随着经济社会的发展和人口压力的与日俱增,用疏浚废土进行填海造陆已经成为上海这一港口城市缓解土地资源紧张,拓展生存空间和减少海洋环境污染的有效措施。上海先后在崇明东滩、浦东边滩以及横沙东滩等海岸带进行了多次吹填造陆活动,获得了大量土地资源。在合理规划与综合利用的前提下,这些吹填新陆地将为上海经济社会的可持续发展,城镇化和工业化的推进注入新的动力。然而,水力吹填形成的吹填土层在沉积过程中不仅自身会产生较大的变形量,还会进一步压缩下伏海陆交互相软土层,进而引起新一轮的固结变形。多层土压缩变形的累积即表现为地面沉降,这是一种在吹填区不可回避的环境地质现象,严重时可引发一系列严重的工程地质问题,不仅威胁地基的安全使用,破坏建(构)筑物(尤其是线性工程)的结构稳定性和长期使用的安全性,还会破坏人类的生存环境,削弱沿海地区抵御洪水、风暴、海平面上升等海洋灾害的能力。因此,有必要分析、研究、监测和预测吹填区的地面沉降特性,进而了解长时间尺度条件下地面沉降的演变与发展,同时从多层土工程地质性质的角度对地面沉降的分布做出机理上的解释。最终,为地面沉降的防治与工程建设的规划提供合理的参考依据。本文选择城镇化推进较快的崇明东滩为研究区域,该区域是上海典型的多期吹填区。但是这里的地面沉降的研究正处于起步阶段,前期工程地质资料与原位监测资料和主城区相比远远不足,对当前区域性地面沉降的分布与固结机理鲜有认知,难以有效规避地面沉降带来的环境危害与隐患。为丰富崇明东滩地面沉降的相关研究,本文开展了以下几方面的工作:(1)场地调查。在研究区布设10个沿东西长轴方向、跨越多期吹填区的勘探取样孔,取样孔深统一限定在55m,以查明崇明东滩自西向东扩张过程中典型剖面的地层结构;(2)室内试验。探究研究范围内吹填土层与天然沉积土层在不同尺度下的工程地质性质差异,阐明当前应力条件下的主要压缩层。利用计算机断层扫描(CT)、压汞(MIP)和扫描电镜(SEM)等先进手段探究各土层的细微观结构与孔隙特征;(3)地面沉降监测与分析。搜集2015年初到2019年末近5年时间内共70景Sentinel-1A雷达影像数据,选用短基线集合成孔径雷达干涉测量(SBAS-In SAR)来获取区域性的地面变形信息并统计自西向东多期吹填区的地面沉降规律并选取感兴趣区域来估算多层土的平均固结度;(4)通过综合分析多期吹填区内土体地层结构、物理与成分特征、化学与压缩特性以及渗透与微细观结构特征的变化,揭示差异性沉降的形成机制;(5)利用BP神经网络探究代表性工程地质参数与区域性地面沉降速率的内在联系。研究结果表明:(1)吹填土具结构性引起的超固结性质,反而是下伏的黏土与粉质黏土层为欠固结土层,对地面沉降贡献较大。研究深度内广泛分布的土层主要有由吹填土、砂质粉土组成的粉性土和由淤泥质黏性土、黏土以及粉质黏土组成的黏性土。崇明东滩的吹填土已自重固结20余年,期间受到地表蒸发与人类活动的影响,土层有一定收缩,结构性增强,致使吹填土表现为反常的超固结,砂质粉土同理,淤泥质黏性土则接近正常固结,以上三层土在当前应力条件下对地面沉降贡献较小;相反,黏土与粉质黏土均为欠固结,且黏土层是代表性压缩层。(2)In SAR监测表明,长轴方向上,成陆时间短的吹填区,沉降速率反而慢。近海晚期吹填区成陆时间较晚,理应沉降较快,然而,本文通过在SBASIn SAR遥感监测得到的地面变形速率场中统计各吹填区平均变形速率却发现了相反规律;在此基础上,联合应用双曲线法和三点修正指数曲线法估算了选定的近海和内陆土层的平均固结度范围。结果表明,当前应力状态下,近海吹填区土层固结已基本完成而内陆吹填区土层固结速度相对较快。基于In SAR的固结度估算可促进对区域地面沉降的发展的理解,对缺乏原位监测信息条件下的固结度评价有较好的适用性和较强的时效性。(3)近海晚期吹填区渗透固结条件差是引起地面沉降缓慢的内在控制因素。通过对多期吹填区固结特征进行对比来探究引起差异性地面沉降的机制。结果表明,代表性压缩层(黏土层),随着成陆时间的缩短,土层厚度加大,黏粒含量升高,压缩性变大,结合水膜变厚,细观非均质性增强,微观孔隙复杂度升高,黏粒团聚性由强至弱,黏粒常分散在孔隙之中,形成絮凝状结构,造成排水通道淤堵,渗透系数降低,因而固结效率低,最终导致地面沉降速率缓慢。(4)基于BP神经网络建立了地面沉降速率与土体多尺度工程地质参数之间的关系模型。以取自黏土层的16组黏土试样为研究对象,选取10个代表性的工程地质参数,包括黏土层厚度、黏粒含量、渗透系数、阳离子交换量、含水率以及回弹指数;微观孔隙形态分形维数、结构单元体的平均等效孔径、定向频率的标准差以及平均形状系数等160组参数作为自变量,选取In SAR得到的各吹填区沉降速率作为因变量来构建模型。结果表明,当选用宏微观多尺度参数共同参与分析时,土体工程地质参数对地面沉降速率的预测精度更高,关联更加密切。在未来的研究中,仍需要更丰富的室内试验,更长时间、更高精度的沉降监测来拓展本文初步的研究成果。