弱透水层变形机理的研究

D0I:10.13374/i.issn1001053x.2006.03.001 第28卷第3期 北京科技大学学报 Vol.28 No.3 2006年3月 Journal of University of Science and Technology Beijing Mar.2006 弱透水层变形机理的研究 武强 谢海澜赵增敏李娟金晓丽 中国矿业大学煤炭资源教育部重点实验室，北京100083 摘要通过对天津市滨海新区不同埋藏深度内弱透水层水理性质变化的研究，得出不同埋深弱 透水层的孔隙水类型，依据其不同的孔隙水类型揭示出不同埋深弱透水层的释水变形机理.提出 了以界限含水量为依据，对不同埋深弱透水层采取不同的变形计算模式， 关键词地面沉降；弱透水层；结合水；变形机理 分类号X141;P64 地面沉降预测模型研究是地面沉降研究中的 (1)全新统：底板埋深25m左右，可分为下、 重要内容，很多学者致力于这方面研究，提出了许 中、上三段.下段黄褐及灰色亚粘土、亚砂土为主 多计算模型，如意大利甘博莱蒂等提出的威尼斯 夹薄砂层，顶部普遍分布泥炭层；中段灰、黑灰色 地面沉降数学模型以及我国和比利时地质调查所 淤泥质粘土、亚粘土；上段为陆相沉积的亚粘土及 合作完成的上海地面沉降模型，对地面沉降变形 亚砂土，河道带为粉砂 计算主要包括两部分：含水层变形计算和弱透水 (2)上更新统：底板埋深100m左右，为亚粘 层变形计算，研究表明，弱透水层变形量占全部 土与亚砂土交互成层， 地面沉降变形量的50%以上的比重12]，可见对 (3)中更新统：底板埋深300m左右.下段以 弱透水层变形的准确计算是准确计算地面沉降变 棕黄、灰绿色粘土为主，砂层岩性主要为细砂及粉 形的前提.在弱透水层中，浅部弱透水层与深部 细砂；上段以浅黄、灰黄亚粘土、亚砂土为主，夹有 弱透水层由于沉积历史的不同在其工程地质性质 粘土和中细砂层 上也有很大差异.因此，为了准确预报地面沉降 (4)下更新统：底板埋深500~550m左右， 的发展趋势，对不同埋深弱透水层的释水变形机 下段主要为棕红及杂色粘土、亚粘土，砂层以中细 理进行研究是必要的，只有在把握了不同埋深弱 砂为主；上段主要为棕红、黄褐色粘土、亚粘土和 透水层释水变形机理的基础上，才能提出适合不 细砂， 同埋深弱透水层变形计算的模式.鉴于此，本文 1.2主要组成物质 以天津市滨海新区不同埋深的弱透水层为研究对 弱透水层的主要组成物质是粘性土，粘性土 象，通过对不同埋深弱透水层水理性质变化的分 的存在是产生地面沉降的物质基础.对弱透水层 析，明确不同埋深弱透水层中孔隙水类型，揭示不 固结释水机理进行研究，实际上就是对粘性土的 同埋深弱透水层释水变形机理，提出对不同埋深 释水机理进行研究.滨海新区弱透水层中粘性土 弱透水层变形计算的建议 根据X光衍射和物理、化学综合分析结果表明： 1滨海新区弱透水层的基本性质 土中粘土矿物以蒙脱石为主，其含量为全土重的 22%~32%:伊利石含量次之，其含量为全土重的 1.1地层描述 17%~21%;高岭石为全土重的6%~10%，且随 天津市滨海新区地处渤海湾西部，属于新生 着深度加深，高岭石含量有增加的趋势 代沉积的滨海平原，其地层从太古界至新生界均 1.3不同深度弱透水层中粘性土的主要物理、力 有发育.现将与抽水引起地面沉降关系密切的第 学性质 四系地层由浅入深简述如下. 为了了解弱透水层的工程地质性质，对不同 收稿日期：2005-03-02修回日期：20050705 埋深弱透水层中粘性土的主要物理力学指标进行 基金项目：教育部科技重大项目(No.2004-295)和教育部跨世纪 了测试，结果如表1所示.由表1可以看出，随着 优秀人才基金项目(No.2000-3) 作者简介：武强(1959一)，男，教授，博士生导师 弱透水层埋深的增加，弱透水层中粘性土的物理

第 2 8 卷 第 3期 2 0 0 6 年 3 月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r n a l o f U n i v e r s it j 厂 o f S e i e n e e a n d T e c h n o l o gy B e劝i n g V 0 1 . 2 8 N 0 . 3 M a r . 2 0 0 6 弱透水层变形机理 的研 究 武 强 谢海 澜 赵增 敏 李 娟 金 晓 丽 中国矿业大学煤炭资源教育部重点实验室 , 北京 10 0 0 8 3 摘 要 通过对天津市滨海新 区 不同埋藏深度 内弱透水层水理性 质变化的研究 , 得 出不同埋深弱 透水 层的孔 隙水类型 , 依据其不同的孔隙水类型揭 示出不同埋深弱透水层 的释水变形机理 . 