滄州典型地面沉降區(qū)土體壓縮與固結(jié)特征研究

王云龍，郭海朋*，孟靜，陳曄，臧西勝，朱菊艷，樊高棟

（1.中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，北京10081；2.中國地質(zhì)科學院地質(zhì)力學研究所，北京10081；3.中國地質(zhì)大學（北京），北京10083）

關(guān)鍵字：滄州；地面沉降；壓縮變形；固結(jié)特征

地面沉降是指由于自然因素或人類工程活動引發(fā)的地下松散巖層固結(jié)壓縮并導致一定區(qū)域范圍內(nèi)地面高程降低的地質(zhì)現(xiàn)象，是一種緩變性地質(zhì)災害[1]。目前，包括美國，泰國，意大利在內(nèi)的60多個國家的許多城市中已發(fā)生地面沉降[2-5]。1920年前后，我國的地面沉降現(xiàn)象首次被發(fā)現(xiàn)于上海、天津等濱?；蚪５貐^(qū)。全國有102個地級以上城市發(fā)現(xiàn)地面沉降現(xiàn)象，包括20個省會級以上城市和計劃單列市[6-9]。地面沉降帶來地面標高缺失、建筑物損壞、水利設施破壞等一系列的環(huán)境地質(zhì)問題，因此地面沉降相關(guān)的研究意義重大[10-13]。

滄州地區(qū)是河北平原地面沉降最嚴重的地區(qū)之一。自1970年至2008年，滄州市最大累計地面沉降量為2.5 m，沉降量大于1 m的面積約占全區(qū)總面積的15%[14-16]。滄州地面沉降主要由深層地下水開采所致，而深層地下水開采量主要集中于第三含水組，該段地層粘性土層的壓縮是造成地面沉降的最主要因素；由于地層中礦物成分以塑性比較大的粘土、粉質(zhì)粘土為主，容易形成永久性沉降[17-20]。

土是產(chǎn)生地面沉降的物質(zhì)條件，不同土有不同的特征，其引起的沉降原因也有所區(qū)別，1923年，太沙基從變形試驗中發(fā)現(xiàn)了有效應力原理，提出了一維固結(jié)理論，1925年他提出當?shù)叵滤婚_采后，由于水頭下降，原本由孔隙水承擔的壓力逐漸轉(zhuǎn)變成土體承受的有效應力，土體受壓變形[21]。隨著社會的進步以及計算機的迅速發(fā)展，許多學者進行了相關(guān)數(shù)值模擬的研究[22-25]，不僅如此，隨著對水資源的使用量大幅增大，對地面沉降機理分析以及對其發(fā)展過程進行準確監(jiān)測的要求也來越高[26-30]。本文選取滄州地區(qū)地面沉降漏斗中心土樣作為研究對象，通過室內(nèi)常規(guī)物理力學性質(zhì)及壓縮固結(jié)試驗，對土體物理性質(zhì)、壓縮變形及固結(jié)特征進行分析研究，為地面沉降成因規(guī)律研究提供數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗內(nèi)容及方法

試驗典型土樣取自滄州沉降區(qū)中心附近鉆孔，地質(zhì)點編號為CSSY-04（圖1），鉆孔共取樣129個，取樣深度3.5 m～398.18 m。對其中較為典型的50個樣品分別作土體的基本物理參數(shù)試驗及高壓固結(jié)試驗。

圖1 CSSY-04鉆孔所在位置圖Fig.1 The location map of CSSY-04 drilling hole

試驗以《土工試驗方法標準GB/T50123-1999》[31]為依據(jù)，按照原狀土室內(nèi)試驗制備要求，采用快速固結(jié)法對先期固結(jié)壓力、壓縮系數(shù)、壓縮指數(shù)等進行測定，固結(jié)試驗采用分級加載的方法，加載梯度為Δpi /pi = 1，即施加每級荷載后，試樣變形基本穩(wěn)定（24 h），再施加下一級荷載。試驗裝置0～100 m以內(nèi)的土樣采用日本圓井MIS-232高壓試驗儀，100 m以下采用70 MPa高壓流變試驗機，試驗過程中保證恒溫恒濕，從而不考慮由于溫度、濕度的變化對土樣變形特性造成的影響，從50 kPa 開始逐級施加壓力到12 800 kPa，分析滄州地區(qū)土層在不同荷載下固結(jié)變形的特性。

