CN108876918B - 一种高填方黄土体沉降变形预测方法 - Google Patents

一种高填方黄土体沉降变形预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种高填方黄土体沉降变形预测方法主要包括如下步骤：建立高填方黄土体所在区域地下水三维饱和非饱和数值模型，预测区域地下水位以及非饱和带填方黄土体中含水率的变化规律；利用高压固结试验分析黄土体的固结沉降和湿陷沉降特征；综合考虑区域地下水的实时变化规律以及黄土体的固结沉降和湿陷特征，利用编程软件将高填方黄土体所在区域剖分成网格进行沉降量的计算，得到不同时间点区域沉降量的分布图以及某个点沉降量随时间的变化曲线。本发明提出的预测方法考虑了高填方黄土体中地下水的实时变化，时沉降量的预测结果更加精确；同时可以得到各个时间点区域沉降的空间分布图，有利于管理部门更加有效地对土地进行的规划设计。

Description

一种高填方黄土体沉降变形预测方法
技术领域
本发明涉及黄土学及地下水运移技术领域，特别涉及一种高填方黄土体沉降变形预测方法。
背景技术
黄土在我国分布广泛，由于黄土本具有易侵蚀的特性，丘陵沟壑成为其主要的地貌类型，即便在黄土塬区也存在大量大规模的冲沟，并且冲沟的规模也在不断扩大。近年来，随着经济和社会的发展，土地资源日趋紧张。为了满足需要，黄土地区开始出现大规模的填沟平地的工程，产生了大量的高填方黄土体。高填方黄土体的工后沉降对后期土体的利用，尤其是建筑物的稳定性会有极大的影响。所以，如何预测高填方黄土体的工后沉降是该类土地规划的亟待解决的问题。
目前对土体沉降的研究主要集中在原状土体加荷载后产生的沉降，按时间先后一般可分为三种不同的沉降：(1)瞬时沉降，即加载后土体瞬时发生的沉降；(2)主固结沉降，指土体在荷载作用下，超静孔隙水压力消散逐渐转化为有效应力，土骨架产生变形而产生的沉降；(3)次固结沉降，指超静孔隙水压力消散后，在有效应力不变的情况下，土体随时间继续产生的沉降，许多室内试验和现场量测的结果表明，在主固结完成后发生的次固结的大小与时间的关系在半对数坐标图上接近一条直线。对于湿陷性黄土的高填方土体，随着施工后地面水的入渗和地下水位的上升，土体的含水率会发生变化，也会导致黄土的湿陷变形，称其为“湿陷沉降”。固结沉降和湿陷沉降发生时间较长，可能对后续的土地规划造成一定的影响。因此，需要研发一种高填方黄土体的沉降变形预测方法，能够综合考虑高填方黄土体工后的固结沉降和湿陷沉降。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高填方黄土体沉降变形预测方法，从而可以综合考虑黄土体的固结沉降和湿陷沉降，显示高填方土体工后不同时间区域沉降分布情况，为黄土地区填沟平地工程后的土地规划提供重要依据。
为了实现上述目的，本发明采用通过以下技术方案实现：
(1)对场地进行勘察分析，建立场地水文地质概念模型，并对施工前后场地的地下水位以及不同埋藏深度土体的含水率进行长期动态观测。
(2)查清施工前后水文地质参数的分布规律，包括黄土体的孔隙度、给水度、干密度、初始含水率、饱和渗透系数、非饱和渗透参数。
(3)建立场地地下水饱和非饱和数值模型，以第(1)步中地下水位和不同埋藏深度的非饱和带含水率的长期观测数据为依据对模型进行校正和验证。
(4)对施工后地下水位和非饱和带含水率的分布进行预测。
(5)根据施工后填埋黄土体的含水率分布范围，进行相应干密度下不同含水率、不同荷载时的固结试验，分析一定干密度和含水率、不同荷载条件时黄土体压缩变形随时间的变化关系，用于分析上述提到的黄土体的固结沉降；同时分析一定干密度和荷载、不同含水率条件时黄土体的压缩变形随时间的变化关系，用于分析上述提到的黄土体的湿陷沉降。
(6)根据(4)和(5)的分析结果计算不同时间、不同地点高填方土体的地面沉降情况，最后给出工后不同时间时高填方黄土体的沉降量或沉降速率分布图。
所述步骤(2)中，黄土体的孔隙度、给水度、干密度、初始含水率的分布通过施工后在不同取样点通过打钻的方式分层取原状样，并带回室内采用称重法进行测试分析得到；黄土体的饱和渗透系数的分布的获得通过对所取得到大量原状填埋土样进行渗透试验，并结合一些现场渗水试验的结果，利用统计分析和条件模拟法综合分析获得；黄土体的非饱和渗透参数的测定可通过拟合由压力板法、滤纸法等得到的黄土体的土水特征曲线得到。
