濟寧城區地面沉降固結特性分析及壓縮層組劃分

韓飛，韓紅梅，鄒連慶

(1.濟寧市土地綜合整治中心，山東 濟寧 272000；2.山東省地質環境監測總站，山東 濟南 250000)

0 引言

濟寧城區已經開展過多次地面沉降水準測量工作[1-3]，為了進一步建設完善的地面沉降監測網絡和監測標組[4]，繼續查明濟寧城區巖土體的工程地質特性和地面沉降發生機理，在城區北部和南部施工2處地質勘查鉆孔(圖1)。終孔后進行綜合物探測井，并進行了大量的巖土工程試驗。

固結特性和地面沉降壓縮層組的劃分是開展地面沉降分層監測、地質模型概化和工程地質研究的重要基礎[5-7]。該文將基于鉆孔Z1，Z2沉積物的物理力學相關試驗，綜合分析研究區地層的物理特征、塑性特征和壓縮特征，計算有效自重壓力和前期固結壓力，判斷地層固結狀態，研究地層物理力學特性變化與地面沉降的相關聯系，并進行地面沉降壓縮層組的劃分。

1—濟寧城區;2—微弱切割丘陵區;3—沖洪積山間平原區；4—黃河沖積微傾斜低平原區;5—沖洪積山前傾斜平原區;6—沖洪積扇;7—鉆孔圖1 濟寧區域地貌圖

1 區域地貌及地層

工作區位于魯中山區西南部山前傾斜平原和黃河沖積平原區的交界位置。總體地勢東高西低，北高南低，向西南方向微傾斜。受汶河沖洪積扇和泗河沖洪積扇迭加影響，并與黃河沖積物交迭，堆積了較厚的第四系-新近系松散巖(土)層，厚度受下伏基巖起伏影響(圖1)。

周邊區域地層由老到新主要有寒武-奧陶系、石炭-二疊系、侏羅系、新近系、第四系和巖漿巖。新近系以下基巖地層以侏羅系上統淄博群三臺組紫紅色砂巖為主；城區南部和西部局地小范圍有燕山期巖漿巖侵入；城區北部分布石炭-二疊系砂頁巖，夾有煤層和薄層石灰巖。第四系松散層自下向上依次為更新統平原組、全新統黑土湖組、黃河組，厚度以更新統平原組為主，分布不均，在100～300m之間[8-13]。

2 水文地質條件

濟寧城區松散巖類孔隙水可以劃分為淺層潛水—微承壓水和深層承壓水兩個含水巖組。

淺層潛水—微承壓水含水巖組埋深在70m以內，含水層以第四系更新統地層中的粉細砂、中細砂為主，分選性、磨圓度較好，為汶泗河沖洪積層，砂層分布不均勻，一般2～3層，單層厚度0.8～8.5m，連續性差，多為砂層透鏡體，累計厚度一般10～24m。經水位觀測孔抽水試驗測定，上部砂層(Z1-G1)平均涌水量約19.63m3/h，下部砂層(Z1-G2)平均涌水量約5.10m3/h(表1)。

深層承壓水含水巖組埋深在70～150m，含水層包括第四系更新統的下部及新近系的頂部。含水砂層分布比較穩定，一般分布有5～6層。垂向上分帶性較明顯，一般由上至下砂層顆粒漸粗，膠結漸密，透水性逐漸變弱。砂層累計厚度在22～26m，單層(Z1-G3)平均涌水量約3.23m3/h。

表1 水位觀測孔(G1,G2,G3)抽水試驗數據

深層承壓水含水層組與其上部的淺層含水層組之間有一層相對比較穩定的黏性土層，但黏土層厚度變化差異較大，一般局部僅2～5m，且黏性土中常發育有垂直裂隙，故該黏土層具一定的滲透性，為弱透水層，使得深層承壓水含水層與其上部的淺層潛水—微承壓水含水層之間具有一定的水力聯系。深層承壓孔隙含水層組下部有穩定的黏性土隔水底板。

