沈星宇，張二蒙，費(fèi) 宇，蓋秋凱，曹光明

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083)

0 引 言

覆巖移動(dòng)變形造成區(qū)域建筑物損壞，探究區(qū)域內(nèi)淺部巖層協(xié)同變形有助于地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)、降低沉陷異常區(qū)拓展[1-2]?；魻栃梁彰旱V采用工程類比法留設(shè)了較為安全的保護(hù)煤柱，而回采后的地表移動(dòng)變形仍然大于預(yù)計(jì)值，部分村莊出現(xiàn)房屋損壞現(xiàn)象。究其原因?yàn)槌Ｒ?guī)的地表移動(dòng)變形參數(shù)對(duì)于該礦地表下沉預(yù)計(jì)不能完全適用，需對(duì)造成此類地表沉陷區(qū)異常擴(kuò)展的原因及影響因素進(jìn)行分析。

針對(duì)地表沉陷問(wèn)題，相關(guān)學(xué)者提出各種地表移動(dòng)變形破壞預(yù)測(cè)手段[3-5]，主要的方法有經(jīng)驗(yàn)分析法、概率積分法、影響函數(shù)法[6-9]。曹麗文等[10]利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)定量預(yù)測(cè)了煤礦的開(kāi)采沉陷。趙高博等[11]對(duì)厚松散層高強(qiáng)度開(kāi)采引起的巖層與地表移動(dòng)進(jìn)行了研究,并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值和數(shù)值模擬得出巖體與地表移動(dòng)邊界最終呈現(xiàn)出“類沙漏”形的結(jié)論。文獻(xiàn)[12-14]研究發(fā)現(xiàn)含水層壓縮主要造成的是地表沉陷中豎直方向的壓縮，并由此提出厚松散層條件下，應(yīng)當(dāng)按照土層埋深和沉積年代分段劃分松散層移動(dòng)角量。并且采用了離散元法，計(jì)算得到厚松散層厚度越大，移動(dòng)角越小的結(jié)論。文獻(xiàn)[15-16]利用Weibull時(shí)間序列函數(shù)模型對(duì)松散層運(yùn)動(dòng)沉降過(guò)程進(jìn)行了研究，并分為了3個(gè)階段，解釋了兗州礦區(qū)沉降規(guī)律。易四海等[17]采用數(shù)值模擬的手段，解釋了厚松散層條件下開(kāi)采地表下沉系數(shù)偏大的機(jī)理，強(qiáng)調(diào)了基巖對(duì)地表沉陷的主導(dǎo)作用，但是未考慮松散層內(nèi)部變形特征帶來(lái)的影響。針對(duì)土體發(fā)生滲透破壞流動(dòng)現(xiàn)象，許延春[18]設(shè)計(jì)了砂土流動(dòng)性試驗(yàn)，研究了含黏砂土的流動(dòng)性，得出含黏砂土具有滲漏自愈性的結(jié)論。LSRAR等[19]引入應(yīng)力折減系數(shù)，考慮土體內(nèi)部顆粒間摩擦，建立土體滲透破壞理論模型，并給出相應(yīng)滲透破壞水力坡降計(jì)算公式。目前，對(duì)于淺部砂層在地表沉陷中特殊運(yùn)移特征鮮有研究。

筆者針對(duì)霍爾辛赫煤礦地表沉陷異常問(wèn)題，采用物理相似試驗(yàn)研究了受采動(dòng)影響后的淺部飽水砂層和其上覆黏土層流動(dòng)性的協(xié)同變形情況，再通過(guò)FLUENT數(shù)值方法對(duì)物理試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，研究了上覆黏土層形態(tài)和應(yīng)力變化過(guò)程，分析地表移動(dòng)變形異常機(jī)理，并總結(jié)了黏土層平錯(cuò)和局部隆起形成規(guī)律。本試驗(yàn)可供相似地質(zhì)條件的地表移動(dòng)變形研究參考。

1 平錯(cuò)隆起試驗(yàn)原理與參數(shù)

