济宁城区地面沉降固结特性分析及压缩层组划分

韩飞，韩红梅，邹连庆

(1.济宁市土地综合整治中心，山东 济宁 272000；2.山东省地质环境监测总站，山东 济南 250000)

0 引言

济宁城区已经开展过多次地面沉降水准测量工作[1-3]，为了进一步建设完善的地面沉降监测网络和监测标组[4]，继续查明济宁城区岩土体的工程地质特性和地面沉降发生机理，在城区北部和南部施工2处地质勘查钻孔(图1)。终孔后进行综合物探测井，并进行了大量的岩土工程试验。

固结特性和地面沉降压缩层组的划分是开展地面沉降分层监测、地质模型概化和工程地质研究的重要基础[5-7]。该文将基于钻孔Z1，Z2沉积物的物理力学相关试验，综合分析研究区地层的物理特征、塑性特征和压缩特征，计算有效自重压力和前期固结压力，判断地层固结状态，研究地层物理力学特性变化与地面沉降的相关联系，并进行地面沉降压缩层组的划分。

1—济宁城区;2—微弱切割丘陵区;3—冲洪积山间平原区；4—黄河冲积微倾斜低平原区;5—冲洪积山前倾斜平原区;6—冲洪积扇;7—钻孔图1 济宁区域地貌图

1 区域地貌及地层

工作区位于鲁中山区西南部山前倾斜平原和黄河冲积平原区的交界位置。总体地势东高西低，北高南低，向西南方向微倾斜。受汶河冲洪积扇和泗河冲洪积扇迭加影响，并与黄河冲积物交迭，堆积了较厚的第四系-新近系松散岩(土)层，厚度受下伏基岩起伏影响(图1)。

周边区域地层由老到新主要有寒武-奥陶系、石炭-二叠系、侏罗系、新近系、第四系和岩浆岩。新近系以下基岩地层以侏罗系上统淄博群三台组紫红色砂岩为主；城区南部和西部局地小范围有燕山期岩浆岩侵入；城区北部分布石炭-二叠系砂页岩，夹有煤层和薄层石灰岩。第四系松散层自下向上依次为更新统平原组、全新统黑土湖组、黄河组，厚度以更新统平原组为主，分布不均，在100～300m之间[8-13]。

2 水文地质条件

济宁城区松散岩类孔隙水可以划分为浅层潜水—微承压水和深层承压水两个含水岩组。

浅层潜水—微承压水含水岩组埋深在70m以内，含水层以第四系更新统地层中的粉细砂、中细砂为主，分选性、磨圆度较好，为汶泗河冲洪积层，砂层分布不均匀，一般2～3层，单层厚度0.8～8.5m，连续性差，多为砂层透镜体，累计厚度一般10～24m。经水位观测孔抽水试验测定，上部砂层(Z1-G1)平均涌水量约19.63m3/h，下部砂层(Z1-G2)平均涌水量约5.10m3/h(表1)。

深层承压水含水岩组埋深在70～150m，含水层包括第四系更新统的下部及新近系的顶部。含水砂层分布比较稳定，一般分布有5～6层。垂向上分带性较明显，一般由上至下砂层颗粒渐粗，胶结渐密，透水性逐渐变弱。砂层累计厚度在22～26m，单层(Z1-G3)平均涌水量约3.23m3/h。

表1 水位观测孔(G1,G2,G3)抽水试验数据

深层承压水含水层组与其上部的浅层含水层组之间有一层相对比较稳定的黏性土层，但黏土层厚度变化差异较大，一般局部仅2～5m，且黏性土中常发育有垂直裂隙，故该黏土层具一定的渗透性，为弱透水层，使得深层承压水含水层与其上部的浅层潜水—微承压水含水层之间具有一定的水力联系。深层承压孔隙含水层组下部有稳定的黏性土隔水底板。