3 樣品的采集和測試

鉆孔Z1位于任城區三郭村，終孔深度236.4m，孔徑110mm，全孔取樣，取樣率95.3%，完成土工試驗754件，其中常規物理力學性質試驗623件，力學實驗29件，特殊試驗82件，巖礦鑒定14件，巖石抗壓試驗6件，水質分析3件；鉆孔Z2位于太白湖區許莊村，終孔深度260m，孔徑110mm，全孔取樣，取樣率98%，完成土工試驗808件，其中常規物理力學性質試驗697件，力學實驗47件，特殊試驗41件，巖礦鑒定17件，水質分析6件。

對土樣進行了物理性質試驗(含水率、密度、界限含水率、顆粒分析)、力學試驗(剪切試驗、固結試驗)、巖礦鑒定(X射線衍射、掃描電鏡)、特殊試驗(高壓固結、反復加卸荷、次固結等)；對地下水進行抽水試驗和飲用水全分析試驗。下面將以鉆孔Z1數據為例，與鉆孔Z2數據相對比進行綜合分析。

4 巖土的物理力學特征及地面沉降

根據試驗結果，對樣品的顆粒分布以及黏性土(粉質黏土或黏土)常規試驗中的天然密度、天然孔隙比、含水率、塑性指標、液性指數、壓縮指數、壓縮系數進行了統計，并分別做出深度變化曲線(圖2)。

4.1 土的分類和顆粒分布

Z1鉆孔204.5m以上松散巖土體中，砂粒組(粒徑大于0.075mm)、粉粒組(粒徑小于0.075mm，大于0.005mm)和黏粒組(粒徑小于0.005mm)的總量占比相當，分別為33.89%，32.52%，33.59%。黏性土和砂性土隨深度相間分布；黏性土以粉質黏土和黏土為主，地層厚度140.2m，黏性土組分不均，級配不好；砂性土以細砂和粉細砂為主，中粗砂次之，地層厚度64.3m。底部基巖為砂巖和粉質泥巖。

4.2 土層物理性質分析

(1)天然密度ρ：土層的ρ值在2.25～1.83g/cm3之間，平均值1.98g/cm3。ρ值自上而下有總體增大的趨勢，ρ的大小除了與顆粒組分和級配有關，還與自重壓力和孔隙水壓力關系密切。土層隨深度增加，其自重壓力也逐漸增大，粒間孔隙逐漸壓實，地層逐漸固結。黏性土越是靠近含水層，ρ值越大，在10～33m和105～130m較為顯著(圖2)。這是由于10～33m地層中，砂層累積厚度11.3m，潛水位波動劇烈，含水砂層上下的黏性土孔隙水壓力消減，有效自重應力相應增大，從而導致土層壓縮，ρ值增大；105～130m的地層同樣如此，含水砂層累積厚度23.8m，為深部承壓含水層，是城區供水井的主要開采層，水位存在顯著降低。

1—砂粒組；2—粉粒組；3—黏粒組；4—壓縮層組分割線圖2 鉆孔Z1工程特性指標隨深度變化圖

(2)含水率w：土層的w基本在15%～30%之間。含水率隨深度有逐漸變小的趨勢，20～33m和105～130m的w值相對較小，這與ρ的變化相反，反映了含水率的大小和土的密度呈負相關，也受自重應力和孔隙水壓力變化的影響。

(3)比重Gs：土層的Gs基本在2.7～2.76之間，沒有明顯的總體變化趨勢，但值的大小與含水率呈正相關，與天然密度呈負相關。

(4)天然孔隙比e：土層的e基本在0.5～0.9之間，有總體變小的趨勢，在10～33m和105～130m存在相對較小的區間，相對波動幅度更為明顯。從公式e+1=Gsρw(1+0.01w)/ρ(其中ρw為水的密度)可見，e與ρ呈負相關，與Gs和w呈正相關。

綜合可見，Z1鉆孔204.5m以淺土層的物理性質指標ρ，w，Gs和e的總體趨勢受自重壓力控制；孔隙水壓力的變化是相對變化的重要控制因素；次級的波動與礦物成分和顆粒分布關系密切，同時也是多重因素共同疊加的結果。

4.3 土層塑性分析

(1)塑性指數IP：能綜合地反映土的礦物成分和顆粒大小的影響，是土的吸附結合水能力的指標，也是土的分類的重要依據。IP基本在10～23之間，以粉砂質黏土和黏土為主，其中100m以淺地層IP基本在10～20之間，粉砂質黏土較多；100～200m的地層IP基本在9～23之間，黏土增多，在135～180m較為集中(圖2)。