1.1 試驗(yàn)原理

霍爾辛赫煤礦3205工作面地表淺部存在近水平飽水砂層，其上下被厚層黏土加持。工作面回采后，由于采動(dòng)的影響，高潛水位的砂層在水平方向產(chǎn)生不同沉降，造成了砂層的傾斜，在其兩端產(chǎn)生水頭差，使得該砂層可能具有流動(dòng)性。如圖1所示，AB兩端產(chǎn)生水頭差，地下水面高度由原來(lái)h1降到h2。

圖1 飽水砂層采動(dòng)變化Fig.1 Mining variation of water saturated sand layer

造成地表移動(dòng)盆地形成過(guò)程中巖層水平錯(cuò)動(dòng)不同步，位于水平移動(dòng)盆地拐點(diǎn)處的層間出現(xiàn)非連續(xù)性水平變形，巖層移動(dòng)發(fā)展至地表，導(dǎo)致地表局部開(kāi)裂和隆起。

如圖2所示，為剛達(dá)到充分采動(dòng)時(shí)水平煤層地表移動(dòng)變形，以圖2中左半部分為研究對(duì)象。A點(diǎn)為下沉盆地邊界點(diǎn)，下沉值為0。B點(diǎn)為水平變形曲線0點(diǎn)，C點(diǎn)為傾斜曲線極值點(diǎn)，其垂線與B點(diǎn)相交。E點(diǎn)為CB延長(zhǎng)線交于土層的點(diǎn)，位于在煤壁前方(采空區(qū)側(cè))，并且E點(diǎn)下沉值接近最大下沉值的一半。O點(diǎn)為下沉盆地中心點(diǎn)，下沉值最大，D點(diǎn)為O點(diǎn)在AB直線上的投影點(diǎn)。

圖2 水平煤層地表移動(dòng)變形Fig.2 Surface movement and deformation map of horizontal coal seam

水平變形曲線經(jīng)過(guò)B點(diǎn)，水平變形由正變?yōu)樨?fù)，說(shuō)明AE段為拉伸區(qū)域，EO段為壓縮區(qū)域。傾斜曲線經(jīng)過(guò)C點(diǎn)后，CD段曲線下降速度快于AC段曲線上升速度，說(shuō)明AE段長(zhǎng)度比EO段長(zhǎng)度大，即土層受拉伸區(qū)域比受壓縮區(qū)域大。在AF近水平段為平衡區(qū)。上覆黏土層與砂層產(chǎn)生相對(duì)位移，在下沉盆地平衡區(qū)和拉伸區(qū)分界點(diǎn)F處易發(fā)生拉伸破壞，使得地表出現(xiàn)裂隙。

試驗(yàn)以該飽水砂層為研究對(duì)象，先通過(guò)測(cè)量砂的自然安息角以及計(jì)算其臨界水力坡降，來(lái)研究分析自然安息角和臨界水力坡降對(duì)飽和砂、黏土流動(dòng)性的影響。通過(guò)在試驗(yàn)裝置內(nèi)分層裝填混凝土、砂和黏土來(lái)模擬淺部基巖、砂層、黏土層，在試驗(yàn)裝置前端進(jìn)行注水加壓模擬砂層傾斜產(chǎn)生的水頭差。以飽和砂的自然安息角和臨界水力坡降設(shè)定試驗(yàn)條件，使模擬試驗(yàn)中砂層移動(dòng)、流砂移動(dòng)，在砂層和黏土層存在速度差的情況下通過(guò)砂層顆粒間摩擦力使黏土層發(fā)生移動(dòng)，試驗(yàn)中觀察黏土層和砂層的形態(tài)變化來(lái)研究黏土層隆起、平錯(cuò)產(chǎn)生機(jī)理。

1.2 試驗(yàn)方案與參數(shù)

