唐山沿海地区地面沉降现状及发展趋势预测

唐山沿海地区地面沉降现状及发展趋势预测

摘要：根据地面沉降形成机理，结合唐山沿海地区水文地质条件和工程地质条件，对该地区的地面沉降现状进行了分析，并对未来的发展趋势做了初步预测。

关键词：地面沉降、土体变形、有效应力 1、自然地理概况

唐山市位于渤海湾的西北岸，是连接华北、东北地区的咽喉。唐山沿海地处滨海平原，地势低平，海拔0m~36m，坡度1/3000~1/3800。主要包括丰南区、唐海县、滦南县、乐亭四县（区）沿海地区，京唐港、海港开发区、南堡经济开发区、汉沽农场及其以南的滩涂、近浅海地区。地理坐标东经117°51′～119°15′，北纬38°55′～39°30′，面积4980 km2。 2、区域地质环境背景 2.1水文地质条件

唐山沿海地区第四系沉积环境复杂，水文地质条件各地差异性较大。根据含水层岩性粒组韵律，隔水层或弱透水层分布稳定性、水力性质与动态类型的特征，可将该区划分为两个水文地质区，即山前冲洪积倾斜平原水文地质区和滨海冲洪积、海积低平原水文地质区。

2.2工程地质条件

土体是自然历史的产物，是地质历史时期内外营力共同作用的结果。本区从新生代以来，随着整个华北平原大幅度下降，堆积了聚

厚的松散沉积物。

根据研究区特点将研究区地表以下15m深度内地层，按照岩性特征及组合关系，研究区内土体结构均为土体多层结构。“土”包括第四系粘土及砂类土，粘性土包括亚粘土、粘土、淤泥质粘土及人工填土等；砂类土包括粗砂、中砂、细砂、粉砂等。 3、地面沉降形成机理

地面沉降灾害的影响巨大，因此，地面沉降机理的研究早就引起了研究人员的密切注意。早期研究者提出了许多有价值的观点：如构造运动说、地层收缩说和自然压缩说、地面动静荷载说、区域性海平面上升说等。根据大量研究证明，过量开采地下水是地面沉降的外部原因，具有可压缩性粘土层和承压含水层的存在则是地面沉降的内因。所以对唐山沿海地区的土体压缩变形进行深入分析，对于认清该地区地面沉降灾害形成机理具有重要的意义。 3.1 土体变形机理分析

天然土体一般由三相组成，即矿物颗粒构成土骨架，土骨架孔隙内充填水和空气。土体受外力后，土粒和孔隙中的流体均将发生位移，使土体发生变形。由于土粒的移动速度与水流动的速度相比很小，可以忽略。故土的变形性质可从其含水率的变化加以探讨。 根据土的三相组成的相关关系可知： ?????????????????(1) 而

????????????????(2)

故[2]：

???????????????(3) 其中：

w=水的重量；；；；；；；

因为等于土粒容重，所以(1)式可以改写成： ??????????????????(4) 所以： ??(5) 其中：

土粒的重量；分别为水的重度和土颗粒的重度； 孔隙比；饱和度。

土体变形一般由四种原因引起： 1. 饱和度的变化； 2. 孔隙比的变化；

3. 水容重的变化（水的压缩）； 4. 土粒容重的变化。

从式（5）可以看到，如果忽略水容重与土粒容重的微小变化，则土体的孔隙比e与饱和度的变化可能有如下四种组合情况： 1. e和均为常数（稳定渗流或静水情况）； 2. 为常数，e变化（饱和土体的渗流固结）；

3. e为常数，变化（非饱和土体积恒定时的排水或吸水）； 4. e和均变化（非饱和土的压缩或膨胀）。

在地下水抽取中作如下假设： 1. 饱和度；

2. 土颗粒和孔隙水均不可压缩； 3. 土骨架为线、弹性体； 4. 土体变形符合小变形条件；

5. 饱和土体的体积变形有两部分组成：固体骨架的变形和孔隙的变形。即：，假设，则饱和土体的体积变形等于孔隙的变形，所以： ??????????????????(6)

从(6)式可以看出饱和土体的变形主要是由于土体的孔隙变形引起的，这也是多孔介质所特有的。

唐山南部沿海地区广泛分布着第四系松散沉积物，地面沉降的产生主要是由于地下水水位降低导致沉积物的孔隙变形而诱发的一系列因素引起：

1. 由于水位降低导致地下水压强减小，地下水体发生膨胀，释放出一定的水量；

2. 由于地下水压强减小，而上覆荷载并没有发生变化，导致含水层的支撑压强增大，即土体有效应力增大，使得含水层土体被压缩、孔隙减小和含水层厚度变薄，结果贮存于含水层孔隙中的部分水被挤出。

3.2有效应力原理分析

太沙基（k.terzaghi）早在1923年就提出了有效应力原理的基本概念，阐明了碎散颗粒材料与连续固体材料在应力——应变关系上