北京朝阳金盏地区地面沉降垂向分层研究

关键词：地面沉降；分层研究；地层结构；可压缩层；地下水
中图分类号：P642.26
文献标志码：A
文章编号：2095-1329(2021)02-0008-06
金盏地区位于北京朝阳区东北部地面沉降中心一带， 2007~2017 年间该区域中心沉降速率持续在 110mm/a 以 上，2018~2020 年沉降速率虽然有所缓解，但仍处于快 速发展状态。截止 2020 年底，该地区最大累计沉降量达 2229mm，是北京市累计沉降量最大，近年来地面沉降发育 最严峻的地区之一。区内第四系沉积有大量粉质细砂及粉 质黏土，主要为河流沉积与冲、洪沉积。脆弱的地质条件、 地下水的长期超采，导致地面沉降严重发育。且地面沉降 分布严重不均 [1-3]，灾害损失明显 。 [4-5]
本次试验共采集原状土样 65 份，取土规格长 15cm， 直径 8cm。原状土样根据间距与土样岩性特征进行采集， 各土样取土间隔小于 5m，相同岩性特征的土层厚度超过 2m 的规定采集。原状土样土柱体采用铝皮包裹封装，进行 实验前放置于 4~6℃低温保存，以避免空气氧化及土样中 孔隙水蒸发对测试结果产生影响。对土样进行各项工程性 质指标检测，包括天然含水率、天然密度、天然孔隙比、 孔隙度、液限、塑限、液性指数、塑性指数、压缩系数、 压缩模量、固结度。0~100m 地层的土样，利用固结仪实验 获取参数；100~300m 地层土体，使用大于 200kN 的材料 实验机进行实验参数获取。不同取土深度下土样实验结果 示例如图 2 所示。
岩性特征 杂填土、黏土 主要为黏土、夹少量细砂、粉质黏土 粉质黏土、中砂、细砂 黏土、粉质黏土、中砂
3.2 土体物理力学性质分析 土体物理力学特性指标包括天然密度、孔隙度、天然
含水率，对室内实验结果获取到的各项指标随深度变化情 况进行概化，其结果如图 3 所示。
（1）天然孔隙比大小反映土的结构状态，其数值越大 土体结构越松散 [14]。钻孔土体天然孔隙比在 0.5~1 之间波动， 均值为 0.7。浅部中孔隙比变幅较大，无明显趋势；中部孔 隙比呈递增趋势，由 0.7 增至 0.95；深部呈递减趋势，由 0.95 减至 0.6。底部范围内的地层孔隙比最大，表明该范围内地 层土地结构差。
（3）天然密度是指在天然状态下土单位体积的质量， 综合反映土的物质组成和结构特性，通常与孔隙比变化呈 负相关 [16]。据实验所有原状土样天然密度平均值为 2.014g/ cm3；浅部天然密度变幅较大无明显趋势；中部和深部呈递
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图2 固结实验成果 Fig.2 Results table of consolidation experiment
表2 金1孔岩性特征表 Table 2 Rock characteristics of Jin 1 boreholes
段号 一 二 三 四
起止深度（m） 0~50 50~100
100~180 180~300
图4 压缩系数随深度变化 Fig.4 Change of Coefficient of compressibility with depth 压缩模量（Es）是评价土体压缩性的重要指标之一， 也是沉降计算中的重要计算参数，其定义是土在完全侧限 条件下的竖向附加应力与相应的应变增量之比。土体压缩 模量越小，其压缩性越高 [18]。工程上常采用天然孔隙比与 100~200kPa 压力段对应的压缩系数计算压缩模量，作为评 价土的压缩性指标，公式如（1）所示：
减趋势，由 2.09g/cm3 减至 1.89g/cm3；底部呈震荡递增趋势， 增至 2.1g/cm3。
总体钻孔各项力学特性指标呈相似规律性，浅部土层 各项力学特性指标无明显规律，不易分析；中部和深部土 体逐渐松散，相对其他层位结构性差；底部土体逐渐密实、 增强，结构较稳定。
计算结果见图 5。按压缩模量划分土的压缩性等级 ， [19] 如表 3。
2 实验过程
