魏 阳 刘佳伟 黄永亮 黄 曼

(1.绍兴文理学院 土木工程学院，浙江 绍兴 312000；2.浙江省有色金属地质勘查局，浙江 绍兴 312000)

0 引言

地面沉降是在自然因素和人为因素共同作用下，对经济发展、环境保护、城市建设以及人民生活造成严重危害的一种地质灾害，它具有生成过程缓慢、波及范围广和结果不可逆等特点[1].目前，随着城市化进程的加快，地面沉降所带来的危害已经逐渐浮出表面，严重影响城市的发展.因此，采用科技手段针对沉降不明显区域的预防措施以及沉降明显区域的防治措施迫在眉睫.

地面发生沉降的主要原因是由抽取地下水导致的砂层的释水压缩以及软土层的固结所引发[2].本文主要针对孔隙承压水受地表外界因素影响较小，同时历史上未对其进行大规模开采利用区域进行研究.即地面沉降主要由于软土固结引起的区域.软土固结是一个受多方面因素影响的复杂过程，它与沉降之间存在着复杂的非线性关系[3].因此正确合理的选择沉降模型以及预测方式将使得沉降预测的结果更精确.目前，国内外众学者关于地面沉降的预测方式有很多，冉启全、顾小芸等[4]，在研究地面沉降时，将粘土层和含水层的多层土体作为一个三维整体考虑，从而建立三维水流和一维次固结变形的沉降耦合模型进行预测；Tang等[5]应用灰色系统理论预测了上海陆家嘴地区工程建筑对地面沉降的影响；Kim等[6]基于多源数据，建立了三陡市地面沉降信息系统，利用人工神经网络预测了该市的地面沉降量.李红霞等[7]针对BP神经网络模型存在的收敛速度慢、易陷入局部极小点的缺点，用遗传算法优化即神经网络的初始权重，建立了地面沉降模型等.

在此，笔者尝试采用GMS软件的空间构建功能，对研究区由于软土固结引起的地面沉降进行计算与预测，确定研究区地面沉降综合变化趋势.考虑到软土地层往往透水性较差，孔隙水压力消散和有效应力增加是一个长期的渐变过程[8]，因此研究区未来地面沉降主要包括两方面的预测，一是现有条件下地面沉降未来的发展趋势；二是根据用地规划受未来人类工程活动影响造成的地面沉降变化趋势[9]，综合两者对研究区地面沉降进行预测研究.

本文选取某市滨海地区作为研究区，综合实地数据，包括基础地质资料、气象水文资料、沉降现状监测资料、工程勘察资料等，结合GMS软件构建某市滨海地区第四系土层空间结构，并根据软土各层沉降量预测研究结合人类工程活动得出最终沉降量，最后研究结果可供后期用地单位参考，指导地面沉降防治工作.

1 研究区地质概况

某市滨海地区位于浙江省中北部，其面积约为511.65 km2.自第四纪以来，研究区受多次海进海退影响，形成海陆相交互沉积地层，按照由南至北的方向覆盖层厚度逐渐增大，至北部靠近杭州湾一带，第四系覆盖层最大厚度超过100 m.在时空分布格局上，由于研究区在早更新世一直处于陆缘抬升阶段，受侵蚀、剥蚀影响，因此下更新统地层缺失，中更新统～全新统地层在区域内皆有分布.地层根据钻孔揭露调查及钻孔揭露，第四系地层从下而上分述如下：①中更新统嘉兴组(Q2j)：根据成因类型，可细分为残坡积层(el-dlQ2j)和坡洪积层(dl-plQ2j)；②上更新统下组：主要由河口相和河湖相交错沉积形成，以冲洪积(al-plQ31)和冲湖积(al-lQ31)地层为主，其岩性分布主要包括底部砾砂层，中部中细砂层以及上部粉质粘土～粘质粉土层；③上更新统上组：根据沉积时代划分为上、下两段.其中下段由滨海～浅海湾相沉积形成，以海积(mQ32-1)和冲湖积(al-lQ32-1)地层为主，岩性为淤泥质粉质粘土或者粉质粘土(第三软土层).上段地层以冲海积(al-mQ32-2)和海积(mQ32-2)为主.地层岩性为粘土～粉质粘土(第二硬土层)；④全新统下组：由冲湖积(al-lQ41)和海积(mQ41)作用形成，岩性为淤泥质土～粉质粘土(第二软土层)；⑤全新统中组：根据成因条件，可分为冲海积(al-mQ42)和海积(mQ42)两套地层，其中冲海积(al-mQ42)地层岩性以粘土～粉质粘土为主(第一硬土层)，海积(mQ42)地层岩性以淤泥质粘土或淤泥为主；⑥全新统上组：成因类型相对复杂，包括冲海积～海积地层(al-mQ43)、冲湖积(al-lQ43)和湖沼积(lhQ43)，其中冲海积～海积地层(al-mQ43)以粉土～粉质粘土为主，局部含有粉砂～细砂层，冲湖积(al-lQ43)和湖沼积(lhQ43)地层岩性逐步过度至粘土～淤泥质粘土(第一软土层).由此可见，研究区内软土层与硬土层互层.