1.2.1 試驗(yàn)方案

此次試驗(yàn)分為物理相似模擬試驗(yàn)和數(shù)值模擬試驗(yàn)，共設(shè)置黏土層厚度和主體模型角度2個(gè)變量，模擬在采動(dòng)的影響下，不同厚度的上覆黏土層以及變化的砂層傾角對(duì)黏土層平錯(cuò)距離和隆起長(zhǎng)度的影響。試驗(yàn)前對(duì)主體模型注水加壓，以達(dá)到砂層臨界水力坡降，在不同黏土層厚度的條件下，調(diào)節(jié)主體模型角度并觀察黏土層和砂層的變化情況并記錄時(shí)間，記錄黏土層隆起長(zhǎng)度和平錯(cuò)距離。試驗(yàn)對(duì)3種厚度的黏土層、3種角度的主體模型進(jìn)行正交試驗(yàn)，共9種方案。具體試驗(yàn)方案見(jiàn)表1。

表1 黏土層隆起、平錯(cuò)試驗(yàn)

1.2.2 試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)

為使試驗(yàn)結(jié)果明顯且材料制備便捷，砂層選擇粒徑較大的中砂進(jìn)行研究。

1)臨界水力坡降。水力坡降為含水層兩點(diǎn)間的水頭差與距離之比，可通過(guò)式(1)計(jì)算。

(1)

式中：i為水力坡降，m；Δh為含水層兩點(diǎn)間的水頭差，m；L為含水層兩點(diǎn)間的長(zhǎng)度，m。

根據(jù)土力學(xué)理論，當(dāng)含水層水位達(dá)到一定的高度時(shí)，向上的滲透力克服了向下的重力，土體就要發(fā)生浮起或破壞，俗稱流土[20]。土體發(fā)生流土的水力坡降，為臨界水力坡降?？赏ㄟ^(guò)式(2)計(jì)算。

(2)

其中：icr為臨界水力坡降，m；Gs為土粒的比重；e為土粒的孔隙比。Gs本試驗(yàn)中取2.66，e取0.4。綜合上述公式計(jì)算可得中砂臨界水力坡降為1.19 m。

2)自然安息角。為了初步確定主體模型中可以發(fā)生水砂運(yùn)移現(xiàn)象時(shí)的角度，需要確定中砂自然安息角，分別取中砂倒入小紙杯中壓實(shí)，用透明有機(jī)玻璃板蓋住杯口，按住并翻轉(zhuǎn)紙杯，緩慢拿掉紙杯使紙杯中的砂子流出，測(cè)量沙堆的高和寬，經(jīng)過(guò)計(jì)算得出飽和中砂自然安息角，結(jié)果如下：

2 黏土層平錯(cuò)隆起試驗(yàn)

2.1 物理相似模擬試驗(yàn)

2.1.1 物理相似模擬裝置

所研發(fā)的一種模擬飽和砂、黏土平錯(cuò)試驗(yàn)裝置主要由注水系統(tǒng)、主體模型試驗(yàn)臺(tái)和排水系統(tǒng)3部分組成。①注水加壓系統(tǒng)：注水加壓系統(tǒng)主要由1個(gè)長(zhǎng)500 mm，直徑150 mm的有機(jī)玻璃圓柱體和塑料水管構(gòu)成。②主體模型試驗(yàn)臺(tái)：主體模型試驗(yàn)臺(tái)主要由長(zhǎng)1 000 mm寬和高200 mm有機(jī)玻璃U型槽、有機(jī)玻璃端蓋、橡膠密封圈、加強(qiáng)筋、螺栓及螺母，以及底部有可調(diào)節(jié)角度的底座組成。③排水系統(tǒng)：通過(guò)主體模型試驗(yàn)臺(tái)側(cè)部的有機(jī)玻璃端蓋通過(guò)端蓋上面的出水口通過(guò)塑料水管連接集水器構(gòu)成排水系統(tǒng)。上述模擬飽和砂、黏土平錯(cuò)試驗(yàn)裝置如圖3所示。

