王云龍，郭海朋*，孟靜，陳曄，臧西勝，朱菊艷，樊高棟

（1.中國地質環(huán)境監(jiān)測院，北京10081；2.中國地質科學院地質力學研究所，北京10081；3.中國地質大學（北京），北京10083）

關鍵字：滄州；地面沉降；壓縮變形；固結特征

地面沉降是指由于自然因素或人類工程活動引發(fā)的地下松散巖層固結壓縮并導致一定區(qū)域范圍內地面高程降低的地質現(xiàn)象，是一種緩變性地質災害[1]。目前，包括美國，泰國，意大利在內的60多個國家的許多城市中已發(fā)生地面沉降[2-5]。1920年前后，我國的地面沉降現(xiàn)象首次被發(fā)現(xiàn)于上海、天津等濱?；蚪５貐^(qū)。全國有102個地級以上城市發(fā)現(xiàn)地面沉降現(xiàn)象，包括20個省會級以上城市和計劃單列市[6-9]。地面沉降帶來地面標高缺失、建筑物損壞、水利設施破壞等一系列的環(huán)境地質問題，因此地面沉降相關的研究意義重大[10-13]。

滄州地區(qū)是河北平原地面沉降最嚴重的地區(qū)之一。自1970年至2008年，滄州市最大累計地面沉降量為2.5 m，沉降量大于1 m的面積約占全區(qū)總面積的15%[14-16]。滄州地面沉降主要由深層地下水開采所致，而深層地下水開采量主要集中于第三含水組，該段地層粘性土層的壓縮是造成地面沉降的最主要因素；由于地層中礦物成分以塑性比較大的粘土、粉質粘土為主，容易形成永久性沉降[17-20]。

土是產生地面沉降的物質條件，不同土有不同的特征，其引起的沉降原因也有所區(qū)別，1923年，太沙基從變形試驗中發(fā)現(xiàn)了有效應力原理，提出了一維固結理論，1925年他提出當地下水被開采后，由于水頭下降，原本由孔隙水承擔的壓力逐漸轉變成土體承受的有效應力，土體受壓變形[21]。隨著社會的進步以及計算機的迅速發(fā)展，許多學者進行了相關數值模擬的研究[22-25]，不僅如此，隨著對水資源的使用量大幅增大，對地面沉降機理分析以及對其發(fā)展過程進行準確監(jiān)測的要求也來越高[26-30]。本文選取滄州地區(qū)地面沉降漏斗中心土樣作為研究對象，通過室內常規(guī)物理力學性質及壓縮固結試驗，對土體物理性質、壓縮變形及固結特征進行分析研究，為地面沉降成因規(guī)律研究提供數據支撐。

1 試驗內容及方法

試驗典型土樣取自滄州沉降區(qū)中心附近鉆孔，地質點編號為CSSY-04（圖1），鉆孔共取樣129個，取樣深度3.5 m～398.18 m。對其中較為典型的50個樣品分別作土體的基本物理參數試驗及高壓固結試驗。

圖1 CSSY-04鉆孔所在位置圖Fig.1 The location map of CSSY-04 drilling hole

試驗以《土工試驗方法標準GB/T50123-1999》[31]為依據，按照原狀土室內試驗制備要求，采用快速固結法對先期固結壓力、壓縮系數、壓縮指數等進行測定，固結試驗采用分級加載的方法，加載梯度為Δpi /pi = 1，即施加每級荷載后，試樣變形基本穩(wěn)定（24 h），再施加下一級荷載。試驗裝置0～100 m以內的土樣采用日本圓井MIS-232高壓試驗儀，100 m以下采用70 MPa高壓流變試驗機，試驗過程中保證恒溫恒濕，從而不考慮由于溫度、濕度的變化對土樣變形特性造成的影響，從50 kPa 開始逐級施加壓力到12 800 kPa，分析滄州地區(qū)土層在不同荷載下固結變形的特性。

2 土體物理力學特征分析

由于沉積成因的不同，不同區(qū)域的地層土體呈現(xiàn)出的物理力學性質差異也較大，對滄州地區(qū)土體進行了基本物理力學試驗，主要測得其含水率，密度，比重，孔隙比，塑性指數，液性指數及壓縮系數等，其中孔隙比、含水量、密度反映土體三相組成，塑性指數和比重反映了土體顆粒細微程度以及吸附結合水的能力；液性指數反映了土體的軟硬程度或者抗剪切能力。土樣采集及試驗項目見表1。