钻孔取芯实验可以准确直接的揭示地层属性，获取详 细的地层地质特性。本次试验采用全液压岩芯钻机对金 1 孔 0~300m 地层进行取芯，全液压岩芯钻机具有回次进尺长、 自动化、机械化程度高等特点，并采用滑轮筒内原状取芯 技术，在获取不同深度岩芯时，不需要把孔内钻杆柱提升 至地表，而是借助专用的滑轮组合提升器械，在钻杆柱内 将岩矿心容纳管提取上来 。 [13]
压缩等级
中压缩性 中低压缩性 低压缩性
据此标准，0~100m 深的地层土体压缩等级基本为中 压缩性，100~180m 基本为低压缩性，180~300m 基本为中 低压缩性。可见 100~180m 黏性土层压缩性较低，相对其 它层位结构性较强；0~100m 浅部地层结构性最差，易发生 压密固结。 3.4 可压缩层划分
Table 3 Classification of compression grade according to compression modulus
室内压缩模量 Es(MPa) ≤2 2~4 4~7.5
压缩等级
特高压缩性 高压缩性 中高压缩性
室内压缩模量 Es(MPa) 7.5~11 11~15 ≥15
（2）天然含水率是天然状态下岩土孔隙中所含水分 的质量与固体物质质量的百分比，反映地层孔隙中的含水 量 [15]。金 1 孔中天然含水率分布在 16%~35% 范围内，变 化规律与孔隙比相似。浅部含水率变幅较大无明显趋势； 中部和深部呈递增趋势，由 24.1% 增至 35%；底部递减至 18.7%。含水率最大的层位分布于距地表 100~180m 范围内。
图3 土体物理力学特性指标图 Fig.3 Index diagram of mechanical properties of soil 3.3 黏性土压缩性分析 压缩系数 a，表示单位压力增量下土体孔隙率的变化， 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 [17]。土体压缩系数 a 在不同初始压力下试验结果不同， 在不同压力增量下试验结果也不同。本次土样位于地表至 300m 深度的浅层地层中，以初始压力较低及压力增量较低 的 50~100kPa 和 100~200kPa 两个压力区间对土体进行压缩 系数测量试验，结果如图 4 所示。
金 1 孔位于北京朝阳区东部金盏地区（图 1），毗邻 温榆河，属永定河、温榆河、潮白河等河流共同作用下形 成的冲洪积平原地带 [11]。第四系沉积物颗粒较细，可压缩 层厚度较大，第四系孔隙含水层层次较多，既有颗粒较粗、 富水性好的砂砾石层，也有颗粒较细、压缩性较高的黏性 土层。金盏地区地下水主要赋存于第四系松散孔隙介质中， 在永定河、潮白河等河流的冲、洪积作用下形成，沉积环 境较复杂。含水层岩性分带较复杂，总体变化规律为：由 山前至平原，第四系厚度逐渐增大，含水层颗粒由粗变细， 地下水位埋深由深变浅，含水层结构由单一的含水层逐渐 过渡为多层，而多层含水层结构区主要分布于各冲洪积扇 的中下部地区 [12]。其构造活动主要受南苑通县断裂、孙河 断裂、礼贤断裂影响。受构造活动、地下水开采强度影响， 金盏地区地面沉降量常年处于较高水平（表 1）。
收稿日期: 2021-01-12 修回日期: 2021-02-28 作者简介: 杨艳(1982-),女,双硕士,高级工程师, 主要从事地面沉降与地裂缝等地质灾害监测 防控研究. 电子邮箱: yangyanhunan1982@ 联系电话: 010-51560322 基金项目: 国家重点研发计划课题“城市群地质环境演化多源遥 感监测与预警”(2017YFB0503803); 北京市自然科学基金项目 (8162043); 北京市财政重点项目(PXM2019_158305_000012)
摘 要：金盏地区位于北京市东部，是北京平原区地面沉降最为严重的地区之一，其所在的北京平原东部沉降区也是
全市沉降最显著的地区，沉降速率连续多年超过100mm/a，累计沉降量逐年增大。在金盏地区进行0~300m钻孔取芯
实验，通过不同深度岩芯测试数据，系统分析该地区的土体力学性质，揭示地层结构。结合地层年代、岩性、埋藏条
3 岩土特征