提出 了以 界限含水量为依据 , 对不 同埋深弱透水 层采取不 同的变形计 算模式 . 关键词 地面沉降 ; 弱透水层 ; 结合水 ; 变形机理 分类号 X 1 4 1 ; P 6 4 地 面沉降预 测模型研 究是 地面沉 降研究中的 重 要 内容 , 很多学 者致 力于这方面研 究 , 提 出了许 多计算模型 , 如 意大 利 甘博莱蒂 等提 出的威 尼 斯 地 面沉 降数学模型以及 我 国和 比利时 地质调查 所 合作完成 的上海地 面沉 降模 型 . 对 地 面沉 降变形 计算主要包括 两 部 分 : 含水 层 变形 计 算和弱 透 水 层变 形 计 算 . 研究表 明 , 弱 透 水 层变 形 量 占全 部 地 面沉 降变形 量 的 50 % 以 上 的比重〔` 一 2〕 , 可 见 对 弱透 水层变形 的准确计算是准确 计算地 面沉 降变 形 的前 提 . 在 弱 透水 层 中 , 浅 部 弱透 水 层 与深部 弱透水层 由于沉 积历史 的不 同在其工 程地质性 质 上也有很 大差 异 . 因此 , 为 了准 确预 报 地 面沉 降 的发 展趋势 , 对 不 同埋 深 弱透水 层 的释 水变形 机 理进行 研 究是 必要 的 , 只有 在 把 握 了不 同埋深 弱 透水 层释水变形 机理 的基 础 上 , 才能提 出适合不 同埋深 弱透 水 层 变形计算 的模式 . 鉴于 此 , 本 文 以天津市滨海新 区不 同埋 深 的弱透水 层为研 究对 象 , 通 过对 不同埋 深 弱 透水 层 水理 性 质 变化 的分 析 , 明确 不同埋深 弱透水 层 中孔 隙水类 型 , 揭 示不 同埋 深弱透 水 层释 水变形 机理 , 提 出对 不 同埋深 弱透水 层变形计算的建议 . 1 滨海新 区弱透水层的基本性质 1 · 1 地 层描述 天津市 滨海 新 区地 处 渤海 湾西 部 , 属 于 新 生 代沉积 的滨海平 原 , 其地 层从太古界 至新生界 均 有发育 . 现将与抽水引起地 面 沉降关 系 密切 的第 四系地 层 由浅 入深简述如 下 . 收稿 日期 : 2 0 0 5 一0 3 一 0 2 修回 日期 : 2 0 0 5 一 0 7 一 0 5 墓金项 目: 教育部科技重大项 目 ( N o . 20 04 一 2 9 5) 和教育部跨世 纪 优秀人 才基金项 目 ( N o . 2 0 0 一 3) 作者简介 : 武强 ( 19 5 9一 ) , 男 , 教授 , 博士生导师 ( 1) 全新统 : 底板埋 深 25 m 左 右 , 可分 为下 、 中 、 上 三段 . 下段黄褐及 灰色亚 粘土 、 亚砂 土为 主 夹薄砂 层 , 顶 部 普遍分 布泥 炭 层 ; 中段 灰 、 黑 灰 色 淤泥 质粘土 、 亚粘 土 ; 上段 为陆相 沉积的亚 粘土及 亚砂 土 , 河道带为粉砂 . ( 2) 上 更新统 : 底板 埋深 10 m 左右 , 为 亚粘 土与亚砂土交 互成 层 . ( 3) 中更新统 : 底板埋 深 3 0 m 左右 . 下段 以 棕黄 、 灰绿色 粘土 为主 , 砂 层岩性主要为 细砂 及粉 细砂 ; 上段 以 浅黄 、 灰黄亚 粘土 、 亚 砂土 为主 , 夹有 粘土 和 中细砂层 . ( 4 ) 下更 新统 : 底 板 埋 深 5 0 0 一 5 5 0 m 左 右 , 下段 主要 为棕红及 杂色粘 土 、 亚粘 土 , 砂 层以 中细 砂为主 ; 上段 主 要 为棕红 、 黄褐 色粘土 、 亚 粘土 和 细砂 . 1 . 2 主要组 成物 质 弱透水层 的主要 组 成物质 是粘 性土 , 粘性 土 的存 在是产 生地面 沉降的物 质基础 . 对 弱透 水 层 固结释 水机理 进 行 研 究 , 实际 上就 是 对粘 性土 的 释水 机理进行研 究 . 滨 海新 区弱透 水层 中粘 性 土 根据 X 光衍 射 和 物 理 、 化 学 综 合分析 结 果表 明 : 土 中粘 土矿物 以 蒙脱石 为 主 , 其含 量 为全 土 重 的 2 2 % 一 3 2 % ; 伊利 石含量 次之 , 其 含量为 全土重 的 1 7 % 一 2 1 % ; 高岭石为全 土重 的 6 % 一 10 % , 且 随 着深 度加深 , 高岭 石含量 有增加 的趋势 . 1 . 3 不 同深度弱 透水 层中粘性 土的 主要物理 、 力 学性 质 为 了了解弱 透 水层 的 工程 地 质性质 , 对 不 同 埋深 弱透 水层 中粘性土 的主要 物理力学 指标进 行 了测试 , 结 果如表 1 所示 . 由表 1 可 以看出 , 随着 弱透 水层埋深 的增加 , 弱透 水 层 中粘性土 的物理 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2006. 03. 001