所述步骤(3)中，地下水流数值模型可以采用现有的Visual MODFLOW和Feflow软件建立。地下水是一个流动的系统，数值模型的范围要在填埋黄土体的基础上向外扩展到自然沟谷或分水岭地带，以获得一个独立的水文地质单元。为了得到更好的模拟效果，数值模型垂向剖分时，在原始地层结构基础上采用水平切片的方式进行剖分；平面上结合区域范围的大小进行合理剖分。
所述步骤(6)中，在平面上采用等间距网格进行剖分，在垂向上采用水平切片的方式进行剖分，通过计算垂向上每个剖分单元的沉降变形量，累计得到该点的累计沉降量。剖分越细，计算精度越高。
本发明提供的一种高填方黄土体沉降变形预测方法主要包括如下步骤：建立高填方黄土体所在区域地下水三维饱和非饱和数值模型，预测区域地下水位以及非饱和带填方黄土体中含水率的变化规律；利用高压固结试验分析黄土体的固结沉降和湿陷沉降特征；综合考虑区域地下水的实时变化规律以及黄土体的固结沉降和湿陷特征，利用编程软件将高填方黄土体所在区域剖分成网格进行沉降量的计算，得到不同时间点区域沉降量的分布图以及某个点沉降量随时间的变化曲线。本发明提出的预测方法考虑了高填方黄土体中地下水的实时变化，时沉降量的预测结果更加精确；另外，沉降量采用网格剖分的方式，可以得到各个时间点区域沉降的空间分布图，有利于管理部门更加有效地对土地进行的规划设计。
附图说明
图1为高填方黄土体沉降变形预测技术路线图；
图2为场地水文地质模型；
图3为施工后离地面不同深度非饱和黄土体含水率随时间的变化曲线；
图4为施工后某一时间填埋土体地下水位的分布规律；
图5为模型层垂向剖分及岩性划分示意图；
图6为高压固结试验沉降量与时间的关系；
图7为高填方黄土沉降量计算路线图；
图8为施工后某一时刻填埋土体沉降量分布预测结果图；
图9为施工后某一地点沉降量随时间的变化曲线。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
本发明的技术路线图如图1所示。下面结合具体实例进一步阐明本发明，实例是黄土梁峁区削掉山顶的黄土将其填到沟里来获得更多平整的土地，在此过程中产生了高填方黄土体。
1、施工后地下水动态变化规律确定
(1)建立施工后地下水水文地质概念模型。
对场地进行勘察分析，建立场地水文地质概念模型，如图2所示。
(2)对施工前后地下水位和包气带含水率的动态变化规律进行监测，用以校正后期建立的地下水流数值模型。
地下水位的监测可以采用已有民井或者钻孔，必要时要打新的钻孔。通过地下水位的监测获得施工前地下水流场的分布情况以及施工后代表点地下水位的动态变化。实例中，施工前地下水为处于稳定状态，在对施工前代表点地下水位进行监测的基础上，建立了场地稳定流数值模型，得到了场地施工前地下流场的分布情况。
包气带含水率的监测通过在土体中埋设探头进行监测，对于高填方土体探头的埋设采用边施工边埋设探头的方式。
(3)查清施工前后场地水文地质参数的分布规律。水文地质参数的获取可以采用野外原位试验、室内试验、室内分析、数值模拟相互支撑、相互印证的方法。
黄土体的孔隙度、给水度、干密度、初始含水率的分布通过施工后在不同取样点通过打钻的方式分层取原状样，并带回室内采用称重法进行测试分析得到；黄土体的饱和渗透系数的分布的获得通过对所取得到大量原状填埋土样进行渗透试验，并结合一些现场渗水试验的结果，利用统计分析和条件模拟法综合分析获得；黄土体的非饱和渗透参数的测定可通过拟合由压力板法、滤纸法等得到的黄土体的土水特征曲线得到，同时可以采用条件模拟法对所测参数进行验证。
(4)预测施工后地下水位和含水率的变化规律
建立场地饱和非饱和地下水流数值模型，预测离地面不同深度非饱和黄土体含水量随时间的变化曲线，图3所示，显示了非饱和带不同深度的代表点土体含水率随时间的变化图；同时，预测施工后不同时间填埋土体地下水位的分布规律，图4所示，施工后某一时间地下水位的空间分布图。
实例中地下水流数值模型采用现有的Visual MODFLOW软件建立。由于原始地形起伏较大，原始地下水埋深变化也较大，为了更好的刻画地下水的变化情况，垂向剖分时采用水平切片的方式，如图5所示，剖分层数结合研究总厚度以及计算机的承受能力确定，剖分层数越多刻画的越细致。
2、填埋黄土体固结沉降和湿陷沉降变形规律