3.1 钻孔岩性分层 依 据 金 1 孔 对 该 地 区 地 层 岩 性 的 揭 示， 金 盏 地 区
0~300m 地层岩性分布不均，除表层含有少量杂填土外，在 其它地层范围内黏性土与砂土在垂向上交叉分布，黏性土 厚度 104.9m，砂土厚度 189.2m。按照土层垂向岩性特征， 将钻孔贯通的 0~300m 地层分为四段，其每段岩性特征如 表 2 所示。
件、地下水补径排条件，在垂向上将0~300m地层划分为四个可压缩层，并根据不同可压缩层内地下水水位变化情况，
选取可压缩层内2007~2017年不同地层沉降量进行计算，在累计1427.49mm沉降量中，第四可压缩层沉降量最大，达到
1038.65mm。研究认为，当地层的砂土厚度较大时，对地面沉降的贡献是不容忽视的。
上海国土资源 Shanghai Land & Resources doi:10.3969/j.issn.2095-1329.2021.02.002
北京朝阳金盏地区地面沉降垂向分层研究
杨 艳1，罗 勇1，徐尚志2，田苗壮1，罗 强3，田 芳1
（1. 北京市水文地质工程地质大队，北京 100195；2. 北京市地质研究所，北京 100011； 3. 北京市地质工程勘察院，北京 100048）
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图1 金1孔地理位置示意图 Fig.1 Location of Jin 1 boreable 1 Statistical table of maximum annual subsidence rate in Jinzhan area
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并探讨不同地层与地面沉降的相关性，以期为金盏地区地 面沉降中心的进一步研究提供基础。钻孔取芯实验 2018 年 完成，地面沉降及地下水分层监测持续至今。
1 研究区概况
北京平原区西北高，东南低，是华北平原西北部由山 前平原过渡到华北平原中心的山前倾斜平原部位。平原区 断裂除山前地带有出露外，多为隐伏的活动断裂，以北北 东向活动断裂构造为主，控制了新生带以来平原区的发展 格局 [10]。平原区大部分为第四系松散的陆相沉积物，山前 到平原厚度由数十米到五六百米不等，从下更新统（Qp1） 地层到全新统（Qp4）地层均匀分布；按其成因类型可分为 冲积相、冲洪积相、河湖相和山麓坡洪积相地层，地层岩 性有卵砾石、砂类土及粉土、黏性土等。
在空间分布上，对于该地区的地下水开采、水位变 化与地面沉降的关系，以往进行过诸多研究并取得大量 成果 。 [6-9] 但作为北京平原地面沉降最发育的金盏地区， 未系统揭示过垂向上地层要素以及这些要素对地面沉降的 影响，导致这一地区地面沉降的研究和防治难以深入。基 于此，在金盏地区进行 0~300m 钻孔取芯（以下简称“金 1 孔”）实验，获取不同深度的岩芯数据，初步研究该地区 第四系松散沉积地层的工程地质特性，结合室内实验得到 的各项测试数据分析该地层各层位物理力学特性、计算地 层沉降量，进一步阐述该地区第四系地层压缩的空间特征
年度
2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013
最大年沉降速率(mm/a) 114.8 134.5 137.5 131.4 125.0 159.2 138.1
年度
2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020
最大年沉降速率(mm/a) 142.0 125.0 131.6 129.1 118.6 96.1 85.5
（1）
其中：Es 为土的压缩模量（MPa），e0 为天然孔隙比， a1-2 为压力 100~200kPa 时土的压缩系数。
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图5 压缩模量随深度变化 Fig.5 Change of compression modulus with depth
表3 按压缩模量划分压缩等级