·208 北京科技大学学报 2006年第3期 力学性质也在发生变化：含水量减少，孔隙比降 限含水量但大于塑限含水量，埋深进一步加大，深 低，密度增大，液性指数由正值变为负值，土层的 部弱透水层含水量变为小于塑限含水量；其次，随 工程地质性质变好.其中有两点值得注意：首先， 着埋深的增大，液性指数由浅部的大于1变化到 粘性土含水量逐渐降低，含水量降低的规律是浅 深部的小于0，说明弱透水层土体的状态发生了 部弱透水层中粘性土含水量大于液限的含水量， 本质变化，从流塑变为坚硬 随着深度增加，中部弱透水层含水量变为小于液 表1不同深度弱透水层的主要的物理、力学指标 Table 1 Physical and mechanical indexes of different depths of aquitard 啊透水层埋深/m 含水量/% 湿密度/(gcm3) 孔隙比 液限/% 塑限/% 25.00 38-59 1.70-1.80 1.070-1.270 33.80-50.30 22.80-40.901,380-1.930 100.00 26.00 1.99 0.718 32.14 19.27 0.523 200.00 19.30 2.06 0.562 30.97 18.66 0.052 300.00 20.50 2.06 0.596 35.15 19.78 0.047 331.15 18.60 2.13 0.383 48.30 26.70 -0.380 588.52 21.20 2.10 0.355 45.80 26.40 -0.260 2弱透水层释水变形机理 小于液限含水量但大于塑限含水量→小于塑限含 水量.根据土质学原理3]可以得出与之相对应 2.1不同深度弱透水层粘性土体的孔隙水类型 的孔隙水类型为：当含水量大于等于液限时，土粒 讨论弱透水层释水机理的前提是明确弱透水 扩散层外围出现自由水，粘土颗粒之间距离已超 层中水的存在形式.弱透水层的主要组成物质是 出相互引力范围，粒间连结力几乎消失，此时孔隙 粘性土，粘性土主要由粘粒组成，粘粒具有胶体或 水以自由水为主，自由水起主要作用，土体难以维 准胶体的特性，它在沉积过程中和周围的溶液发 持一定形状，呈流动状态；当含水量小于液限含水 生复杂的物理化学作用，并在其表面形成不同类 量但大于塑限含水量时，土粒间距离减小，粒间靠 型的结合水，按其与粘粒表面结合的牢固程度的 重叠的扩散层连结，连结力得到增加，孔隙水主要 不同，结合水可分成吸附结合水和渗透吸附水 为扩散层内渗透吸附水和少量的自由水（接近液 除此之外，在粘性土形成的弱透水层的孔隙中还 限含水量时)，土体呈塑性状态；当含水量小于塑 有其他类型的孔隙水，如毛细水，重力水.在下文 限含水量时，土粒间距离进一步减小，孔隙水主要 中为了讨论方便，把毛细水和重力水归为自由水 为吸附结合水，粒间连结以吸附结合水连结为主， 的范围.兹洛切夫斯卡娅提出了直观、形象的结 连结力明显增强，土体处于半固态一固态状态 合水结构示意图3)，如图1所示 2.2不同深度弱透水层释水变形机理 ① 弱透水层的埋深不同，孔隙中所含孔隙水类 ③ 型不同.由于不同类型的水在水力梯度作用下在 土体中的运移规律不同，导致不同埋深弱透水层 释水变形机理的差异， s2 孔隙水以自由水为主，含水量大于液限的浅 部弱透水层，在水力梯度作用下，孔隙中的自由水 就会发生渗流排出，使粘性土层失水产生明显的 ④ ⑤ 压缩变形. ①双电层；②吸附层：③扩散层；④吸附结合水；⑤渗透吸附水； ⑥自由水：得水化阳离子严水分子定向 孔隙水主要以扩散层中渗透吸附水为主，含 图】粘土结合水组构示意图 少量自由水的中部弱透水层，在水力梯度作用下， Fig.1 Structural sketch map of bound water 首先是少量自由水释出)，孔隙被压缩，当含水 层的抽水量进一步加大，水力梯度进一步增加到 在前面已经提到，随着弱透水层埋深的增加， 足以克服扩散层内渗透吸附水抗剪强度时，扩散 粘性土含水量减少：含水量由大于液限含水量→ 层内结合水转化为自由水释出，孔隙进一步压缩