1—注水裝置；2—塑料管；3—端蓋；4—主體模型；5—螺栓；6—兩端帶法蘭的有機(jī)玻璃U型槽；7—加強(qiáng)筋；8—黏土層；9—橡膠墊片；10—砂層；11—基巖；12—可調(diào)節(jié)角度底座；13—集水箱圖3 試驗(yàn)裝置Fig.3 Experimental device diagram

主體模型內(nèi)需按照?qǐng)D3所示方式分層裝填混凝土、中砂和黏土來(lái)模擬淺部基巖、砂層、黏土層。經(jīng)過(guò)配比試驗(yàn)，確定混凝土制作所用水泥、砂子及水的質(zhì)量比為6∶2∶1。將按上述比例配好的混凝土倒入模具，搗實(shí)后將其放于通風(fēng)良好的地方靜置一段時(shí)間。通過(guò)用粒徑為0.5 mm和0.35 mm的篩子制備中砂，把中砂平鋪在混凝土上層。最后經(jīng)過(guò)配比試驗(yàn)，確定最上層黏土層黏土、砂子質(zhì)量比為3∶1。

2.1.2 物理相似模擬試驗(yàn)流程

試驗(yàn)前按照上述方式搭建好模擬裝置。每次試驗(yàn)共注水10 000 mL，開(kāi)始緩慢注水黑紅閥門半開(kāi)，使砂層充分吸水，當(dāng)水從出水口穩(wěn)定流出時(shí)記錄時(shí)間，此時(shí)砂層達(dá)到飽水狀態(tài)，開(kāi)始調(diào)節(jié)底座支架并觀察黏土層和砂層的變化情況并記錄時(shí)間，記錄黏土層隆起長(zhǎng)度和平錯(cuò)距離。同一黏土層厚度，進(jìn)行3組不同主體模型角度下的試驗(yàn)，然后改變黏土層厚度，以控制變量。

2.2 數(shù)值模擬方法及模型

2.2.1 數(shù)值模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

VOF模型是FLUENT多相流模型的一種。VOF模型中，在整個(gè)計(jì)算域內(nèi)求解單一動(dòng)量方程，所得到的速度場(chǎng)被所有相共用。在整個(gè)區(qū)域中求解每個(gè)計(jì)算單元中相的體積分?jǐn)?shù)。由于黏土、砂為分層流動(dòng)，存在明顯分界面，便于觀察黏土層和砂層的變化情況，故采用瞬態(tài)VOF模型進(jìn)行多相流模擬。在前處理器ICEM中建立試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并?duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分,生成FLUENT可識(shí)別的msh文件。該模型長(zhǎng)1 000 mm，寬170 mm，在距底部30 mm處劃分黏土和砂的分界面，整個(gè)模型共劃分為26 793個(gè)單元，共有25 800個(gè)節(jié)點(diǎn)。數(shù)值模擬計(jì)算網(wǎng)格剖分如圖4所示。

圖4 數(shù)值模擬網(wǎng)格剖分Fig.4 Mesh generation of numerical simulation

數(shù)值模擬假設(shè)包括：①巖層是連續(xù)、不可壓縮、均質(zhì)且各向同性；②壁面不透水且對(duì)固體顆粒無(wú)吸附作用；③液態(tài)水從入口流入，且平行于模型主體。

2.2.2 數(shù)值模擬試驗(yàn)參數(shù)

設(shè)定在初始化充滿空氣的模型中，按順序添加上砂層和黏土層2個(gè)相，按照物理相似模擬試驗(yàn)設(shè)定材料參數(shù)，黏土層厚度按照試驗(yàn)方案設(shè)定。重力加速度g=9.8 m/s2，通過(guò)改變重力場(chǎng)中各分力的大小來(lái)模擬模型不同角度下的移動(dòng)變形情況。根據(jù)式(1)，設(shè)定入口水壓力為0.015 MPa，達(dá)到砂層臨界水力坡降。混合壓力出口，設(shè)定無(wú)滑動(dòng)wall范圍為位移邊界條件。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