3 样品的采集和测试

钻孔Z1位于任城区三郭村，终孔深度236.4m，孔径110mm，全孔取样，取样率95.3%，完成土工试验754件，其中常规物理力学性质试验623件，力学实验29件，特殊试验82件，岩矿鉴定14件，岩石抗压试验6件，水质分析3件；钻孔Z2位于太白湖区许庄村，终孔深度260m，孔径110mm，全孔取样，取样率98%，完成土工试验808件，其中常规物理力学性质试验697件，力学实验47件，特殊试验41件，岩矿鉴定17件，水质分析6件。

对土样进行了物理性质试验(含水率、密度、界限含水率、颗粒分析)、力学试验(剪切试验、固结试验)、岩矿鉴定(X射线衍射、扫描电镜)、特殊试验(高压固结、反复加卸荷、次固结等)；对地下水进行抽水试验和饮用水全分析试验。下面将以钻孔Z1数据为例，与钻孔Z2数据相对比进行综合分析。

4 岩土的物理力学特征及地面沉降

根据试验结果，对样品的颗粒分布以及黏性土(粉质黏土或黏土)常规试验中的天然密度、天然孔隙比、含水率、塑性指标、液性指数、压缩指数、压缩系数进行了统计，并分别做出深度变化曲线(图2)。

4.1 土的分类和颗粒分布

Z1钻孔204.5m以上松散岩土体中，砂粒组(粒径大于0.075mm)、粉粒组(粒径小于0.075mm，大于0.005mm)和黏粒组(粒径小于0.005mm)的总量占比相当，分别为33.89%，32.52%，33.59%。黏性土和砂性土随深度相间分布；黏性土以粉质黏土和黏土为主，地层厚度140.2m，黏性土组分不均，级配不好；砂性土以细砂和粉细砂为主，中粗砂次之，地层厚度64.3m。底部基岩为砂岩和粉质泥岩。

4.2 土层物理性质分析

(1)天然密度ρ：土层的ρ值在2.25～1.83g/cm3之间，平均值1.98g/cm3。ρ值自上而下有总体增大的趋势，ρ的大小除了与颗粒组分和级配有关，还与自重压力和孔隙水压力关系密切。土层随深度增加，其自重压力也逐渐增大，粒间孔隙逐渐压实，地层逐渐固结。黏性土越是靠近含水层，ρ值越大，在10～33m和105～130m较为显著(图2)。这是由于10～33m地层中，砂层累积厚度11.3m，潜水位波动剧烈，含水砂层上下的黏性土孔隙水压力消减，有效自重应力相应增大，从而导致土层压缩，ρ值增大；105～130m的地层同样如此，含水砂层累积厚度23.8m，为深部承压含水层，是城区供水井的主要开采层，水位存在显著降低。

1—砂粒组；2—粉粒组；3—黏粒组；4—压缩层组分割线图2 钻孔Z1工程特性指标随深度变化图

(2)含水率w：土层的w基本在15%～30%之间。含水率随深度有逐渐变小的趋势，20～33m和105～130m的w值相对较小，这与ρ的变化相反，反映了含水率的大小和土的密度呈负相关，也受自重应力和孔隙水压力变化的影响。

(3)比重Gs：土层的Gs基本在2.7～2.76之间，没有明显的总体变化趋势，但值的大小与含水率呈正相关，与天然密度呈负相关。

(4)天然孔隙比e：土层的e基本在0.5～0.9之间，有总体变小的趋势，在10～33m和105～130m存在相对较小的区间，相对波动幅度更为明显。从公式e+1=Gsρw(1+0.01w)/ρ(其中ρw为水的密度)可见，e与ρ呈负相关，与Gs和w呈正相关。

综合可见，Z1钻孔204.5m以浅土层的物理性质指标ρ，w，Gs和e的总体趋势受自重压力控制；孔隙水压力的变化是相对变化的重要控制因素；次级的波动与矿物成分和颗粒分布关系密切，同时也是多重因素共同叠加的结果。

4.3 土层塑性分析

(1)塑性指数IP：能综合地反映土的矿物成分和颗粒大小的影响，是土的吸附结合水能力的指标，也是土的分类的重要依据。IP基本在10～23之间，以粉砂质黏土和黏土为主，其中100m以浅地层IP基本在10～20之间，粉砂质黏土较多；100～200m的地层IP基本在9～23之间，黏土增多，在135～180m较为集中(图2)。