北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 0 6 年第 3 期 力学 性 质 也 在发 生变 化 : 含水 量 减少 , 孔 隙比 降 低 , 密度增 大 , 液性指 数 由正值变为 负值 , 土层 的 工 程地质性质变好 . 其 中有 两点值得注 意 : 首 先 , 粘性 土含水量 逐 渐 降低 , 含 水 量 降低 的 规律 是 浅 部弱透 水层 中粘 性土 含水 量大 于 液 限 的含 水 量 , 随着深度增加 , 中部弱透 水 层 含水量变 为小 于 液 限 含水量 但大于塑限 含水量 , 埋深进一步 加大 , 深 部弱 透水层含水 量变为小于塑 限含水 量 ; 其 次 , 随 着埋 深的增 大 , 液 性指 数 由浅 部 的大 于 1 变 化 到 深部 的小于 O , 说 明弱 透水 层 土体 的状 态 发 生 了 本质变化 , 从流塑变为坚硬 . T a b l e l 表 1 不同深度弱透水层的主要的物理 、 力学指标 p h y s i c a l a n d m e hca ` c a l i n吻 e s o f d i fe er n t d e tP 俪 o f a q u i t adr 弱透水层埋深 / m 含水量 / % 湿 密度 / ( g · c m 一 ” ) 孔隙比 液限 / % 塑 限 / % 2 5 00 1 0 0 . 00 3 8 一 59 2 6 . 0 0 1 . 70 一 1 . 8 0 1 . 0 7 0 一 1 . 2 7 0 3 3 . 8 0 一 5 0 . 30 2 2 . 8 0 一 4 0 9 0 1 . 3 8 0 一 1 . 93 0 0 . 7 18 3 2 . 1 4 19 2 7 0 . 5 2 3 2 0 0 . 0 0 1 9 . 3 0 1 . 9 9 2 . 0 6 0 . 5 6 2 3 0 . 9 7 1 8 . 6 6 0 . 0 52 3 0 0 . 0 0 2 0 . 5 0 0 . 5 9 6 3 5 . 1 5 1 9 . 7 8 0 , 0 4 7 3 3 1 . 1 5 5 8 8 . 52 1 8 . 6 0 2 1 , 2 0 0 . 3 8 3 4 8 . 3 0 2 6 . 7 0 一 0 . 3 8 0 0 . 3 5 5 4 5 . 8 0 2 6 . 4 0 一 0 . 2 60 2 弱透水 层释水变形机理 2 . 1 不 同深 度弱透水层 粘性土 体的 孔隙水类型 讨论弱 透水 层释水 机理 的前提是 明确弱透水 层 中水的存 在形式 . 弱透水 层 的主要 组成 物质是 粘性 土 , 粘性土主要 由粘 粒组成 , 粘 粒具有胶体 或 准胶体的特性 , 它 在 沉积 过 程 中和 周 围 的溶液 发 生复杂 的物理 化 学作用 , 并 在 其表 面形 成 不同类 型的结合水 . 按其 与粘粒表 面 结合的牢 固程度 的 不 同 , 结 合水 可 分成 吸 附结合水和渗透 吸 附水 . 除此 之外 , 在粘 性土形 成 的 弱透水层 的孔 隙中还 有其他类型 的孔 隙水 , 如毛细 水 , 重 力水 . 在下文 中为了讨论方便 , 把 毛 细 水 和重 力 水 归为 自由 水 的范 围 . 兹 洛切 夫斯 卡 娅 提 出 了直 观 、 形 象的结 合水结构示 意 图 3[] , 如图 1 所 示 . ①一③ 卜燕如心价 攀 霎 磐 ①双电层 ; ②吸咐层 ; ③扩散层 ; ④吸附结合水 ; ⑥ 自由水 ; 刁, 水化阳离子 / 叫 尸 水分子定向 图 l 粘土结合水组构示意图 ⑥ ⑤渗透吸 附水 ; F i g . 1 St r u e l u r a l s ke t e h m a P o f b o u n d w a t e r 在前面 已经提到 , 随着弱 透水层埋深 的增加 , 粘性土含水量减少 : 含 水量 由大于液 限含 水量 ~ 小于液 限含水 量但大 于塑 限含水量~ 小于 塑限含 水量 . 根据 土质学 原理 〔3一 可 以得 出与之相 对 应 的孔 隙水类 型为 : 当含 水量大于等于液 限 时 , 土粒 扩散 层外 围 出现 自由水 , 粘 土 颗 粒之 间距 离 已 超 出相互引力 范 围 , 粒间连结力几 乎消失 , 此时 孔 隙 水 以 自由水 为主 , 自由水起主要 作用 , 土 体难 以维 持一 定形状 , 呈流动 状态 ; 当含水 量小于 液限 含水 量但大于塑 限含水量时 , 土粒 间距 离减小 , 粒间靠 重叠 的扩散层连结 , 连 结力 得到增 加 , 孔 隙水 主要 为扩散层 内渗透 吸附水和少 量的 自由水 (接近 液 限含水量 时) , 土体呈 塑 性状 态 ; 当含 水量 小于 塑 限含水量 时 , 土 粒 间距 离进 一步减 小 , 孔 隙水主要 为吸 附结 合水 , 粒 间连 结以吸附结合水连结为 主 , 连 结力 明显增强 , 土体处于半固态一 固态 状态 . 2 . 2 不 同深度 弱透水 层释水 变形机理 弱透水层的埋深不 同 , 孔隙中所 含 孔隙水 类 型不 同 . 由于 不同类 型的水在水 力梯 度作用下在 土体中的运移规律 不 同 , 导 致不 同埋 深 弱透 水层 释水变形机 理的差 异 . 孔隙水以 自由水为主 , 含水 量 大于 液 限 的浅 部弱透 水层 , 在水力 梯度作用下 , 孔隙 中的 自由水 就会发生 渗流 排出 , 使粘性 土层 失 水产 生 明显 的 压缩变形 . 孔 隙水主要 以 扩散 层 中渗透 吸附水 为 主 , 含 少 量 自由水 的中部弱透 水层 , 在水力梯度作 用下 , 首先 是 少 量 自由 水释 出 5[] , 孔 隙被 压缩 , 当含 水 层 的抽水量 进 一步 加大 , 水力 梯 度进 一 步 增 加到 足以克服扩散层 内渗透 吸 附水抗剪 强 度 时 , 扩散 层 内结合水转化为 自由水释 出 , 孔隙进 一步 压缩

