加，變形量的差異越大；

(2)在逐級卸載條件下，粘土的回彈量大于粉土，且回彈量逐漸減小直至趨于穩(wěn)定值；

(3)在反復(fù)加卸荷條件下，粉質(zhì)粘土及粉土較之粘土更容易達(dá)到固結(jié)狀態(tài)，蠕變較小，三者的蠕變時間效應(yīng)為粘土>粉質(zhì)粘土>粉土，即孔隙度越大越容易發(fā)生蠕變變形。

(4)在制定地面沉降災(zāi)害防治措施方案時，應(yīng)充分考慮地層土體特征影響，尤其是粘性土體的變形和壓縮特征影響。

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A Study on Soil Compression Characteristics in Land Subsidence Areas within Beijing

YANG Yan1,2, WANG Rong2, LUO Yong2,3

(1.SchoolofEarthandSpaceSciences,PekingUniversity,Beijing100871,China；2.BeijingInstituteofHydrogeologyandEngineeringGeology,Beijing100195,China;3.InstituteofGeologyandGeophysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100029,China)

Numerous factors are attributed to the rapid development of subsidence in the plain area of Beijing. The existence of cohesive soils in this area provides the material foundation for subsidence, and therefore, this study focuses on the consolidation characteristics of cohesive soils with depth less than 100 m under different loading condition such as progressive loading, progressive unloading, and repeated loading and unloading in a typical subsidence area in Baxianzhuang within the Changping District of Beijing. According to the test results, the deformation of cohesive soils under progressive loading from 25 kPa to 1,600 kPa is greater than that of silt, which is 2.822 mm and 1.000 mm, respectively. The rebound of cohesive soils under progressive unloading from 400 kPa to 50 kPa is also greater than that of silt, which is 0.277 mm and 0.121 mm, respectively; and under repeated loading and unloading condition, silty clay and silt attain a state of consolidation faster than clay; the creep-time effect is sorted as clay>silty clay>silt. It is therefore recommended that a full consideration should be given to the effects of soil characteristics in subsidence areas when compiling land subsidence disaster prevention and control plans.

land subsidence; cohesive soil; consolidation test; compression characteristic

2015-04-10；改回日期：2016-04-26；責(zé)任編輯：潘令枝。

北京市優(yōu)秀人才培養(yǎng)資助項(xiàng)目(2014400617931G217)；北京市科技計劃課題(Z131100005613022)。

楊艷，女，碩士，工程師，1982年出生，水工環(huán)地質(zhì)專業(yè)，主要從事地面沉降、地裂縫等監(jiān)測、研究及綜合防治工作。Email: wildhorse898@126.com。

P642.2；P694

A

1000-8527(2016)03-0716-07