2 土體物理力學特征分析

由于沉積成因的不同，不同區(qū)域的地層土體呈現(xiàn)出的物理力學性質(zhì)差異也較大，對滄州地區(qū)土體進行了基本物理力學試驗，主要測得其含水率，密度，比重，孔隙比，塑性指數(shù)，液性指數(shù)及壓縮系數(shù)等，其中孔隙比、含水量、密度反映土體三相組成，塑性指數(shù)和比重反映了土體顆粒細微程度以及吸附結(jié)合水的能力；液性指數(shù)反映了土體的軟硬程度或者抗剪切能力。土樣采集及試驗項目見表1。

2.1 土體物理力學性質(zhì)指標

測試結(jié)果表明，測試土樣的含水率在13.4%～40.5%之間；密度在1.82～2.14 g/cm3之間；比重在2.66～2.76之間，孔隙比在0.37～1.13之間，塑性指數(shù)在4.8～22.6之間，液性指數(shù)在-0.3～0.93 之間，壓縮系數(shù)（a1-2）在0.09～0.43 之間。從圖2可以看出土體的含水量、孔隙比、液性指數(shù)、壓縮系數(shù)隨著深度增加呈遞減趨勢，密度、比重、塑性指數(shù)隨深度增大呈增大趨勢。土體類型對土體的壓縮性以及物理性質(zhì)有著很大影響，對于同一鉆孔而言，不同類型的土體的可壓縮性基本符合粉質(zhì)粘土＞粉土＞粘土規(guī)律。

2.2 土體粒度對壓縮性的影響

本次研究土樣以粘土、粉質(zhì)粘土為主，并有少量粉砂，其中粘土和粉質(zhì)粘土交替出現(xiàn)。圖3選取了四個土樣進行了級配顆粒分析，其總體上，土樣分布在0.05～0.01 mm區(qū)間段的顆粒比例最大。土樣的不均勻系數(shù)較高，大于5 的有46 個樣品（占92%），表明土粒不均勻，而從所有樣品的曲率系數(shù)看，介于1～3 之間級配情況相對良好的僅占22%，其余土樣為級配不良，且細粒含量大。研究區(qū)含大量級配不良的細顆粒土成層分布、構(gòu)成了以松散孔隙介質(zhì)為主的含水結(jié)構(gòu)，為地下水位下降后的沉降變形提供了潛在條件。

2.3 軟硬狀態(tài)對土體壓縮性的影響

從液性指數(shù)與壓縮系數(shù)隨深度的變化曲線可以看出，土體的液性指數(shù)和壓縮系數(shù)隨著深度增大總體趨勢一致，兩者呈正相關(guān)關(guān)系。根據(jù)液性指數(shù)大小，對四種狀態(tài)土體的可壓縮性進行了統(tǒng)計分析（表2）。從表2可以看出，隨著液性指數(shù)的逐漸減小，壓縮系數(shù)逐漸減小，即土體越軟越容易壓縮，土體越硬越難壓縮。在正常狀態(tài)下，土體的軟硬狀態(tài)應和含水率有較大相關(guān)性，垂向上應服從含水層、弱透水層的間隔分層特征，整體分布應較均勻，但從試驗結(jié)果看，滄州土體主要以固態(tài)和硬塑態(tài)為主，說明土體的壓縮性在經(jīng)歷了歷史的沉降變形后，已經(jīng)發(fā)生了較顯著的變化。