填埋黄土体固结沉降和湿陷沉降变形规律通过不同含水率、不同压力下的高压固结试验分析得到，分析一定干密度和含水率、不同荷载条件时黄土体压缩变形随时间的变化关系，用于分析上述提到的黄土体的固结沉降；同时分析一定干密度和荷载、不同含水率条件时黄土体的压缩变形随时间的变化关系，用于分析上述提到的黄土体的湿陷沉降。如图6，显示了干密度为1.55g/cm3、含水率为14％的填埋黄土体压缩系数随时间的变化曲线，为后期场地沉降量的计算奠定了基础。
3、高填方黄土体沉降量的预测
由于挖方区土体本身结构比较稳定，并且实例中水位变化不大，上覆土体厚度也由于土方开挖有一定的减少，基本不会发生沉降变形，所以本实例中只考虑填方区填埋土体的沉降变形。根据上述高填方黄土体中含水率的分布规律、地下水位的分布及其压缩变形特征，采用Visual Basic语言编程的方法进行计算，算法路线图见图7，具体步骤如下：
(1)将计算区域在平面上进行剖分，在平面上采用正交网格进行剖分(具体剖分长度根据研究区的大小而定，本实例中剖分长度为40×40m)，并分选出填方区；
(2)对原地形和施工后的地形进行插值，得到每个剖分网格原地形高程、填埋后的高度及填土高度，并在垂向上自上而下一定厚度剖分成一层(本实例中每2m剖分为一层)，将每个网格剖分成若干不等数量的单元格；
(3)根据填埋土体含水率的分布规律以及地下水位的变化规律，分表层、中间层、毛细带和饱和带计算不同时刻各个单元格中心点的的体积含水率，并将其换算为质量含水率，以代表整个单元格的含水率；
(4)根据公式P＝ρd(1+ω)gD计算各单元格中心处所受的上覆土体的压力，并结合其质量含水率，根据不同含水率不同压力下土体的压缩变形系数，按照公式hi＝δp·Hi0计算各单元格土体的沉降变形量(公式中P为压力(kPa)；ρd为土的干密度(g/cm3)；ω为土的质量(g)；g为重力常数，为9.8N/kg；D上覆土体厚度(m)；hi为土体压缩变形量(m)；δp为压缩变形系数；Hi0土体压缩前的高度(m))；
(5)将各个网格垂向上各单元格的沉降变形量进行叠加，得到不同时刻整个区域的沉降量；
(6)对施工后高填方黄土的高程进行一段时间的监测，利用监测数据对计算方法的精度进行验证；
(7)利用软件绘制区域各个时刻的沉降量分布图(如图8)，同时也可以绘制某一点的沉降量随时间的变化曲线(如图9)。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种高填方黄土体沉降变形预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：建立地下水三维饱和非饱和数值模型，预测黄土体中地下水位和非饱和带中含水率的分布规律；
步骤二：采用高压固结仪测定不同时间、不同压力、不同含水率下黄土体的压缩系统，分析黄土体的固结沉降和湿陷沉降规律；
步骤三：预测高填方黄土体的沉降量；
所述步骤三中高填方黄土体沉降量的预测采用区域沉降量计算和采用空间剖分的方式，得到不同时刻的沉降量的空间分布图；
所述步骤三包括如下步骤：
C1、将计算区域在平面上进行剖分，在平面上采用正交网格进行剖分，并分选出填方区；
C2、对原地形和施工后的地形进行插值，得到每个剖分网格原地形高程、填埋后的高度及填土高度，并在垂向上自上而下一定厚度剖分成一层，将每个网格剖分成若干不等数量的单元格；
C3、根据填埋土体含水率的分布规律以及地下水位的变化规律，分表层、中间层、毛细带和饱和带计算不同时刻各个单元格中心点的体积含水率，并将其换算为质量含水率，以代表整个单元格的含水率；
C4、根据公式P＝ρd(1+ω)gD计算各单元格中心处所受的上覆土体的压力，并结合其质量含水率，根据不同含水率不同压力下土体的压缩变形系数，按照公式hi＝δp·Hi0计算各单元格土体的沉降变形量；式中P为压力，ρd为土的干密度，ω为土的质量，g为重力常数，D上覆土体厚度，hi为土体压缩变形量，δp为压缩变形系数，Hi0土体压缩前的高度；
C5、将各个网格垂向上各单元格的沉降变形量进行叠加，得到不同时刻填方区的沉降量；
C6、对施工后高填方黄土的高程进行一段时间的监测，利用监测数据对高填方黄土沉降量预测的方法的精度进行验证；
C7、绘制填方区各个时刻的沉降量分布图，同时绘制某一点的沉降量随时间的变化曲线。
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