IP的大小與e和黏土(粒徑<0.005mm)含量具有相關性，與G有非常好的線性關系(圖3)。這是由于IP與土的顆粒大小和礦物成分關系密切，土的黏粒或親水礦物(如蒙脫石)含量愈高，比表面積愈大，土處在可塑狀態的含水量變化范圍就越大，IP也越大，而e，G和黏土(粒徑<0.005mm)含量指標也不同程度地反映了這一特性。

圖3 塑性指數與相關指標的關系散點圖

(2)液性指數IL：是用于判斷土的軟硬程度或對外力引起變形破壞的抵抗能力的指標。200m以淺地層IL基本在-0.33～0.69之間(圖2)。其中100m以淺地層IL基本在0～0.60之間，呈可塑—硬塑狀態；100～200m的地層IL基本在-0.25～0.25之間，呈硬塑—堅硬狀態。隨著深度的增加，200m以淺地層IL總體呈現減小的趨勢，表明黏性土層隨著深度的增加越來越硬。IL與e，w具有顯著相關性，但與黏土含量的相關性不明顯(圖4)。

圖4 液性指數與相關指標的關系散點圖

根據X射線衍射分析，Z1鉆孔的黏性土層物質組成中以親水性較強的蒙脫石或伊蒙混層為主，伊利石、高嶺石含量相對較低，綠泥石、高嶺蒙脫石混層在部分樣品中存在(表2)。

4.4 土層壓縮性分析

(1)壓縮指數Cc：是根據土壓縮實驗繪制e-lgp曲線，取壓力較大部分接近直線段部分的斜率，定義為Cc。壓縮指數Cc值越大，土的壓縮性越高[14]。低壓縮土的Cc值一般小于0.2，Cc值大于0.4一般屬于高壓縮土。Z1鉆孔130m以淺黏性土屬于中等壓縮土；130m以下黏性土屬于高壓縮土。

(2)壓縮系數α：是描述土體壓縮性大小的物理量，被定義為壓縮試驗所得e-p曲線上某一壓力段的割線的斜率，即單位壓力增量所引起孔隙比的變化。工程上常以P1=100kPa至P2=200kPa壓力區間所對應的α1-2來評價土的壓縮性，一般α1-2≥0.5為高壓縮性；0.5>α1-2≥0.1為中壓縮性；α1-2<0.1為低壓縮性[15-16]。Z1鉆孔100m以淺黏性土屬于中等壓縮性；100m以下黏性土基本屬于低壓縮性；由淺到深，α逐漸減小，土層之間的波動幅度也逐漸減小(圖2)。

表2 樣品的礦物成分含量和黏土礦物相對含量

注：S為蒙脫石，It為伊利石，Kao為高嶺石，C為綠泥石，I/S為伊蒙混層，C/S為綠蒙混層，K/S為高嶺蒙脫石混層。

5 地層固結狀態

根據太沙基有效應力原理，土體的體積變形和強度均取決于土中的有效應力。通過高壓固結試驗可以確定不同深度地層的固結狀態，分析地層的應力歷史。根據土的自重應力Po與前期固結壓力Pc值的比值，稱為超固結比，記作OCR，將土層分為欠固結、正常固結和超固結三種固結狀態。土的前期固結壓力Pc，或稱先期固結壓力，是土體在地質歷史上曾受過的豎向最大有效壓力，是判斷土層固結狀態的重要參數[17]。土的自重壓力Po是現有的上覆土體和水體在重力作用下，產生的豎向壓力。

5.1 有效自重應力的計算

根據太沙基提出的飽和土的有效應力原理，土的變形和強度取決于有效應力，而不是總應力。土的自重應力是由土的自重引起的應力，或者說是由土的自重引起的單位面積截面上的內力，是土的重度與土柱高度之積，或各層土的重度與土柱高度乘積之和。如果把水下的土視為飽和，水下土的重度就是飽和重度[18-19]。

