地下水滲流引起無粘性土層沉降的細觀機理研究結題摘要

隨著人類活動的發(fā)展，地面沉降問題越來越突出，嚴重時會成為一種地質(zhì)災害。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，成為制約很多城市發(fā)展的原因之一，對此很多學者提出了地下水回灌的措施來減小沉降，實際工程中也得到了應用。因此，地下水的開采和回灌問題成為了巖土工程領域研究的一個熱點。 該課題在前人研究的基礎之上，用室內(nèi)模型試驗來研究沉降機理，設計了可行的試驗設備，對不同密實度的砂土進行反復的排水和回灌試驗，測量試樣的豎向變形，并記錄水位的高度變化。在砂土的細觀分析上，利用數(shù)字顯微鏡、數(shù)碼相機和數(shù)字處理技術研究砂土顆粒的變化規(guī)律，分析細觀特征參數(shù)的變化。在不同的密實度條件下，通過記錄的孔隙水壓力和土壓力，分析砂土的應力變化規(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，砂土結構發(fā)生重組，變形較大，產(chǎn)生了不可恢復的塑性和粘性變形，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??；通過對數(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。在試驗研究的基礎上，運用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行非線性回歸分析。研究結果表明，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測的參考。 該研究工作有助于我們進一步認識地面沉降機理、合理地開采地下水和科學地回灌，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，利用顯微數(shù)碼攝像可視化跟蹤技術和數(shù)字圖像變形量測技術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觀機理分析和顆粒流數(shù)值模擬提供試驗數(shù)據(jù)；并從土體內(nèi)部流固耦合機制的細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觀力學機理?；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)律的細觀理論模型，并在PFC計算軟件的基礎上進行二次開發(fā)，對地下水滲流過程中土顆粒的移動規(guī)律進行細觀模擬，進一步從細觀角度深入理解和認識地下水滲流引起無粘性土層沉降的機理；結合上海等地區(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理的細觀力學分析理論和相應方法，把理論預測的土層沉降結果與實際的觀測資料進行對比，為地面沉降災害的預測和治理提供參考意見。

本項目利用先進的數(shù)碼攝像可視化跟蹤技術和數(shù)字信息計算機實時處理技術，進行堤壩的滲透模型試驗，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觀力學手段，分析滲流與土介質(zhì)的共同作用及滲流的貼壁擠土效應，深入研究管涌形成過程的細觀力學機理。建立關于管涌形成和發(fā)展規(guī)律的細觀理論模型，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)律進行細觀仿真模擬。結合堤防工程的管涌險情實例進行分析研究，為管涌險情的預測和治理提供參考意見。本研究成果對防洪減災具有重要意義。 2100433B

《第四紀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)觀點出發(fā)，本書可供地質(zhì)、交通、市政等相關領域的科技人員和高等院校相關專業(yè)的師生參考。