IP的大小与e和黏土(粒径<0.005mm)含量具有相关性，与G有非常好的线性关系(图3)。这是由于IP与土的颗粒大小和矿物成分关系密切，土的黏粒或亲水矿物(如蒙脱石)含量愈高，比表面积愈大，土处在可塑状态的含水量变化范围就越大，IP也越大，而e，G和黏土(粒径<0.005mm)含量指标也不同程度地反映了这一特性。

图3 塑性指数与相关指标的关系散点图

(2)液性指数IL：是用于判断土的软硬程度或对外力引起变形破坏的抵抗能力的指标。200m以浅地层IL基本在-0.33～0.69之间(图2)。其中100m以浅地层IL基本在0～0.60之间，呈可塑—硬塑状态；100～200m的地层IL基本在-0.25～0.25之间，呈硬塑—坚硬状态。随着深度的增加，200m以浅地层IL总体呈现减小的趋势，表明黏性土层随着深度的增加越来越硬。IL与e，w具有显著相关性，但与黏土含量的相关性不明显(图4)。

图4 液性指数与相关指标的关系散点图

根据X射线衍射分析，Z1钻孔的黏性土层物质组成中以亲水性较强的蒙脱石或伊蒙混层为主，伊利石、高岭石含量相对较低，绿泥石、高岭蒙脱石混层在部分样品中存在(表2)。

4.4 土层压缩性分析

(1)压缩指数Cc：是根据土压缩实验绘制e-lgp曲线，取压力较大部分接近直线段部分的斜率，定义为Cc。压缩指数Cc值越大，土的压缩性越高[14]。低压缩土的Cc值一般小于0.2，Cc值大于0.4一般属于高压缩土。Z1钻孔130m以浅黏性土属于中等压缩土；130m以下黏性土属于高压缩土。

(2)压缩系数α：是描述土体压缩性大小的物理量，被定义为压缩试验所得e-p曲线上某一压力段的割线的斜率，即单位压力增量所引起孔隙比的变化。工程上常以P1=100kPa至P2=200kPa压力区间所对应的α1-2来评价土的压缩性，一般α1-2≥0.5为高压缩性；0.5>α1-2≥0.1为中压缩性；α1-2<0.1为低压缩性[15-16]。Z1钻孔100m以浅黏性土属于中等压缩性；100m以下黏性土基本属于低压缩性；由浅到深，α逐渐减小，土层之间的波动幅度也逐渐减小(图2)。

表2 样品的矿物成分含量和黏土矿物相对含量

注：S为蒙脱石，It为伊利石，Kao为高岭石，C为绿泥石，I/S为伊蒙混层，C/S为绿蒙混层，K/S为高岭蒙脱石混层。

5 地层固结状态

根据太沙基有效应力原理，土体的体积变形和强度均取决于土中的有效应力。通过高压固结试验可以确定不同深度地层的固结状态，分析地层的应力历史。根据土的自重应力Po与前期固结压力Pc值的比值，称为超固结比，记作OCR，将土层分为欠固结、正常固结和超固结三种固结状态。土的前期固结压力Pc，或称先期固结压力，是土体在地质历史上曾受过的竖向最大有效压力，是判断土层固结状态的重要参数[17]。土的自重压力Po是现有的上覆土体和水体在重力作用下，产生的竖向压力。

5.1 有效自重应力的计算

根据太沙基提出的饱和土的有效应力原理，土的变形和强度取决于有效应力，而不是总应力。土的自重应力是由土的自重引起的应力，或者说是由土的自重引起的单位面积截面上的内力，是土的重度与土柱高度之积，或各层土的重度与土柱高度乘积之和。如果把水下的土视为饱和，水下土的重度就是饱和重度[18-19]。