初始狀態(tài)下砂層和黏土層之間無(wú)相對(duì)位移，表面平整，以模擬煤層開(kāi)采前的狀態(tài)，如圖5所示。為了便于觀察黏土層的形態(tài)變化情況，數(shù)值模擬結(jié)果在主體模型的前端和后端設(shè)置局部放大區(qū)域。

圖5 數(shù)值模擬初始狀態(tài)Fig.5 Initial state of numerical simulation

3.1 隆起結(jié)果

入口水壓力為0.015 MPa，t=40 s時(shí)停止運(yùn)算，觀察黏土層隆起現(xiàn)象。數(shù)值模擬結(jié)果隆起局部放大如圖6所示。

圖6 黏土層隆起局部放大Fig.6 Enlarged view of local uplift of clay layer

1)黏土層的移動(dòng)變形是重力和滲透力共同作用的結(jié)果，只有在靜水壓力作用下，砂層達(dá)到臨界水力坡降才會(huì)使砂層上部分產(chǎn)生流砂，流砂層和黏土層產(chǎn)生流速差，出現(xiàn)黏土層平錯(cuò)和隆起現(xiàn)象。從試驗(yàn)1、4、7可知，主體模型在未達(dá)到砂層自然安息角的條件下，黏土層出現(xiàn)了平錯(cuò)、隆起現(xiàn)象，可知自然安息角不能作為黏土層平錯(cuò)、隆起的主導(dǎo)因素。

2)通過(guò)對(duì)比不同主體模型角度條件下的模擬結(jié)果可知，黏土層厚度一定時(shí)，隆起長(zhǎng)度隨角度增加而增大，說(shuō)明當(dāng)角度增大時(shí)，重力平行模型向下的分力增大，使其產(chǎn)生更大位移，在模型后段堆積形成的局部隆起范圍增大。

3)通過(guò)對(duì)比黏土層厚度為30、50、70 mm的模擬結(jié)果可知，當(dāng)主體模型角度一定時(shí)，黏土層厚度越薄，其終態(tài)變形量越大，隆起長(zhǎng)度越大，當(dāng)厚度增加時(shí)，受自身重力的影響，隆起長(zhǎng)度減小。可知上覆黏土層較薄時(shí)，其狀態(tài)不穩(wěn)定，易發(fā)生移動(dòng)變形破壞。

4)主體模型后端隆起最高處，不同條件下黏土層與砂層隆起高度對(duì)比情況，如圖7所示。

圖7 黏土層與砂層隆起高度對(duì)比Fig.7 Comparison of uplift height between clay layer and sand layer

對(duì)比可以得出，主體角度一定時(shí)，黏土層厚度越薄，總體隆起高度比較低，砂層所占比率較大，此時(shí)砂層所受上覆壓力較小，易發(fā)生移動(dòng)變形，隨著厚度的增加，砂層高度逐漸減小，黏土層逐漸成為決定終態(tài)總體隆起高度的主導(dǎo)因素。黏土層厚度一定時(shí)，隨著主體模型的角度增加，黏土層和砂層的高度均增加，砂層高度最大增加量為20 mm，但黏土層厚度較大時(shí)，角度對(duì)砂層高度影響較小。

5)物理相似模擬試驗(yàn)現(xiàn)象如圖8所示。同數(shù)值模擬現(xiàn)象相同，在主體模型后端出現(xiàn)局部隆起現(xiàn)象，用直尺量取隆起長(zhǎng)度并記錄。

圖8 物理試驗(yàn)隆起現(xiàn)象Fig.8 Uplift phenomenon in physical experiment

根據(jù)物理試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果，繪制出黏土層不同厚度條件下，隆起長(zhǎng)度隨主體角度變化對(duì)比曲線，如圖9所示。

圖9 隆起長(zhǎng)度隨主體角度變化Fig.9 Uplift length changing with main body angle

通過(guò)圖9可以得到，數(shù)值模擬與物理試驗(yàn)結(jié)果大致相似，變化趨勢(shì)基本吻合，模擬值普遍大于試驗(yàn)值，黏土層厚度和主體模型角度均與隆起長(zhǎng)度呈正相關(guān)性，主體模型角度對(duì)黏土層隆起長(zhǎng)度影響更大。