2.1 土體物理力學性質指標

測試結果表明，測試土樣的含水率在13.4%～40.5%之間；密度在1.82～2.14 g/cm3之間；比重在2.66～2.76之間，孔隙比在0.37～1.13之間，塑性指數在4.8～22.6之間，液性指數在-0.3～0.93 之間，壓縮系數（a1-2）在0.09～0.43 之間。從圖2可以看出土體的含水量、孔隙比、液性指數、壓縮系數隨著深度增加呈遞減趨勢，密度、比重、塑性指數隨深度增大呈增大趨勢。土體類型對土體的壓縮性以及物理性質有著很大影響，對于同一鉆孔而言，不同類型的土體的可壓縮性基本符合粉質粘土＞粉土＞粘土規(guī)律。

2.2 土體粒度對壓縮性的影響

本次研究土樣以粘土、粉質粘土為主，并有少量粉砂，其中粘土和粉質粘土交替出現(xiàn)。圖3選取了四個土樣進行了級配顆粒分析，其總體上，土樣分布在0.05～0.01 mm區(qū)間段的顆粒比例最大。土樣的不均勻系數較高，大于5 的有46 個樣品（占92%），表明土粒不均勻，而從所有樣品的曲率系數看，介于1～3 之間級配情況相對良好的僅占22%，其余土樣為級配不良，且細粒含量大。研究區(qū)含大量級配不良的細顆粒土成層分布、構成了以松散孔隙介質為主的含水結構，為地下水位下降后的沉降變形提供了潛在條件。

2.3 軟硬狀態(tài)對土體壓縮性的影響

從液性指數與壓縮系數隨深度的變化曲線可以看出，土體的液性指數和壓縮系數隨著深度增大總體趨勢一致，兩者呈正相關關系。根據液性指數大小，對四種狀態(tài)土體的可壓縮性進行了統(tǒng)計分析（表2）。從表2可以看出，隨著液性指數的逐漸減小，壓縮系數逐漸減小，即土體越軟越容易壓縮，土體越硬越難壓縮。在正常狀態(tài)下，土體的軟硬狀態(tài)應和含水率有較大相關性，垂向上應服從含水層、弱透水層的間隔分層特征，整體分布應較均勻，但從試驗結果看，滄州土體主要以固態(tài)和硬塑態(tài)為主，說明土體的壓縮性在經歷了歷史的沉降變形后，已經發(fā)生了較顯著的變化。

表1 土樣采集及試驗項目Tab.1 Soil samples collection and test items

圖2 CSSY-04土體物理參數與壓縮系數隨深度的變化曲線Fig.2 Change curve of CSSY-04 soil physical parameters and compression coefficient with depth

圖3 土樣的顆粒級配曲線Fig.3 Grain gradation curve of soil samples

表2 土體軟硬程度與壓縮系數Tab.2 Soil hardness and compression coefficient

3 土體壓縮性與固結狀態(tài)

3.1 不同深度土體應力-應變關系

以三個典型土樣（原48、原94 和原113）進行分析，對土樣在0～12.8 Mpa 下的土體壓縮變形特征進行了分析（圖4）?？梢钥闯觯孩偻翗幼冃瘟侩S著壓力的增大呈增大的趨勢，在壓力變化的作用下，變形量具有一定的階段性，在4 000 kpa壓力下土體的變形量變化較為劇烈，占到了總變形量的一半以上，且在5 000 kpa 以前變形量與壓力之間基本為拋物線，而5 000 kpa之后，變形量與壓力之間基本呈線性關系。說明土體的壓縮過程是孔隙水排出，土體孔隙減小，顆粒間的排列更為緊密的過程，隨著壓力越大，土體的變形量區(qū)域平緩；②淺層土樣變形量大于深層土樣變形量，是因為淺層土結構較松散，孔隙比大，較容易壓縮，深層土結構較密實，孔隙比較小，難于壓縮。

3.2 壓縮系數規(guī)律研究

3.2.1 不同深度地層壓縮系數隨壓力的變化特征

壓縮系數是反映土體壓縮性大小的指標，壓縮系數越大，土體完成固結所需時間越長，最終沉降量也越大。以三個典型的土樣（原48、原94和原113）進行分析，對土樣在0～12.8 Mpa。不同壓力下的土體壓縮系數進行了分析（圖5）。原48及原113屬于中等壓縮土，原94屬于低壓縮土?？梢钥闯觯孩俨煌疃韧翗拥膲嚎s系數隨壓力的增大總體上呈現(xiàn)減小而后趨于平緩的趨勢，在壓力較小階段, 壓縮系數變化劇烈，其減小幅度變化較大；②淺層土樣壓縮系數曲線均高于深層土樣，說明隨著埋深的增加, 土樣的壓縮系數有逐漸減小的趨勢。