Vol.28 No.3 武强等：弱透水层变形机理的研究 ·209· 在土颗粒接近、土体压密过程中，由于同号双电层 达西流来描述孔隙渗流，就得到了利用非达西流 斥力和结合水抗剪作用的影响，在压密过程中粘 修正过的太沙基渗透固结方程或比奥渗透固结方 土颗粒的接近受到阻碍，而且随着粘土密度的增 程. 加和渗透吸附水的排出这种影响也随之加大，因 最后，对含水量小于塑限的深部弱透水层，由 此，扩散层中结合水的排出比自由水要慢得 于弱透水层中土体的成岩程度增强，已经处于固 多[3]，土体中的孔隙渗流有偏离达西定律的现 态一半固态状态，在外部荷载作用下使土体骨架 象[6-8] 产生受力变形.根据有效应力原理和该层位含水 含水量小于塑限含水量的深部弱透水层，孔 层的抽水量，可以推算出含水层抽水后岩土体所 隙水以吸附结合水为主，由于吸附结合水受到粘 受附加应力的大小，再依据该层位岩土体的物理 土颗粒强烈的静电吸引和氢键连结作用，其力学 力学性质，可以确定采用岩土力学模型的种类 性质与固体比较接近.正如兹洛切夫斯卡娅指 由于计算岩土体骨架受力变形的岩土力学模型较 出[3]：在高压（大于300N·cm2)和低含水量（小 多，应结合研究区的工程地质背景进行选择 于塑限含水量)时，饱和粘土的压密性机理主要与 虽然本文是针对天津市滨海新区不同埋深内 吸附结合水强结构化层的抗压阻力有关9.由于 弱透水层进行的研究，但由于随着埋藏深度的增 粘土孔隙中水化层强结构化分子存在并占优势， 加，含水量减少，弱透水层的成岩程度增大，这是 阻碍外荷，阻碍这一部分结合水的排出，也阻碍了 弱透水层随深度变化的普遍规律，因此可以将文 土体发生渗透变形.可以初步认为，在此种土的 中的结论推广到对其他地区弱透水层的研究中 受压变形中9)，因渗流（自由水的排出）而产生的 4结论 变形已微乎其微.在水力梯度作用下基本不会产 生渗透变形，而是土体骨架产生受压变形 通过对天津市滨海新区不同深度弱透水层水 理性质的研究，得出如下结论 3 弱透水层变形计算的建议 (1)随着埋藏深度的增加，弱透水层的含水 根据上述分析可知，不同埋藏深度弱透水层 量逐渐变小，弱透水层中的孔隙水类型由浅入深 的状态不同，释水变形机理不同，如果对其采用同 依次是：浅部弱透水层，孔隙水以自由水为主；中 一计算模式显然是与实际情况不相符的，因此应 部弱透水层，孔隙水主要为扩散层内渗透吸附水； 根据其不同的变形特性采用不同的变形计算模 深部弱透水层，孔隙水主要为吸附结合水 式.含水量可以作为其采用不同计算模式的依 (2)不同埋藏深度弱透水层中孔隙水类型的 据，分界线可以考虑采用界限含水量， 不同，就决定了不同埋藏深度弱透水层释水变形 首先，对含水量大于液限的浅部弱透水层的 机理的差异：孔隙水以自由水为主，自由水在水力 变形计算，由于其孔隙渗流符合达西定律，可以采 梯度作用下渗流排出，弱透水层产生明显的压缩 用传统的太沙基渗透固结理论或比奥渗透固结理 变形；孔隙水以扩散层内渗透吸附水为主时，当水 论进行计算]，前期许多地面沉降固结模型都是 力梯度足以克服扩散层内渗透吸附水抗剪强度 应用此两种固结理论进行的计算，国内较为有名 时，渗透吸附水转化为自由水排出，扩散层中渗透 的上海和天津的地面沉降模型就是利用太沙基一 吸附水的排出比自由水要慢得多，孔隙渗流有偏 维固结理论进行的弱透水层固结计算，这方面的 离达西流现象：孔隙水以吸附结合水为主时，土体 研究成果很多，研究得较为充分 性质与固体比较接近，在水力梯度作用下基本不 其次，对含水量处于液限和塑限含水量之间 会产生渗透变形，而是土体骨架产生受压变形 的中部弱透水层，由于扩散层结合水的作用，在水 (3)根据不同深度弱透水层的释水变形机 力梯度作用下孔隙渗流有偏离达西定律的现象， 理，提出了以含水量为划分界限，对不同含水界限 因此处于这一含水范围内的弱透水层的变形计算 内的弱透水层采取不同的变形计算模式. 建议采用利用非达西流修正过的太沙基渗透固结 参考文献 理论或比奥渗透固结理论.其中对非达西流的数 [1]张云.一维地面沉降模型及其求解，工程地质学报，2002， 学表述可以参考文献[8]中Hansbo提出的非达西 10(4):434 流的表达形式，在对太沙基渗透固结方程或比奥 [2]陈戈，阎世骏，李铁锋.天津市深层粘性土对地面沉降的影 渗透固结方程的推导过程中，应用非达西流取代 响及其沉降量计算.北京大学学报：自然科学版，2001,37