3.2 平錯(cuò)結(jié)果

入口水壓力為0.015 MPa，t=40 s時(shí)停止運(yùn)算，觀察黏土層平錯(cuò)現(xiàn)象。數(shù)值模擬結(jié)果平錯(cuò)局部放大如圖10所示。

圖10 黏土層平錯(cuò)局部放大Fig.10 Enlarged view of local dislocation of clay layer

1)從試驗(yàn)1、4、7可知，同隆起現(xiàn)象相同，在主體模型未達(dá)到自然安息角的條件下，黏土層出現(xiàn)了平錯(cuò)現(xiàn)象。說(shuō)明在重力和滲透力2種體力作用下，砂層與上覆黏土層產(chǎn)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)。在靜水壓力未達(dá)到水力坡降時(shí)，砂層達(dá)到自然安息角只沿厚度方向在砂層內(nèi)部發(fā)生線性錯(cuò)動(dòng)，砂層上下面出現(xiàn)錯(cuò)動(dòng)值，使黏土層移動(dòng)，但移動(dòng)量較小，無(wú)明顯平錯(cuò)現(xiàn)象；達(dá)到水力坡降時(shí)，砂層活化產(chǎn)生流砂現(xiàn)象，黏土層平錯(cuò)值會(huì)增大。

2)通過(guò)對(duì)比不同主體模型角度條件下的模擬結(jié)果可知，黏土層厚度一定時(shí)，平錯(cuò)距離隨主體模型角度增加而增大，說(shuō)明當(dāng)主體模型角度增大時(shí)，由于重力平行模型向下的分力增大，使其更易發(fā)生平錯(cuò)，且終態(tài)平錯(cuò)距離變大。

3)通過(guò)對(duì)比黏土層厚度為30、50、70 mm的模擬結(jié)果可知，當(dāng)主體模型角度一定時(shí)，黏土層平錯(cuò)距離隨黏土層厚度增大而增大，說(shuō)明當(dāng)黏土層厚度增加時(shí)，由于自身重力增大，導(dǎo)致平錯(cuò)方向的力增大，使其更易發(fā)生平錯(cuò)，且終態(tài)平錯(cuò)距離變大。

4)物理相似模擬試驗(yàn)現(xiàn)象如圖11所示。同數(shù)值模擬現(xiàn)象相同，在主體模型前端出現(xiàn)平錯(cuò)現(xiàn)象，用直尺量取平錯(cuò)距離并記錄。

圖11 物理試驗(yàn)平錯(cuò)現(xiàn)象Fig.11 Dislocation phenomenon in physical experiment

根據(jù)物理試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果，繪制出黏土層不同厚度條件下，平錯(cuò)距離隨主體角度變化對(duì)比曲線，如圖12所示。

圖12 平錯(cuò)距離隨主體角度變化Fig.12 Dislocation distance changing with main body angle

通過(guò)圖12可得，數(shù)值模擬與物理試驗(yàn)結(jié)果大致相似，變化趨勢(shì)基本吻合，模擬值普遍大于試驗(yàn)值，同隆起現(xiàn)象相同，黏土層厚度和主體模型角度均與平錯(cuò)距離呈正相關(guān)性，主體模型角度對(duì)黏土層平錯(cuò)距離影響更為明顯。說(shuō)明飽水砂層受采動(dòng)下沉和傾斜成為流砂后，采動(dòng)持續(xù)影響下，砂層傾角的持續(xù)增大，成為層間錯(cuò)動(dòng)加大、水平移動(dòng)增加和地表沉陷影響范圍擴(kuò)大的主導(dǎo)因素。