2 构建研究区三维地层格架模型

GMS软件是由美国Brigham Young University的环境模型研究实验室研发的.它是一个综合性的地质建模、模拟和分析计算的软件[10].

本研究通过相关部门收集了大量的工勘资料，包括道路桥梁工勘、房屋项目工勘以及河湖环境整治工勘资料，共计339个钻孔.同时笔者经过筛选舍弃了没有打到基岩的钻孔，最终选定83个钻孔，对其岩土性质重新进行了标准化编录.根据地区岩土工程行业勘察技术分层习惯[11]，研究区内的第四系地层划分为9个工程地质层位.

通过GMS软件，首先将研究区底图导入GMS软件中，在MAP模块中定位后画出研究区的边界，由边界生成TINS文件；然后将整理好的83个钻孔资料包括土层的压缩系数、固结系数等资料导入GMS软件中的Borehole(钻孔)模块中生成钻孔模型数据，利用Borehole中的自动生成剖面功能生成钻孔剖面；最后使用TIN模块中的Horizons→Solid命令，根据研究区边界生成地质结构实体，构建研究区第四系三维软土空间格架模型(见图1).其中3-1和3-2合为第一软土层，4为第一硬土层，5为第二软土层，6为第二硬土层，7为第三软土层.建立的模型不仅可从中获取任一点的土层信息资料，也可为下文中地面沉降计算提供模型基础.

图1 研究区第四系软土空间格架图

1为人工杂填土和粉质粘土层，2为淤泥质粉质粘土夹粉质粘土层，3-1为淤泥质层，3-2为淤泥质粘土层，4为海陆交互相沉积形成的粉质粘土层，5为淤泥质粉质粘土～淤泥，6为冲海相沉积形成的粘土～粉质粘土层，7为滨海～浅海相沉积淤泥质粘土及粘土层，8为河口及河湖冲积作用形成的砂卵砾石层，9为残坡积含砾石粉质粘土层.

3 研究区软土地面沉降预测

3.1 预测技术与方法

本次对研究区的预测是大范围的区域性沉降预测，由于其横向距离远远大于纵向距离，因此暂不考虑横向土体的变化，以垂直方向上的压缩变形为主，认为土体的压密排水过程符合太沙基一维固结理论，即土体变形是垂向一维的.以钻孔资料为基础，借助GMS软件，将底部基岩设定为隔水边界，建立整个调查研究区三维地质模型进行研究分析.

3.1.1 沉降模型

根据一维太沙基理论，地面沉降过程中由于含水层中水位下降，弱透水层中孔隙水压也随之降低,在假设含水层中所承受总压力不变的情况下，有效应力会増加[12].

σ′=σ-p

(1)

即： △σ′=-ρwg△h

(2)

式中：σ′为有效应力，σ为总应力，P为孔隙水压力，ρw为水的密度，g为重力加速度，h为水头值；

由于有效应力的变化会产生土体骨架压缩因此土体体积压缩系数a可表示为：

(3)

式中：V为单元体的体积.

进而土体垂向压缩系数A可表示为：

(4)

式中：b0为土体的初始厚度.

根据一维太沙基有效应力原理将式(2)、式(4)代入得：

(5)

式中：S为含水层土体的骨架储水率.

因此一维垂向线弹性土体变形的基本计算公式为：

△b=-△hSb0

(6)

式中：△b为土层变形量，△h为水头变化量.

即根据算出的水头变化以及各软土层的土体厚度代入沉降模型计算得各层土体变形量.

3.1.2 技术路线

结合现状调查和评估结论，以第一、第二、第三软土层为主要预测评价对象.构建模型后，结合2015年—2018年现状地面沉降的监测结果，对该软件的模拟结果进行拟合和校正，由此确定后期预测模拟的参数，并通过该套参数对未来(2020年—2030年)研究区的地面沉降情况进行预测分析，并得到相应的预测沉降等值线平面图.具体技术路线如图2所示.