V o l 。 2 8 N o 。 3 武强等 : 弱透水层变形机理 的研究 在土颗粒接近 、 土体压密过 程 中 , 由于 同号双 电层 斥力 和结合水 抗剪作用 的影响 , 在 压 密过 程 中粘 土颗粒 的接近 受 到 阻碍 , 而 且 随着 粘 土 密度 的 增 加和 渗透 吸附水 的排 出这种影 响也 随之 加大 . 因 此 , 扩散 层 中 结 合 水 的 排 出 比 自 由 水 要 慢 得 多 闭 , 土 体 中 的 孔 隙 渗 流 有 偏 离达 西 定 律 的 现 象 [ 6 一 8 ] . 含水量 小于塑 限 含 水量 的 深部弱 透 水 层 , 孔 隙水 以 吸附结 合水 为主 , 由于 吸 附结 合水受 到 粘 土颗粒强烈的 静 电吸引 和 氢键 连结作用 , 其 力 学 性质与 固体 比较接近 . 正 如 兹 洛切 夫斯 卡 娅 指 出3[ 〕 : 在高 压 (大 于 3 0 N · c m 一 “ ) 和 低 含水 量 ( 小 于塑 限含水量 )时 , 饱 和粘 土的压 密性机理 主要 与 吸 附结合水强 结构化 层的抗 压 阻力 有关〔” 〕 . 由于 粘土孔 隙 中水 化 层强 结 构 化分 子 存 在并 占优 势 , 阻碍 外荷 , 阻 碍这一 部分结 合水的排出 , 也阻碍 了 土体发 生渗透 变形 . 可 以 初步 认为 , 在此 种土 的 受压变形 中 9[] , 因渗流 ( 自由水的排 出 ) 而 产 生 的 变形 已 微乎其 微 . 在水力 梯度 作用 下基 本不会 产 生渗透 变形 , 而是土体骨架产生受压变形 . 达 西流来描述 孔 隙渗流 , 就得 到 了利用 非达西 流 修正过 的太 沙基渗透 固结方 程或比 奥渗透 固结方 程 . 最 后 , 对 含水量 小于塑 限的深 部弱透水 层 , 由 于弱透水层 中土体 的成 岩程 度 增强 , 已 经 处 于 固 态 一 半 固态状 态 , 在外 部 荷载 作 用 下使 土 体 骨架 产生 受力变形 . 根 据有效 应力 原理 和该层位 含水 层的抽 水量 , 可 以推算 出含 水层 抽 水后 岩 土体 所 受附加应 力 的大小 , 再 依 据该层 位 岩土 体的 物理 力学 性质 , 可 以确 定 采 用 岩 土 力 学 模型 的种 类 . 由于计算岩土体骨架受力变形的岩 土力学 模型较 多 , 应 结合研 究 区 的工程地 质背景进行选择 . 虽然本文是针对天 津市滨海新区不 同埋深 内 弱透水层 进行 的研 究 , 但 由于 随着 埋藏深 度的增 加 , 含 水 量减 少 , 弱透水 层 的成 岩程 度增 大 , 这是 弱透水 层随深 度变化 的普遍 规 律 , 因此 可 以将文 中的结论推广到对其他地 区 弱透水 层的研 究中 . 3 弱透水层变形计 算的建议 根据上述 分析 可 知 , 不 同埋 藏深度 弱 透 水 层 的状态不 同 , 释水变形 机理 不 同 , 如 果对 其采用 同 一计算模式显 然 是与实 际情况 不 相符 的 , 因此 应 根据其不 同 的 变形 特性 采 用 不 同 的变形 计 算模 式 . 含水 量 可 以作 为其 采 用 不 同计 算 模 式 的 依 据 , 分 界线可以考虑 采用界 限含水 量 . 首 先 , 对 含水 量大 于 液 限 的浅 部弱 透 水 层 的 变形计 算 , 由于其孔 隙渗流 符合达西 定律 , 可 以 采 用传统的太 沙基渗透固结理论或 比奥渗透 固结理 论进行计算 6[] . 前期 许多地 面沉 降固结模 型都是 应用此 两种 固结 理论进 行 的计 算 , 国 内较 为 有 名 的上海和天 津 的地 面沉 降模型就是 利 用太沙基 一 维 固结理论进 行 的 弱透 水 层 固结 计 算 , 这方 面 的 研 究成果很 多 , 研 究得较为充分 . 其次 , 对 含水量 处于 液 限 和塑 限 含水量 之 间 的中部弱透 水层 , 由于扩 散层结 合水的作用 , 在水 力 梯度作用 下 孔隙渗流有 偏 离达 西 定律 的现 象 , 因此处于这 一含 水范 围内的弱透 水层 的变形计 算 建议采用 利用 非达西流 修正过 的太沙 基渗透 固结 理 论或比奥渗透 固结理论 . 其中对 非达西 流 的数 学表述 可 以参考 文献 「8] 中 H an sb 。 