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