自重应力条件下，由多个水平土层组成的土体中某点的竖向有效自重应力σ'cz'按下式计算：

式中：

γ=ρg

式中:m1,m2分别为计算点以上土层中水位以上和以下土层数；γi为水位以上第i层土的天然重度；γsatj水位以下第j层土的饱和重度；hi,hj分别为水位以上第i层土和水位以下第j层土的厚度；μj为第j层土的孔隙水压力；γ为土的天然重度；γsat为土的饱和重度；ρ为土的密度；ρsat为土的饱和密度；g为重力加速度；Gs为土的相对密度(比重)；ω为土的含水率；ρω为水的密度。

将地层划分为66层基本工程地质层，自重应力的计算将以基本工程地质层为单位进行计算。以潜层地下水位14.58m为界，以上取天然重度，以下取饱和重度；黏土层孔隙水压力为观测孔实测数据(表3)，根据地层深度进行线性拟合。

表3 黏土孔隙水压力(μ)分层监测值

5.2 高压固结试验

依据室内e-lgP曲线用卡萨格兰德法求解Pc值的试验方案，在0～204.5m地层之间取34个原状土样，取土地层为黏性土层。为了满足深部地层前期固结压力Pc值的计算，使用材料试验机作为深层土的固结设备，应力测量系统使用BK-2型精密传感器，满足加载和应力测量要求。施加应力等级根据土层所处深度而定，进行逐级加压，终极应力以e-lgp曲线下段出现直线段为止，该次试验最高加压到25.6MPa，施加最后一级固结应力且固结终了后，采用一次卸荷。

5.3 Pc值的求解

根据高压固结试验结果，绘制e-lgP关系曲线，然后利用卡萨格兰德法求解Pc值(图5)。具体步骤为：在曲线上找出曲率半径最小的点，以该点为顶点作切线和平行于横轴的线；作夹角的分角线；延长e-lgP关系曲线的直线部分，与分角线相交，相交点对应的压力即为前期固结压力Pc[20],相应求解结果见表4。

图5 部分样品固结试验e-lgP关系曲线

样品编号地层深度(m)前期固结压力Pc(MPa)压缩指数Cc回弹指数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 地层固结状态

Z1钻孔204.5m以上地层自上而下有效自重应力Po逐渐增大，基本呈线性变化，仅在地下潜水位12m处呈现转折。前期固结压力Pc基本在0～3.5MPa之间，100m以上地层在0～1MPa之间，随深度基本呈线性增加，地层基本处于正常固结状态(Po=Pc)；100～200m地层在1～3.5MPa之间，随深度有所增加，但增加趋势逐渐减小，地层基本处于超固结状态(Po

1—测试样品的前期固结压力PC;2—有效自重应力Po变化曲线图6 钻孔Z1、Z2的前期固结压力深度变化图

对比钻孔Z2可见，钻孔Z2的200m以浅的地层基本处于正常固结状态(Po=Pc)，仅在150m附近出现微弱超固结。这是由于钻孔Z2位于济宁南部新区，城市建设和地下水开采强度都不高；地处南四湖北端，地表水和地下水较为丰富，未出现明显的地下水降落漏斗，在地层中未出现明显的超固结状态(Po

6 压缩层组的划分

为了降低场地地层的复杂程度，直观地看出场地土层的基本特性和组合特征，便于进一步的地面沉降模型的建立，地面沉降监测标组(包括基岩标、分层标、孔隙水监测标等)的建设，将地层进行地面沉降压缩层组划分，分为层组、亚组和层三级[21]，符号采用Ⅰ1-1的形式(表5)。

压缩层组的划分以工程地质层组为基础，结合水文地质条件进行划分，层组划分依据主要考虑沉积时代、压缩特性、地下水赋存条件、成因类型与沉积环境、物质成分与结构特征、工程特性指标；亚组划分考虑地层组合、压缩特性、塑性特征等；层的划分是依据岩性特征以及岩土工程勘察规范[22]中对土的密实度、湿度、塑性特征等指标划定的基本工程地质层。

