基于土体结构性的地面沉降演化机理及预测评价研究

发布时间：2020-09-07 10:05

　　 随着经济社会快速发展,深层地下水的长期不合理开采成为导致地面沉降的主要诱发因素。地面沉降是一种缓变性地质灾害,其成生机制复杂、影响范围广、防治难度大且伴随多种次生灾害,已对工农业生产、城市建设和运行、经济社会可持续发展构成严重威胁。为探究地面沉降成生的内在机理、合理预测地下水开采诱发地面沉降问题,需建立真实反映地下水流场、地面沉降时空演化规律的流固耦合模型。但长期以来,人们主要基于线弹性本构模型,从宏观层面对地面沉降加以研究,然而土体变形具有明显的弹塑性甚至滞后性特征,且受到微观结构强度的限制,忽略土体塑性变形特征会影响模拟精度,忽略结构性与宏观工程特性的相互制约作用,难以把握土体变形的内在演化机理。基于以上事实,本文结合德州地区水文地质概况,综合理论分析、室内宏微观试验、数值模拟、宏观力学特征与微观结构因素结合等方法,对区内结构性土体固结沉降成生的宏微观机理和流固耦合数值模拟开展研究,主要内容如下:1.针对性总结国内外地面沉降研究现状、土体微观结构及其与宏观工程特性的研究现状,确立了本文探究地面沉降宏微观演化机理的研究方向。分析汇总实地勘测数据及工程背景资料,明确了研究区800m内共18个工程地质特征层及4个含水岩组的垂向划分。2.在区内施工水文地质勘探孔,对岩样实施室内土工试验,求取各层位物理化学和水文地质参数,以此评价分析德州土体的成生环境;同时开展土体SEM电镜扫描试验,定性评价区内土体在沉降过程中微观结构的被迫调整,结合计算机图像处理技术,定量描述渗流固结中各微观结构要素的时空演化特征,为后文定量拟合宏观力学参数与微观结构因素关系提供依据。3.结合地下水动力学、岩土弹塑性力学等基础理论,基于地下水位动态资料和地面沉降观测资料,合理选取粘土层为弹性-理想塑性Mohr-Coulomb本构模型,含水层为线弹性Biot固结理论,运用MIDAS_GTS有限元数值分析软件,建立宏观三维地下水开采-地面沉降耦合计算模型,模拟区内地下水流场、地面沉降的时空发展规律。4.通过单相关拟合法得出与渗透系数显著相关的微观结构参数,将拟合方程带入上述流固耦合数值模型中,通过对微结构参数进行敏感性分析,定量探讨地面沉降与微观因素的相互作用机制,分析评价结构参数对地面沉降值的影响情况。
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：P642.26;TU43
【部分图文】：

图１．３本文技术路线图逡逑

北纬３６°２４＇？３８°００＇，总面积１０３４１ｋｍ２［５７］。津浦铁路纵贯本区西部，北至京津，逡逑南经省会济南直达宁沪，德石铁路在此与津浦铁路交汇，区内公路四通八达，县逡逑乡之间公路相连，交通方便，研究区地理位置见图２．１。逡逑山东地面沉降调查与蛊n,工作区位里图逡逑河逦．Ｊ逦；邋／逡逑．逡逑＊邋ｒ逡逑省．逡逑（ｕ．於‘邋一邋—＼逡逑参－邋一逡逑＾邋■二逡逑图２．１研究区地理位置逡逑９逡逑

成了高地、坡地、洼地相间的地貌景观，这种地貌对本区旱、涝、碱的分布和地逡逑下水的补排和动态变化产生重要影响。依据平原地貌的形态、成因类型等特征，逡逑可分为以下几种微地貌类型（见图２．２）。逡逑ｉ？ｇ邋Ｗ逦ｎ？邋？邋ｘ／逦ｉｉＴ＊邋！00？逦ｍｎｊｇ邋￣逡逑？邋？邋／－Ｉ逡逑．．．逦央邋ｕ邋扇形地逡逑、－？￣＝＝锼平垓地逡逑■’邋丨：：丨……逡逑－逦＇控逦＾逡逑ｎ？－ｗ逦ｈｔ－邋0ｃ逦ｍ＊３0－逡逑０邋】Ｃｉ邋２０＾Ｓ逡逑图２．２德州市地貌类型分区图逡逑河滩高地：为古河道河漫滩沉积而成，在黄泛平原上呈南西－北东向带状分逡逑布。地表岩性主要为粉砂、细砂及轻亚砂土。逡逑决口扇形地：主要为黄河决口滞溜沉积而形成的决口扇形地，由砂岗、砂丘、逡逑砂洼组成，沿黄河北侧齐河赵官？贾市及李家岸一带，呈北北东向分布，地表岩逡逑性为粉土、粉砂及亚砂土，分布面积较小。逡逑缓平坡地：为黄河泛滥漫流沉积所成，是本区内分布最广的微地貌形态，地逡逑表岩性以亚砂土为主。逡逑河间浅平洼地：主要为静水所沉积，表层多为亚粘土或粘土，地形封闭平缓，逡逑向中部微倾，坡降一般小于１／１００００，易积水成涝，洼地边缘盐渍化较重。逡逑１０逡逑

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本文编号：2813196