表1 土樣采集及試驗項目Tab.1 Soil samples collection and test items

圖2 CSSY-04土體物理參數(shù)與壓縮系數(shù)隨深度的變化曲線Fig.2 Change curve of CSSY-04 soil physical parameters and compression coefficient with depth

圖3 土樣的顆粒級配曲線Fig.3 Grain gradation curve of soil samples

表2 土體軟硬程度與壓縮系數(shù)Tab.2 Soil hardness and compression coefficient

3 土體壓縮性與固結(jié)狀態(tài)

3.1 不同深度土體應力-應變關(guān)系

以三個典型土樣（原48、原94 和原113）進行分析，對土樣在0～12.8 Mpa 下的土體壓縮變形特征進行了分析（圖4）?？梢钥闯觯孩偻翗幼冃瘟侩S著壓力的增大呈增大的趨勢，在壓力變化的作用下，變形量具有一定的階段性，在4 000 kpa壓力下土體的變形量變化較為劇烈，占到了總變形量的一半以上，且在5 000 kpa 以前變形量與壓力之間基本為拋物線，而5 000 kpa之后，變形量與壓力之間基本呈線性關(guān)系。說明土體的壓縮過程是孔隙水排出，土體孔隙減小，顆粒間的排列更為緊密的過程，隨著壓力越大，土體的變形量區(qū)域平緩；②淺層土樣變形量大于深層土樣變形量，是因為淺層土結(jié)構(gòu)較松散，孔隙比大，較容易壓縮，深層土結(jié)構(gòu)較密實，孔隙比較小，難于壓縮。

3.2 壓縮系數(shù)規(guī)律研究

3.2.1 不同深度地層壓縮系數(shù)隨壓力的變化特征

壓縮系數(shù)是反映土體壓縮性大小的指標，壓縮系數(shù)越大，土體完成固結(jié)所需時間越長，最終沉降量也越大。以三個典型的土樣（原48、原94和原113）進行分析，對土樣在0～12.8 Mpa。不同壓力下的土體壓縮系數(shù)進行了分析（圖5）。原48及原113屬于中等壓縮土，原94屬于低壓縮土。可以看出：①不同深度土樣的壓縮系數(shù)隨壓力的增大總體上呈現(xiàn)減小而后趨于平緩的趨勢，在壓力較小階段, 壓縮系數(shù)變化劇烈，其減小幅度變化較大；②淺層土樣壓縮系數(shù)曲線均高于深層土樣，說明隨著埋深的增加, 土樣的壓縮系數(shù)有逐漸減小的趨勢。

圖4 不同深度土樣變形量隨壓力變化曲線Fig.4 Deformation curve of soil samples at different depths with pressure

圖5 不同深度土樣壓縮系數(shù)隨壓力變化曲線Fig.5 Compression coefficient curve of soil samples at different depths with pressure

為了探求壓縮系數(shù)和固結(jié)壓力的關(guān)系，經(jīng)過多次試算，發(fā)現(xiàn)壓縮系數(shù)和固結(jié)壓力在雙對數(shù)坐標下能呈現(xiàn)出很好的線性關(guān)系（圖6）。由此，得出壓縮系數(shù)和固結(jié)壓力的非線性lga-lgp 模型，其表達式為：lga=B－A·lgp。采用上述模型分析滄州鉆孔的6個試驗數(shù)據(jù)，并在雙對數(shù)坐標下進行線性擬合（圖6），各個試樣對應該模型的參數(shù)，結(jié)果總結(jié)如表3所示。可知：試樣模型擬合相關(guān)系數(shù)都能達到0.939以上，相關(guān)性較好；粉質(zhì)粘土參數(shù)A 的取值變化范圍為0.377～0.607，參數(shù)B 的取值變化范圍為-0.593～0.488。粘土及其他試樣太少，有待于對更多樣品的研究，得出更為精細的范圍。

