地下水渗流引起无粘性土层沉降的细观机理研究

随着人类活动的发展，地面沉降问题越来越突出，严重时会成为一种地质灾害。其中地下水的过度开采造成地面沉降已经得到普遍证实，成为制约很多城市发展的原因之一，对此很多学者提出了地下水回灌的措施来减小沉降，实际工程中也得到了应用。因此，地下水的开采和回灌问题成为了岩土工程领域研究的一个热点。 该课题在前人研究的基础之上，用室内模型试验来研究沉降机理，设计了可行的试验设备，对不同密实度的砂土进行反复的排水和回灌试验，测量试样的竖向变形，并记录水位的高度变化。在砂土的细观分析上，利用数字显微镜、数码相机和数字处理技术研究砂土颗粒的变化规律，分析细观特征参数的变化。在不同的密实度条件下，通过记录的孔隙水压力和土压力，分析砂土的应力变化规律，在排水和回灌的初期变形以弹性变形为主，随着排灌的次数的增加，砂土结构发生重组，变形较大，产生了不可恢复的塑性和粘性变形，最后砂土试样逐渐稳定，变形明显减小。通过对CCD系统摄录图片的分析，每次排水和回灌后砂土颗粒的上下位移较为明显，转动角度相对较小；通过对数码图片处理后清楚地呈现出排水和回灌过程中颗粒的移动过程。在试验研究的基础上，运用PFC颗粒流模拟密砂的排水和回灌过程，通过边界条件的设置来模拟水量控制，主要分析颗粒的下降和回弹量，同时分析颗粒的孔隙率、位移场和流体单元速度场变化。 基于洋山深水港区地基沉降观测数据，采用不同的回归模型对不同地质条件下的地基沉降进行非线性回归分析。研究结果表明，除了在地基沉降的初期阶段有一些差异外，所有模型的回归曲线与实测沉降吻合的很好。通过回归分析得到的模型参数可作为其他类似地质条件下重要工程地基沉降预测的参考。 该研究工作有助于我们进一步认识地面沉降机理、合理地开采地下水和科学地回灌，对于水资源的管理可以提供重要的参考。 2100433B

通过地下水渗流的室内模型试验，利用显微数码摄像可视化跟踪技术和数字图像变形量测技术观察和摄录地下水位面变化过程中土颗粒的移动轨迹，为地下水渗流引起无粘性土层沉降的细观机理分析和颗粒流数值模拟提供试验数据；并从土体内部流固耦合机制的细观层面上分析地下水渗流与土颗粒介质之间的相互作用，深入研究地下水渗流引起无粘性土层沉降的细观力学机理。基于颗粒流理论，建立地下水位面变化过程中无粘性土层沉降发展变化规律的细观理论模型，并在PFC计算软件的基础上进行二次开发，对地下水渗流过程中土颗粒的移动规律进行细观模拟，进一步从细观角度深入理解和认识地下水渗流引起无粘性土层沉降的机理；结合上海等地区无粘性土层沉降的观测资料，利用研究取得的渗流引起无粘性土层沉降机理的细观力学分析理论和相应方法，把理论预测的土层沉降结果与实际的观测资料进行对比，为地面沉降灾害的预测和治理提供参考意见。

本项目利用先进的数码摄像可视化跟踪技术和数字信息计算机实时处理技术，进行堤坝的渗透模型试验，摄录土颗粒的移动轨迹，确定形成管涌的临界参数。基于散体介质颗粒流理论及其分析方法等细观力学手段，分析渗流与土介质的共同作用及渗流的贴壁挤土效应，深入研究管涌形成过程的细观力学机理。建立关于管涌形成和发展规律的细观理论模型，利用并开发PFC2D软件对管涌形成与发展过程中土颗粒的移动规律进行细观仿真模拟。结合堤防工程的管涌险情实例进行分析研究，为管涌险情的预测和治理提供参考意见。本研究成果对防洪减灾具有重要意义。 2100433B

《第四纪松散沉积层地下水渗流与地面沉降控制数值模拟》一书从系统观点出发，本书可供地质、交通、市政等相关领域的科技人员和高等院校相关专业的师生参考。