3.3 應(yīng)力變化規(guī)律

仿真試驗(yàn)的壓應(yīng)力場(chǎng)分布可作為解釋模型試驗(yàn)臺(tái)黏土層移動(dòng)變形過(guò)程的依據(jù)，結(jié)合特征點(diǎn)應(yīng)力隨時(shí)間變化規(guī)律，用以分析黏土層平錯(cuò)、隆起現(xiàn)象形成過(guò)程，可明確結(jié)果中出現(xiàn)的特殊現(xiàn)象機(jī)理。選取模型x=1，y=0處的特征點(diǎn)，該點(diǎn)在模型隆起范圍之內(nèi)且應(yīng)力變化明顯，具有針對(duì)性。在此處布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，繪制不同黏土層厚度以及主體模型角度應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線，如圖13所示。

圖13 應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線Fig.13 Stress change with time

1)隨著平錯(cuò)、隆起現(xiàn)象的產(chǎn)生，應(yīng)力隨時(shí)間不斷增大，t=20 s時(shí)，應(yīng)力曲線開(kāi)始趨于平緩，此時(shí)隆起現(xiàn)象明顯，基本達(dá)到最大隆起高度，t=40 s時(shí)，應(yīng)力達(dá)到最大，黏土層30 mm時(shí)，最大應(yīng)力分別為1 650、2 012、2 391 Pa，黏土層50 mm時(shí)，最大應(yīng)力分別為1 760、2 165、2 515 Pa，黏土層70 mm時(shí)，最大應(yīng)力分別為1 912、2 399、2 784 Pa。

2)由初始狀態(tài)到終態(tài)，不同主體角度模型之間，應(yīng)力差逐漸增大，黏土層30 mm時(shí)差值增加量最大，增加近4倍，說(shuō)明主體角度變化對(duì)隆起范圍影響明顯；黏土層厚度一定時(shí)，同一時(shí)刻，隨著主體角度的增大，應(yīng)力逐漸增大，可知主體角度越大，隆起的范圍和高度越大，且因?yàn)樯皩恿魉僮兛?，隆起變形速率加快?/p>

3)通過(guò)對(duì)比上組曲線圖，同一時(shí)刻，相同主體角度條件下，黏土層厚度與應(yīng)力呈正相關(guān)性，但隨著厚度增加，應(yīng)力曲線斜率減小，可知黏土層越厚，越不易發(fā)生移動(dòng)變形破壞，黏土層終態(tài)隆起高度增加，隆起范圍逐漸減小。

4 結(jié) 論

1)研發(fā)了一種室內(nèi)研究淺部飽水砂層和上覆黏土層協(xié)同移動(dòng)變形規(guī)律的物理模擬試驗(yàn)裝置，結(jié)合數(shù)值仿真模擬，形成了一種研究黏土層平錯(cuò)以及局部隆起的方法。

2)通過(guò)測(cè)定砂的自然安息角以及計(jì)算其臨界水力坡降，研究了對(duì)飽和砂、黏土流動(dòng)性的影響。結(jié)果顯示，自然安息角不能作為黏土層平錯(cuò)、隆起的主導(dǎo)因素；黏土層的移動(dòng)變形是重力和滲透力共同作用的結(jié)果，只有在靜水壓力作用下，砂層達(dá)到臨界水力坡降才會(huì)使砂層活化流動(dòng)，流砂層和黏土層產(chǎn)生流速差，出現(xiàn)黏土層平錯(cuò)和隆起現(xiàn)象。

3)主體模型角度一定時(shí)，黏土層厚度越小越易發(fā)生移動(dòng)變形破壞，局部隆起長(zhǎng)度越大，但終態(tài)隆起高度比較低；當(dāng)黏土層厚度增加時(shí)，隆起范圍減小，平錯(cuò)距離變大；黏土層厚度一定時(shí)，黏土層隆起長(zhǎng)與平錯(cuò)距離都與主體模型角度呈正相關(guān)性，且隨角度的增加，變形速率逐漸加快。

4)飽水砂層成為流砂后，采動(dòng)持續(xù)影響下，砂層傾角的持續(xù)增大，成為層間錯(cuò)動(dòng)加大、水平移動(dòng)增加和地表沉陷影響范圍擴(kuò)大的主導(dǎo)因素。