提 出的非达西 流的表达形 式 , 在对 太 沙基 渗透 固结方 程 或 比 奥 渗透 固结方 程 的推 导过程 中 , 应 用 非达 西 流取 代 4 结论 通过对天 津市滨海新 区不 同深 度弱透 水层水 理 性质的研 究 , 得 出如 下结论 . ( 1) 随 着埋 藏深度的增 加 , 弱透 水层 的含 水 量逐渐变小 , 弱透 水 层 中的孔 隙水 类型 由浅 入深 依次 是 : 浅部 弱透 水 层 , 孔 隙水 以 自由水 为 主 ; 中 部弱透 水层 , 孔隙水 主要 为扩散层 内渗透 吸附水 ; 深 部弱透水 层 , 孔 隙水主要 为吸 附结合水 . ( 2) 不 同埋藏深度弱透水 层 中孔 隙水类型 的 不同 , 就决定 了不 同埋 藏深 度弱透 水 层释 水 变形 机 理 的差异 : 孔隙水 以 自由水为主 , 自由水 在水力 梯度作用下渗流 排出 , 弱 透 水层 产生 明显 的压缩 变形 ; 孔隙水以扩散 层 内渗透吸 附水为 主时 , 当水 力梯度足 以 克服 扩散 层 内渗透 吸 附水 抗 剪强 度 时 , 渗透 吸 附水转化 为 自由水排 出 , 扩散 层中渗透 吸附水 的排 出 比 自 由水 要慢 得 多 , 孔 隙渗流 有偏 离达西流现 象 ; 孔 隙水 以吸附结合水为 主时 , 土体 性质与固体比较接近 , 在水力 梯 度作 用 下基 本不 会产 生渗透 变形 , 而是土 体骨架产 生受压变形 . ( 3) 根据不 同 深 度 弱 透 水层 的释 水 变 形 机 理 , 提 出了以含水 量为划 分界 限 , 对不 同含水界 限 内的弱透水 层采取 不 同的变形计 算模式 . 参 考 文 献 【l] 张云 . 一维地面沉降模型 及 其求解 . 工 程地质学报 , 2 002 , 1 0 ( 4 ) : 43 4 【2] 陈戈 , 阎世骏 , 李铁锋 . 天津市深层粘性土对地面沉降的影 响及其沉 降量计算 . 北京大学 学报 : 自然科学 版 , 2 0 01 , 37

·210· 北京科技大学学报 2006年第3期 (6):804 [6]王秀艳，刘长礼，对粘性土孔隙水渗流规律本质的新认识. [3]兹洛切夫斯卡娅1H,科罗列夫BA.不同密度饱水粘土物 地球学报，2003,24(1)：91 理-力学和物理-化学性质形成中的温度因素∥李生林，蒲 [7]Teh C I,Nie X Y.Coupled consolidation theory with non 遵昭，秦素鹃，等，译，土中结合水译文巢，北京：地质出版 Darcian flow.Comput Geotech,2002,29:169 社，1982：45 [8]Hansbo S.Aspects of vertical drain design:Darcian of non- [4]唐大雄，孙素文.工程岩土学，北京：地质出版社，1987：22 Darcian flow.Geotechnique,1997,47(5):983 [5]王秀艳，刘长礼.深层黏性土潜透释水规律的探讨，岩土工 [9]李文平，饱水粘性土高压密实过程中孔压及体应变变化试 程学报，2003,25(3)：308 验研究.岩土工程学报，1999,21(6)：666 Study on deformation mechanics of aquitard WU Qiang,XIE Hailan,ZHAO Zengmin,LI Juan,JIN Xiaoli China University of Mining and Technology,Beijing 100083,China ABSTRACT The water physical properties of aquitard at different depths were studied with the aquitard of Tianjin City in China as an example.The results showed the pore water styles of aquitard at different depths and the corresponding deformation mechanisms.For different deformation mechanisms of aquitard, this paper advises using different calculating models to calculate the deformation of aquitard at different depths according to the moisture content of aquitard. KEY WORDS land subsidence;aquitard;bound water;deformation mechanism