自重應力條件下，由多個水平土層組成的土體中某點的豎向有效自重應力σ'cz'按下式計算：

式中：

γ=ρg

式中:m1,m2分別為計算點以上土層中水位以上和以下土層數；γi為水位以上第i層土的天然重度；γsatj水位以下第j層土的飽和重度；hi,hj分別為水位以上第i層土和水位以下第j層土的厚度；μj為第j層土的孔隙水壓力；γ為土的天然重度；γsat為土的飽和重度；ρ為土的密度；ρsat為土的飽和密度；g為重力加速度；Gs為土的相對密度(比重)；ω為土的含水率；ρω為水的密度。

將地層劃分為66層基本工程地質層，自重應力的計算將以基本工程地質層為單位進行計算。以潛層地下水位14.58m為界，以上取天然重度，以下取飽和重度；黏土層孔隙水壓力為觀測孔實測數據(表3)，根據地層深度進行線性擬合。

表3 黏土孔隙水壓力(μ)分層監測值

5.2 高壓固結試驗

依據室內e-lgP曲線用卡薩格蘭德法求解Pc值的試驗方案，在0～204.5m地層之間取34個原狀土樣，取土地層為黏性土層。為了滿足深部地層前期固結壓力Pc值的計算，使用材料試驗機作為深層土的固結設備，應力測量系統使用BK-2型精密傳感器，滿足加載和應力測量要求。施加應力等級根據土層所處深度而定，進行逐級加壓，終極應力以e-lgp曲線下段出現直線段為止，該次試驗最高加壓到25.6MPa，施加最后一級固結應力且固結終了后，采用一次卸荷。

5.3 Pc值的求解

根據高壓固結試驗結果，繪制e-lgP關系曲線，然后利用卡薩格蘭德法求解Pc值(圖5)。具體步驟為：在曲線上找出曲率半徑最小的點，以該點為頂點作切線和平行于橫軸的線；作夾角的分角線；延長e-lgP關系曲線的直線部分，與分角線相交，相交點對應的壓力即為前期固結壓力Pc[20],相應求解結果見表4。

圖5 部分樣品固結試驗e-lgP關系曲線

樣品編號地層深度(m)前期固結壓力Pc(MPa)壓縮指數Cc回彈指數CsA110.401.73E-012.17E-014.44E-02A2152.206.04E-011.90E-015.23E-02A62116.702.20E+003.16E-013.46E-02A83183.703.25E+003.52E-014.92E-02

5.4 地層固結狀態

Z1鉆孔204.5m以上地層自上而下有效自重應力Po逐漸增大，基本呈線性變化，僅在地下潛水位12m處呈現轉折。前期固結壓力Pc基本在0～3.5MPa之間，100m以上地層在0～1MPa之間，隨深度基本呈線性增加，地層基本處于正常固結狀態(Po=Pc)；100～200m地層在1～3.5MPa之間，隨深度有所增加，但增加趨勢逐漸減小，地層基本處于超固結狀態(Po

1—測試樣品的前期固結壓力PC;2—有效自重應力Po變化曲線圖6 鉆孔Z1、Z2的前期固結壓力深度變化圖

對比鉆孔Z2可見，鉆孔Z2的200m以淺的地層基本處于正常固結狀態(Po=Pc)，僅在150m附近出現微弱超固結。這是由于鉆孔Z2位于濟寧南部新區，城市建設和地下水開采強度都不高；地處南四湖北端，地表水和地下水較為豐富，未出現明顯的地下水降落漏斗，在地層中未出現明顯的超固結狀態(Po

6 壓縮層組的劃分

為了降低場地地層的復雜程度，直觀地看出場地土層的基本特性和組合特征，便于進一步的地面沉降模型的建立，地面沉降監測標組(包括基巖標、分層標、孔隙水監測標等)的建設，將地層進行地面沉降壓縮層組劃分，分為層組、亞組和層三級[21]，符號采用Ⅰ1-1的形式(表5)。

壓縮層組的劃分以工程地質層組為基礎，結合水文地質條件進行劃分，層組劃分依據主要考慮沉積時代、壓縮特性、地下水賦存條件、成因類型與沉積環境、物質成分與結構特征、工程特性指標；亞組劃分考慮地層組合、壓縮特性、塑性特征等；層的劃分是依據巖性特征以及巖土工程勘察規范[22]中對土的密實度、濕度、塑性特征等指標劃定的基本工程地質層。