图2技术路线图

3.2 力学参数的选取

通过对研究区钻孔资料中土质的力学分析，发现某市滨海地区的土质主要有以下几个特点：①土层中(粉质粘土、淤泥质土等)天然含水量都较高，达到24.3%～45.6%，都比较接近于液限，中间工程地质层含水量最大；②孔隙比都较大，其中淤泥质土均大于1，部分大于1.5；③压缩模量为1.25～13.5 MPa，压缩系数为0.22～0.95 MPa-1，易压缩；④强度较低，粘聚力(c)为10.2～32.3 kPa,内摩擦角(φ)为10.5 °～26.5 °.具体的第四系软土层力学参数的选取如下表1所示.部分钻孔资料中存在力学试验，则采用其试验所得的力学参数，若无力学试验的钻孔，则参考表1中参数选取其中间值.

3.3 地面沉降预测

模拟土体弹性或塑性形变，根据已有研究区2015年—2018年地面沉降速率分区图(见图3)， 选取时间年限为2015年—2018作为模型的检验期，利用该数据资料检验模型中所输入的参数是否准确，若模型预测结果准确度不高，则继续对模型参数进行调整修正，经过多次对参数的调整，直至模拟得到的沉降图与已有资料相符合(像素重叠率到80%即为相符)[13]，即为模型检验完成.模拟沉降结果图如图4所示，其像素重叠率达到91%，模型检验完成.

表1 工程地质层物理力学性质参数一览表

土层层号土层名称天然含水量w%重度γkN·m-3孔隙比e0液限Wl%直剪固快压缩模量粘聚力ckPa内摩擦角φ.Es0.1-0.2MPa①粉质粘土28.3～32.3/30.317.5～18.8/18.20.85～0.95/0.90231.4～33.6/32.514.3～15.2/14.7819.7～21.5/20.37.86～9.23/8.96②粉质粘土27.5～31.2/29.3518.1～19.3/18.70.683～0.902/0.79329.8～32.2/3110.3～13.2/11.525.5～26.9/26.29.8～13.512③-1淤泥质层35.3～40.2/38.216.8～18.2/17.51.009～1.125/1.10731.2～38.5/37.59.6～11.2/10.29.8～11.1/10.51.25～3.0/2.5③-2淤泥质粘土层35.6～28.7/37.317.2～18.3/17.510.956～1.124/1.09735.4～38.2/36.912.8～14.6/13.511.7～13.4/12.42.4～4.8/3.2④粉质粘土28.8～30.2/29.718.2～19.3/18.90.656～0.79/0.75833.3～35.2/34.615.5～17.6/16.516.3～18.1/17.88.25～11.3/10.25⑤淤泥质粉质粘土～淤泥38.9～45.6/43.016.15～17.23/16.621.127～1.50/1.34335.8～46.8/42.312.2～15.3/13.59.8～12.3/11.51.25～3.26/2.66⑥粘土～粉质粘土层24.3～27.02/26.118.75～20.04/19.40.714～0.821/0.77629.4～36.0/32.529.0～36.3/32.317.4～19.9/18.66.95～8.33/7.02⑦淤泥质粘土～粘性土24.6～30.1/28.016.8～18.45/17.50.996～1.102/1.07627.4～31.2/31.3511.2～12.6/12.2510.2～12.4/11.32.76～4.55/3.5⑧砂卵砾石⑨含砾石粉质粘土26.5～30.1/28.018.75～20.25/19.50.667～0.786/0.7526.8～31.2/30.524.3～28.5/26.517.5～21.2/18.37.8～9.4/8.5

图3地面沉降速率分区图(2015年—2018年)

图4某市滨海地区地面累积沉降图(2015年—2018年)

经过软件预测，将硬土层和其他土层视作不可压缩层，忽略其对地面沉降的贡献，研究区南部及中部部分区域由于靠近丘陵山脉，受地层岩性条件的影响，沉降不明显，故不做沉降预测[14].沉降预测年份越久，前期所需要的校正拟合时间段亦越长，由于研究区地面沉降InSar监测工作起步相对较晚，现有资料仅从2015年开始.因此，当预测年限超过2030年后其预测可信度大大降低，综合考虑将2030年作为预测的截止年限.最终得到结果上至下三层软土各自沉降预测等值线图如图5、图6、图7所示，累计沉降等值线预测图如图8所示.

从预测结果看，在保持现状条件不变的情况下，各软土层在未来的10年时间中仍可出现沉降变形，最大沉降累计值约为147 mm，最大沉降速率为14.7 mm/a.三层软土当中以浅表第一层软土对后期沉降贡献值最大，第二层其次，第三层软土由于埋藏深度较大，附加应力对其影响相对较小，因此其产生的沉降变化值较小. 根据实地调查发现，变形主要集中分布于研究区北部回填区和研究区中部工程建设活跃区.

