基于流固耦合的济南临近水库地铁车站基坑变形性状研究

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基坑工程是一切建筑工程的基础,是地下工程的重要组成部分。在一些地下水位较高的邻水地区进行基坑施工,需采取降水的措施将地下水位降低至基坑底以下,保证施工时基坑面以上无地下水渗流然后再进行开挖。降水开挖过程会改变基坑周边应力场和渗流场——流固耦合作用,基坑中的流固耦合作用会使基坑周边土体和围护结构发生变形,当产生的变形过大时就会对基坑本身和临近建筑物产生破坏。为了保证基坑安全施工,对基坑中存在的流固耦合问题进行研究是非常有必要的。本文依托济南市R3线一标段孟家庄站明挖基坑工程,收集整理孟家庄站基坑周边风险源及水文地质环境数据,采用监测数据分析、数值模拟结果与实测对比等方法,运用Visual Modflow地下水模拟软件和Flac3D有限元分析软件对基坑开挖过程变形规律和地下水渗流作用对基坑稳定性的影响进行系统分析,主要内容如下:(1)结合工程情况,在分析工程周边环境、水文地质情况和支护形式的基础上,制定了本基坑工程需要监测的内容及监测方法。主要对地表沉降、围护桩顶水平/竖向位移、桩体深层水平位移进行监测,将不同施工阶段时监测数据进行整合,总结在降水开挖施工过程中基坑的受力情况和变形规律。(2)针对孟家庄站基坑实际工程,分别对不同止水帷幕深度、降水井深度、降水井抽水量、是否布置回灌井、孟家庄水库丰水期和枯水期水位高度下的降水过程进行渗流分析,通过分析不同地下水控制措施下的降水效果和渗流规律,发现止水帷幕深度取27m、降水井深度取23m、单井抽水量取110m3/d时最经济合理。(3)孟家庄站基坑主体位于强透水碎石土层,碎石土层地下水与西侧孟家庄水库连通,强透水层地下水位可以认为随水库水位的季节波动而不断变化。周期和频率相同但有一定的相位差。通过分析孟家庄水库丰水期和枯水期不同水库水位高度对基坑周边地下水渗流影响,发现孟家庄水库水位高度取0m时基坑周边地下水位最高。(4)取止水帷幕深度为27m,降水深度为基坑底以下0.5m,采用三道内支撑,对整个降水开挖过程进行流固耦合分析,得到了临水库主体位于碎石土层的基坑变性规律,将同一施工阶段下的监测数据与模拟分析结果进行一一对照,得出模拟结果与监测数据变形规律基本一致,检验了本次研究中模拟的合理性。且将实际监测数据与不考虑渗流作用的数值模拟结果进行对比,发现相差较大,可得考虑地下水渗流作用更符合实际情况,不可忽视。(5)依据水库丰水期和枯水期时基坑的不同水位,运用有限元模拟软件Fl ac3D针对基坑整个开挖降水过程建立基于流固耦合的数值模型,得到基坑在不同施工阶段时周边土体和围护结构的应力场和渗流场变化规律。可得当基坑初始水位在0m时基坑变形最大,地表沉降最大的点位于距基坑中心3m处,围护结构水平位移最大点位于围护桩上端不足1m处。
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