圖4 不同深度土樣變形量隨壓力變化曲線Fig.4 Deformation curve of soil samples at different depths with pressure

圖5 不同深度土樣壓縮系數隨壓力變化曲線Fig.5 Compression coefficient curve of soil samples at different depths with pressure

為了探求壓縮系數和固結壓力的關系，經過多次試算，發(fā)現(xiàn)壓縮系數和固結壓力在雙對數坐標下能呈現(xiàn)出很好的線性關系（圖6）。由此，得出壓縮系數和固結壓力的非線性lga-lgp 模型，其表達式為：lga=B－A·lgp。采用上述模型分析滄州鉆孔的6個試驗數據，并在雙對數坐標下進行線性擬合（圖6），各個試樣對應該模型的參數，結果總結如表3所示?？芍涸嚇幽Ｐ蛿M合相關系數都能達到0.939以上，相關性較好；粉質粘土參數A 的取值變化范圍為0.377～0.607，參數B 的取值變化范圍為-0.593～0.488。粘土及其他試樣太少，有待于對更多樣品的研究，得出更為精細的范圍。

3.3.2 壓縮系數與孔隙比及塑性指數的關系

從三者隨深度變化曲線（圖7）可以看出，土體孔隙比與壓縮系數及塑性指數隨著深度增大三者的走勢基本一致，呈正相關關系，總體來看，土體越松散、密實度越差，土體越容易壓縮；淺部地層正相關性要好于深部地層，這有可能與土體的結構屈服力有關，淺部地層土體結構屈服力相對較小，實驗壓力能夠克服土體的結構屈服力，使土體結構易破壞，而深度地層土體由于結構屈服力較大，且土體固結程度較高，土體難于破壞。

圖6 壓縮系數與固結壓力lga-lgp線性擬合關系Fig.6 Linear fitting relationship between compression coefficient and consolidation pressure lga-lgp

表3 試樣對應的lga-lgp模型參數Tab.3 Parameters of lga-lgp model corresponding to soil samples

圖7 不同深度土樣壓縮系數與孔隙比及塑性指數變化曲線Fig.7 Variation curves of compressibility, void ratio and plasticity index of soil samples at different depths

3.4 不同深度地層的固結狀態(tài)分析

在滄州第四系沉積形成的地質歷史過程中，由于氣候變化、歷經多次海侵事件、風化作用等多種因素，使得該地區(qū)地層存在明顯的固結狀態(tài)差異，這種差異特征可由先期固結壓力Pc表征，Pc即指地層在地質歷史上所受到的最大固結應力。根據Pc值與土體自重應力Po之間的比值關系，可將土的固結狀態(tài)用超固結比ORC描述，即ORC = Pc/Po，并將其分為三類：當ORC＜1時，為欠固結土；當ORC=1時，為正常固結土；當ORC＞1時，為超固結土。

在滄州地區(qū)普遍存在著超固結土。通過對取樣進行高壓固結試驗結果表明（圖8），滄州地區(qū)自0～150 m以內多為正常固結或欠固結土，150 m以下地層普遍為超固結土。隨著埋深增加，土的固結程度亦逐漸增加。

4 結論

土樣試驗結果顯示土樣的各物理指標之間存在明顯的相關性，土體的含水量、孔隙比、液性指數、壓縮系數隨著深度增加呈遞減趨勢，密度、比重、塑性指數隨著深度增加呈遞增趨勢，從顆粒級配分析結果看，有92%的土樣不均勻，易于壓實而形成地面沉降。

圖8 滄州CSSY-4鉆孔Pc與自重應力隨深度變化曲線Fig.8 Variation curve of Pc and self- weight stress with depth in CSSY-4 borehole from Cangzhou

土體的壓縮性隨壓力和深度的變化有很強的規(guī)律性。土樣的壓縮系數隨壓力的增大總體上呈現(xiàn)減小而后趨于平緩的趨勢，且淺層土樣壓縮系數曲線均高于深層土樣。

土層壓縮系數與固結壓力在雙對數坐標下能呈很好的線性關系，得出滄州CSSY-4鉆孔中粉質粘土A、B參數取值范圍：A為0.377～0.607，B為-0.593～0.488。粘土的試樣太少，有待于進一步研究。

滄州市區(qū)土樣超固結比值以埋深150 m左右為界限，其上多為正常固結土與欠固結土，其下普遍分布超固結土。