图5第一软土层(2020年—2030年)沉降预测等值线图

图6第二软土层(2020年—2030年)沉降预测等值线图

图7第三软土层(2020年—2030年)沉降预测等值线图

图8三层软土(2020年—2030年)累积沉降图

4 地面沉降未来发展趋势综合预测

4.1 人类工程活动对地面沉降的预测

由于软土固结沉降是个极其缓慢的过程，其与时间周期的关系也十分密切[15].同时研究区进行单一因素条件下的最终沉降量计算并将其作为沉降预测的标准往往有失偏颇，单因素计算过程中所用参数越少，单个参数的估计值对计算结果的精确程度影响愈大[16].因此，本文在上述预测基础上，利用人类活动越明显，软土的压缩固结越快这一特性[17]，结合人类工程活动对研究区进行沉降预测.

选取典型的因人类工程活动形成的沉降的区块，提取其已有的沉降变化情况历史，将其作为其他类似区域人类工程活动形成区域性地面沉降的预测依据，在已经构建的预测评价模型的基础上，按照一定的时间轴进行预测.在预测过程中将土地按照规划在人类工程活动密集区施加建筑荷载进行预测.

建筑荷载所产生的地面沉降量包括基础上部荷载产生的沉降量和相邻基础荷载因应力扩散产生的沉降量.根据实地调查的某市滨海地区建筑物荷载分布特征情况确定建筑荷载，建筑荷载按每层自重1.0 t/m2、每层承重0.2 t/m2计算.将实际建筑荷载区域概化为矩形区域，计算概化后的矩形区域建筑荷载影响下的地基附加应力，得出影响范围内模型中各节点的附加应力.则矩形基础受垂直分布荷载作用下地基土中任意节点的竖向附加应力系数asr为[18]：

式中：l为矩形的长；b为矩形的宽；x、y、z为计算点坐标值.

则任意节点的附加应力为p=Pd×asr.

式中：Pd为建筑荷载.

通过施加附加荷载预测结果如图9所示.

图9人类工程活动对地面沉降影响的预测模拟图(2020年—2030年)

由此可见地面沉降较明显区域与工程建设活跃区基本相吻合，其受工程建设影响，场地地面沉降的幅度要明显大于农、林、牧用地区域.在2020年—2030年预测时间段内，最大沉降量约为83 mm.在最大沉降区域外围，沉降量逐渐减小30～60 mm内，外围农业、林地等区块内沉降量基本小于30 mm.

4.2 地面沉降未来发展趋势综合预测

现状存在的地面沉降在未来一定时期内还会继续发展，同时受人类工程活动影响，局部区域地面沉降程度将进一步加深.因此在两者共同作用下，研究区内地面沉降将出现新的变化趋势.根据对现状沉降未来发展趋势和人类工程活动综合影响趋势的分别预测，将两者结果进行合并叠加，获得研究区范围内软土层结合人类工程活动累计沉降等值线图，如图10所示.

图10软土层结合人类工程活动累计沉降等值线图

预测结果表明，在2020年—2030年期间，研究区范围内在人类工程活动和现状地面沉降继续发展两大因素的共同作用下，地面沉降影响范围将进一步扩大，最大沉降量为189 mm.

5 结论与建议

本文根据钻孔资料，借助GMS软件，建立整个调查研究区三维地质模型，结合现状调查和评估结论，以第一、第二、第三软土层为主要预测评价对象.通过与2015年—2018年现状地面沉降的监测结果进行对比，对该软件的模拟结果进行拟合和校正，由此确定后期预测模拟的参数，并通过该套参数对未来(2020年—2030年)研究区的地面沉降情况进行预测分析，并得到相应的预测沉降等值线图，最终得出了以下几点结论：

(1)在标准化某市滨海地区所有钻孔资料的基础上，应用GMS软件构建第四系软土空间格架模型，在保持现状条件不变的情况下，得出各软土层在未来的10年时间中最大沉降累计值约为147 mm，最大沉降速率为14.7 mm/a.三层软土当中以浅表第一层软土对后期沉降贡献值最大，第二层其次，第三层软土由于埋藏深度较大，贡献值最小.

(2)通过GMS软件预测2020年—2030年地面沉降预测在人类工程活动和现状地面沉降继续发展两大因素的共同作用下，地面沉降影响范围将进一步扩大，最大沉降量为189 mm，最大沉降速率为18.9 mm/a.最终的软土层结合人类工程活动累计沉降等值线图，可为研究区沉降分区提供依据，具体如何分区工作将在以后的研究中加以完善.

(3)根据研究区地面沉降的形成机制，其主要原因是软土层固结压缩和局部建设地块密集人类工程活动作用引起的，因此可以通过加强对地面沉降的监测，掌握其实时动态，以此作为防治和规避地面沉降造成危害的主要方法.