7 压缩层组特征

钻孔Z1深度236.4m，基岩层组以上松散层厚度204.5m，岩性为黏性土和砂土交替堆积而成。

压缩层组Ⅰ：该层组由第四系全新统冲积、湖沼相沉积和更新统冲洪积堆积而成，厚度23.5m。场地顶层有4.6m杂填土层；黏性土岩性为灰黑色、灰黄色粉质黏土、黏土，含较多钙质结核，软塑、可塑，部分硬塑；砂土为2.4m薄层粉砂，结构稍密。黏土层垂直节理发育，隔水性较弱，渗透系数在10-7和10-6的数量级上，构成了浅层潜水-微承压水的毛细带，下部含有重力水；顶部填充土属高压缩性土，欠固结状态，下部中压缩性土(偏高)，正常固结状态。

表5 压缩层组的划分

含水层组Ⅱ：该层组由第四系更新统冲洪积物堆积而成，层底深度71.1m，层厚47.6m。砂土岩性为黄褐色、青灰色细砂，中密—密实状态；黏性土岩性为青灰色、黄褐色粉质黏土，可塑—硬塑，渗透系数在10-7的数量级上。层组上部(Ⅱ1砂土亚组)地下水为潜水，平均涌水量为19.6m3/h，与压缩层组Ⅰ的黏土层连通密切；层组底部(Ⅱ5砂土亚组)地下水为微承压水，平均涌水量为5.1m3/h。黏性土属中压缩性，正常固结状态。

压缩层组Ⅲ：该层组由更新统冲洪积堆积而成，层底深度106.4m，厚度35.3m。黏性土岩性为灰黄色、黄褐色粉质黏土、黏土，含钙质结核，可塑—硬塑；砂土为1.2m薄层中砂夹粗砂，结构密实。黏土层隔水性强，渗透系数在10-8和10-7的数量级上。黏性土属中压缩性，正常固结状态。

含水层组Ⅳ：该层组由第四系更新统冲洪积物堆积而成，层底深度142.5m，层厚36.1m。砂土岩性为灰绿色、灰白色细中砂、中砂、中粗砂，密实状态；黏性土岩性为灰白色、灰绿色粉质黏土、黏土，硬塑—坚硬，渗透系数在10-8和10-7的数量级上。层组地下水为深层承压水，平均涌水量为3.23m3/h。黏性土属低压缩性，超固结状态。

压缩层组Ⅴ：该层组由新近系冲洪积堆积而成，层底深度204.5m，厚度62.0m。黏性土岩性为灰白色、黄褐色粉质黏土、黏土，含钙质结核，硬塑—坚硬，底层黏土处于半胶结状；砂土为薄层细砂，结构密实；黏土层隔水性强，渗透系数在10-8和10-7的数量级上。黏性土属低压缩性，超固结状态。

基岩层组Ⅵ：该层组为侏罗系红色砂岩和泥岩构成，根据极限抗压强度测试，饱和抗压强度在67～80MPa，相对较高，符合基岩标杆建设基底的要求，是埋藏于松散层下较稳定的基底。

8 地面沉降监测标组建设

地面沉降监测标组是地面沉降监测和研究的重要基础设施，已建成的济宁城区北部监测标组由基岩标、分层标、地面标、地下水水位观测孔和孔隙水压力观测孔组成。依据压缩层组划分和监测目的，对压缩地层进行分层监测，具体埋设深度见表6。

9 结论

(1)济宁城区204.5m以浅土层的物理特性的总体趋势受自重压力控制；孔隙水压力的变化是相对变化的重要控制因素；次级的波动与矿物成分和颗粒分布关系密切，同时也是多重因素共同叠加的结果。

表6 地面沉降监测标组埋设深度

(2)济宁城区100m以浅地层属中压缩性，正常固结状态，100～200m地层属低压缩性，超固结状态。100～200m地层的低压缩性和超固结状态的产生与地下水过量开采有关，是历史地面沉降发生的主要层位。

(3)济宁城区204.5m以浅土层可以划分为5个特征较为明显的地面沉降压缩层组。底部基岩稳定性可靠，可以埋设基岩标，以上地层压缩量可用4个分层标进行分层控制。