7 壓縮層組特征

鉆孔Z1深度236.4m，基巖層組以上松散層厚度204.5m，巖性為黏性土和砂土交替堆積而成。

壓縮層組Ⅰ：該層組由第四系全新統沖積、湖沼相沉積和更新統沖洪積堆積而成，厚度23.5m。場地頂層有4.6m雜填土層；黏性土巖性為灰黑色、灰黃色粉質黏土、黏土，含較多鈣質結核，軟塑、可塑，部分硬塑；砂土為2.4m薄層粉砂，結構稍密。黏土層垂直節理發育，隔水性較弱，滲透系數在10-7和10-6的數量級上，構成了淺層潛水-微承壓水的毛細帶，下部含有重力水；頂部填充土屬高壓縮性土，欠固結狀態，下部中壓縮性土(偏高)，正常固結狀態。

表5 壓縮層組的劃分

含水層組Ⅱ：該層組由第四系更新統沖洪積物堆積而成，層底深度71.1m，層厚47.6m。砂土巖性為黃褐色、青灰色細砂，中密—密實狀態；黏性土巖性為青灰色、黃褐色粉質黏土，可塑—硬塑，滲透系數在10-7的數量級上。層組上部(Ⅱ1砂土亞組)地下水為潛水，平均涌水量為19.6m3/h，與壓縮層組Ⅰ的黏土層連通密切；層組底部(Ⅱ5砂土亞組)地下水為微承壓水，平均涌水量為5.1m3/h。黏性土屬中壓縮性，正常固結狀態。

壓縮層組Ⅲ：該層組由更新統沖洪積堆積而成，層底深度106.4m，厚度35.3m。黏性土巖性為灰黃色、黃褐色粉質黏土、黏土，含鈣質結核，可塑—硬塑；砂土為1.2m薄層中砂夾粗砂，結構密實。黏土層隔水性強，滲透系數在10-8和10-7的數量級上。黏性土屬中壓縮性，正常固結狀態。

含水層組Ⅳ：該層組由第四系更新統沖洪積物堆積而成，層底深度142.5m，層厚36.1m。砂土巖性為灰綠色、灰白色細中砂、中砂、中粗砂，密實狀態；黏性土巖性為灰白色、灰綠色粉質黏土、黏土，硬塑—堅硬，滲透系數在10-8和10-7的數量級上。層組地下水為深層承壓水，平均涌水量為3.23m3/h。黏性土屬低壓縮性，超固結狀態。

壓縮層組Ⅴ：該層組由新近系沖洪積堆積而成，層底深度204.5m，厚度62.0m。黏性土巖性為灰白色、黃褐色粉質黏土、黏土，含鈣質結核，硬塑—堅硬，底層黏土處于半膠結狀；砂土為薄層細砂，結構密實；黏土層隔水性強，滲透系數在10-8和10-7的數量級上。黏性土屬低壓縮性，超固結狀態。

基巖層組Ⅵ：該層組為侏羅系紅色砂巖和泥巖構成，根據極限抗壓強度測試，飽和抗壓強度在67～80MPa，相對較高，符合基巖標桿建設基底的要求，是埋藏于松散層下較穩定的基底。

8 地面沉降監測標組建設

地面沉降監測標組是地面沉降監測和研究的重要基礎設施，已建成的濟寧城區北部監測標組由基巖標、分層標、地面標、地下水水位觀測孔和孔隙水壓力觀測孔組成。依據壓縮層組劃分和監測目的，對壓縮地層進行分層監測，具體埋設深度見表6。

9 結論

(1)濟寧城區204.5m以淺土層的物理特性的總體趨勢受自重壓力控制；孔隙水壓力的變化是相對變化的重要控制因素；次級的波動與礦物成分和顆粒分布關系密切，同時也是多重因素共同疊加的結果。

表6 地面沉降監測標組埋設深度

(2)濟寧城區100m以淺地層屬中壓縮性，正常固結狀態，100～200m地層屬低壓縮性，超固結狀態。100～200m地層的低壓縮性和超固結狀態的產生與地下水過量開采有關，是歷史地面沉降發生的主要層位。

(3)濟寧城區204.5m以淺土層可以劃分為5個特征較為明顯的地面沉降壓縮層組。底部基巖穩定性可靠，可以埋設基巖標，以上地層壓縮量可用4個分層標進行分層控制。