2 1 0 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 0 6年第 3 期 [ 3了 ( 6 ) : 8 0 4 兹洛切夫斯卡娅 JI H , 科罗列 夫 B A . 不同密度饱水粘土物 理 一 力学和物理 一 化学性 质形成中的温度 因素 / 李生林 , 蒲 遵昭 , 秦 素鹃 , 等 , 译 . 土 中结合水 译文 集 . 北京 : 地质 出版 社 , 1 9 8 2 : 4 5 唐大雄 , 孙素文 . 工程岩土学 . 北京 : 地质 出版社 , 19 87 : 2 王 秀艳 , 刘长礼 . 深层豁性土渗透释水规律的探讨 . 岩土工 程学报 , 2 0 0 3 , 2 5 ( 3 ) : 3 08 王 秀艳 , 刘长礼 . 对粘性土孔 隙水 渗流规律 本质的新认识 . 地球学报 , 2 00 3 , 2 4 ( z ) : 9 1 T e h C l , N i e X Y . C o u p l e d co n s o lid a t i o n t h oe r y w i t h n o n - D a r e ian fl o w . C o m P ut `决o t e e h , 2 00 2 , 2 9 : 16 9 H ans b o 5 . sA p e e t s o f v e r t i e al d ra i n d e s i g n : D a r e i a n o f no n - D a r e ian f lo w . 晓 o t e e b n i q ue , 19 9 7 , 4 7 ( 5 ) : 98 3 李文平 . 饱水粘性土 高压 密实过程中孔压及体应变变化试 验研 究 . 岩土工程学报 , 19 9 9 , 2 1 ( 6 ) : 6 66 , . 飞JJes r es 飞J es J 76 Oo n, . .rLL L 45[] S t u d y o n d e f o r m a t i o n m e e h a n i e s o f a q u i t a r d W U Q i a n g , X I E 去肠i l a n , Z H A O eZ n g m i n , C h i n a U n ive sr i t y o f Mi n i飞 a n d T e e 卜朋1眼y , B e ij i n g 10 0 0 8 3 L l J u a n , J I N iX a o l i C hi n a A B S T R A C T T h e w a t e r P h y s i e a l P r o P e r t i e s o f a q u i t a r d a t d if e r e n t d e P t h s w e r e s t u d i e d w i t h t h e a q u i t a r d o f T i a nj i n C i t y i n C h i n a a s a n e x a m p l e . T h e r e s u l t s s h o w e d t h e p o r e w a t e r s t y l e s o f a q u i t a r d a t d i f f e r e n t d e p t h s a n d t h e e o r r e s p o n d i n g d e f o r m a t i o n m e e h an i s m s . OF r d i ff e r e n t d e fo r m a t i o n m e e h a n i s m s o f a q u i t a r d , t h i s p a p e r a d v i s e s u s i n g d i ff e r e n t e a l e u l a t i n g m o d e l s t o e a l e u l a t e t h e d e f o r m a t i o n o f a q u i t a r d a t d i ff e r e n t d e p t h s a e e o r d i n g t o t h e m o i s t u r e e o n t e n t o f a q u i t a r d . K E Y WO R DS l a n d s u b s i d e n e e ; a q u i t a r d ; b o u n d w a t e r ; d e f o r m a t i o n m e e h a n i s m