3.3.2 壓縮系數(shù)與孔隙比及塑性指數(shù)的關(guān)系

從三者隨深度變化曲線（圖7）可以看出，土體孔隙比與壓縮系數(shù)及塑性指數(shù)隨著深度增大三者的走勢基本一致，呈正相關(guān)關(guān)系，總體來看，土體越松散、密實度越差，土體越容易壓縮；淺部地層正相關(guān)性要好于深部地層，這有可能與土體的結(jié)構(gòu)屈服力有關(guān)，淺部地層土體結(jié)構(gòu)屈服力相對較小，實驗壓力能夠克服土體的結(jié)構(gòu)屈服力，使土體結(jié)構(gòu)易破壞，而深度地層土體由于結(jié)構(gòu)屈服力較大，且土體固結(jié)程度較高，土體難于破壞。

圖6 壓縮系數(shù)與固結(jié)壓力lga-lgp線性擬合關(guān)系Fig.6 Linear fitting relationship between compression coefficient and consolidation pressure lga-lgp

表3 試樣對應的lga-lgp模型參數(shù)Tab.3 Parameters of lga-lgp model corresponding to soil samples

圖7 不同深度土樣壓縮系數(shù)與孔隙比及塑性指數(shù)變化曲線Fig.7 Variation curves of compressibility, void ratio and plasticity index of soil samples at different depths

3.4 不同深度地層的固結(jié)狀態(tài)分析

在滄州第四系沉積形成的地質(zhì)歷史過程中，由于氣候變化、歷經(jīng)多次海侵事件、風化作用等多種因素，使得該地區(qū)地層存在明顯的固結(jié)狀態(tài)差異，這種差異特征可由先期固結(jié)壓力Pc表征，Pc即指地層在地質(zhì)歷史上所受到的最大固結(jié)應力。根據(jù)Pc值與土體自重應力Po之間的比值關(guān)系，可將土的固結(jié)狀態(tài)用超固結(jié)比ORC描述，即ORC = Pc/Po，并將其分為三類：當ORC＜1時，為欠固結(jié)土；當ORC=1時，為正常固結(jié)土；當ORC＞1時，為超固結(jié)土。

在滄州地區(qū)普遍存在著超固結(jié)土。通過對取樣進行高壓固結(jié)試驗結(jié)果表明（圖8），滄州地區(qū)自0～150 m以內(nèi)多為正常固結(jié)或欠固結(jié)土，150 m以下地層普遍為超固結(jié)土。隨著埋深增加，土的固結(jié)程度亦逐漸增加。

4 結(jié)論

土樣試驗結(jié)果顯示土樣的各物理指標之間存在明顯的相關(guān)性，土體的含水量、孔隙比、液性指數(shù)、壓縮系數(shù)隨著深度增加呈遞減趨勢，密度、比重、塑性指數(shù)隨著深度增加呈遞增趨勢，從顆粒級配分析結(jié)果看，有92%的土樣不均勻，易于壓實而形成地面沉降。

圖8 滄州CSSY-4鉆孔Pc與自重應力隨深度變化曲線Fig.8 Variation curve of Pc and self- weight stress with depth in CSSY-4 borehole from Cangzhou

土體的壓縮性隨壓力和深度的變化有很強的規(guī)律性。土樣的壓縮系數(shù)隨壓力的增大總體上呈現(xiàn)減小而后趨于平緩的趨勢，且淺層土樣壓縮系數(shù)曲線均高于深層土樣。

土層壓縮系數(shù)與固結(jié)壓力在雙對數(shù)坐標下能呈很好的線性關(guān)系，得出滄州CSSY-4鉆孔中粉質(zhì)粘土A、B參數(shù)取值范圍：A為0.377～0.607，B為-0.593～0.488。粘土的試樣太少，有待于進一步研究。

滄州市區(qū)土樣超固結(jié)比值以埋深150 m左右為界限，其上多為正常固結(jié)土與欠固結(jié)土，其下普遍分布超固結(jié)土。