地下水滲流引起無粘性土層沉降的細(xì)觀機(jī)理研究

隨著人類活動的發(fā)展，地面沉降問題越來越突出，嚴(yán)重時會成為一種地質(zhì)災(zāi)害。其中地下水的過度開采造成地面沉降已經(jīng)得到普遍證實(shí)，成為制約很多城市發(fā)展的原因之一，對此很多學(xué)者提出了地下水回灌的措施來減小沉降，實(shí)際工程中也得到了應(yīng)用。因此，地下水的開采和回灌問題成為了巖土工程領(lǐng)域研究的一個熱點(diǎn)。 該課題在前人研究的基礎(chǔ)之上，用室內(nèi)模型試驗(yàn)來研究沉降機(jī)理，設(shè)計(jì)了可行的試驗(yàn)設(shè)備，對不同密實(shí)度的砂土進(jìn)行反復(fù)的排水和回灌試驗(yàn)，測量試樣的豎向變形，并記錄水位的高度變化。在砂土的細(xì)觀分析上，利用數(shù)字顯微鏡、數(shù)碼相機(jī)和數(shù)字處理技術(shù)研究砂土顆粒的變化規(guī)律，分析細(xì)觀特征參數(shù)的變化。在不同的密實(shí)度條件下，通過記錄的孔隙水壓力和土壓力，分析砂土的應(yīng)力變化規(guī)律，在排水和回灌的初期變形以彈性變形為主，隨著排灌的次數(shù)的增加，砂土結(jié)構(gòu)發(fā)生重組，變形較大，產(chǎn)生了不可恢復(fù)的塑性和粘性變形，最后砂土試樣逐漸穩(wěn)定，變形明顯減小。通過對CCD系統(tǒng)攝錄圖片的分析，每次排水和回灌后砂土顆粒的上下位移較為明顯，轉(zhuǎn)動角度相對較?。煌ㄟ^對數(shù)碼圖片處理后清楚地呈現(xiàn)出排水和回灌過程中顆粒的移動過程。在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，運(yùn)用PFC顆粒流模擬密砂的排水和回灌過程，通過邊界條件的設(shè)置來模擬水量控制，主要分析顆粒的下降和回彈量，同時分析顆粒的孔隙率、位移場和流體單元速度場變化。 基于洋山深水港區(qū)地基沉降觀測數(shù)據(jù)，采用不同的回歸模型對不同地質(zhì)條件下的地基沉降進(jìn)行非線性回歸分析。研究結(jié)果表明，除了在地基沉降的初期階段有一些差異外，所有模型的回歸曲線與實(shí)測沉降吻合的很好。通過回歸分析得到的模型參數(shù)可作為其他類似地質(zhì)條件下重要工程地基沉降預(yù)測的參考。 該研究工作有助于我們進(jìn)一步認(rèn)識地面沉降機(jī)理、合理地開采地下水和科學(xué)地回灌，對于水資源的管理可以提供重要的參考。 2100433B

通過地下水滲流的室內(nèi)模型試驗(yàn)，利用顯微數(shù)碼攝像可視化跟蹤技術(shù)和數(shù)字圖像變形量測技術(shù)觀察和攝錄地下水位面變化過程中土顆粒的移動軌跡，為地下水滲流引起無粘性土層沉降的細(xì)觀機(jī)理分析和顆粒流數(shù)值模擬提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)；并從土體內(nèi)部流固耦合機(jī)制的細(xì)觀層面上分析地下水滲流與土顆粒介質(zhì)之間的相互作用，深入研究地下水滲流引起無粘性土層沉降的細(xì)觀力學(xué)機(jī)理?；陬w粒流理論，建立地下水位面變化過程中無粘性土層沉降發(fā)展變化規(guī)律的細(xì)觀理論模型，并在PFC計(jì)算軟件的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)，對地下水滲流過程中土顆粒的移動規(guī)律進(jìn)行細(xì)觀模擬，進(jìn)一步從細(xì)觀角度深入理解和認(rèn)識地下水滲流引起無粘性土層沉降的機(jī)理；結(jié)合上海等地區(qū)無粘性土層沉降的觀測資料，利用研究取得的滲流引起無粘性土層沉降機(jī)理的細(xì)觀力學(xué)分析理論和相應(yīng)方法，把理論預(yù)測的土層沉降結(jié)果與實(shí)際的觀測資料進(jìn)行對比，為地面沉降災(zāi)害的預(yù)測和治理提供參考意見。

本項(xiàng)目利用先進(jìn)的數(shù)碼攝像可視化跟蹤技術(shù)和數(shù)字信息計(jì)算機(jī)實(shí)時處理技術(shù)，進(jìn)行堤壩的滲透模型試驗(yàn)，攝錄土顆粒的移動軌跡，確定形成管涌的臨界參數(shù)?；谏Ⅲw介質(zhì)顆粒流理論及其分析方法等細(xì)觀力學(xué)手段，分析滲流與土介質(zhì)的共同作用及滲流的貼壁擠土效應(yīng)，深入研究管涌形成過程的細(xì)觀力學(xué)機(jī)理。建立關(guān)于管涌形成和發(fā)展規(guī)律的細(xì)觀理論模型，利用并開發(fā)PFC2D軟件對管涌形成與發(fā)展過程中土顆粒的移動規(guī)律進(jìn)行細(xì)觀仿真模擬。結(jié)合堤防工程的管涌險(xiǎn)情實(shí)例進(jìn)行分析研究，為管涌險(xiǎn)情的預(yù)測和治理提供參考意見。本研究成果對防洪減災(zāi)具有重要意義。 2100433B

《第四紀(jì)松散沉積層地下水滲流與地面沉降控制數(shù)值模擬》一書從系統(tǒng)觀點(diǎn)出發(fā)，本書可供地質(zhì)、交通、市政等相關(guān)領(lǐng)域的科技人員和高等院校相關(guān)專業(yè)的師生參考。