深基坑降水开挖的渗流场与应力场耦合分析

来源 :中国地质大学(武汉) | 被引量 : 0次 | 上传用户:ceshi110
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在软土地区的城市建设中,由于地层的软弱复杂,进行基坑开挖往往会产生较大的地层变形。而对于位于沿海、沿江的大城市来说,深基坑开挖中的降水也是一个影响地层变形很重要的原因。   本文首先对国内外工程数值模拟方法、渗流场、渗流场与应力场耦合的研究现状进行了简要介绍,叙述了地下水对深基坑工程可能产生的流砂、管涌、基底的突涌等不良作用,对基坑降水方法进行详细的介绍;阐述了渗流分析方法,渗流理论发展过程;介绍了土体固结变形的基本理论,对太沙基理论和比奥理论进行比较。   对武汉颐和丽品基坑工程的工程地质条件和水文地质条件进行介绍,并简要介绍该基坑的降水控制设计。   介绍了有限元数值模拟软件ABAQUS;由有效应力方程、应力平衡方程以及渗流连续方程构成了流固耦合基本方程,并探讨了典型基坑开挖剖面降水的渗流边界条件及应力边界条件。分析了流固耦合数值模拟方法的技术要点,并根据颐和丽晶工程实例借助ABAQUS软件,剖分网格,建立基坑降水开挖有限元模型,确定其边界条件,进行流固耦合数值模拟。   对此模型在只考虑降水影响情况的模拟,只考虑开挖影响和考虑降水开挖影响两种情况下的三个开挖阶段分别进行模拟,通过对三种情况模拟结果对比得出结论如下:   1、初始状态下孔隙水压力随着深度的增加逐渐增大,上部毛细区为负值。不同水位降深时的孔隙水压力图可以清楚地反映出此时地下水浸润面的空间位置和地下水降落漏斗形状。基坑降水开挖进行过程中,随着开挖深度的增加,在开挖面附近区域产生应力集中,上层覆盖的粘土层受到集中应力的影响,土层压密固结,由于粘土本身的渗透系数比较小,使其内部会有部分孔隙水无法渗流排出,形成了局部饱和区域。   2、渗流速度矢量可以反映出地下水流动方向,在降水井的抽水区域,渗流速度矢量达到最大,降水井外侧的速度矢量都指向降水井的抽水区域,表明抽水井附近区域的水头和基坑外侧稳定水位之间存在水头差,地下水在水力梯度作用下流向降水井,这与实际中抽水过程中的地下水流向符合,也与孔隙水压力分布曲线一致。降水井以下的土层中渗流速度方向向上指向基坑底面,表明地下水向着降水井底部渗流,距降水井越远速度越小,方向逐渐变为水平,逐渐与潜水面一致。   3、考虑开挖和降水共同作用的位移在水平方向上偏离要比只考虑降水作用情况下和只考虑开挖作用情况下的人,特别是在开挖面附近区域,但都是指向基坑内侧;在竖直方向上考虑开挖和降水共同作用的基坑外侧的十体比只考虑开挖作用和只考虑降水作用的土体沉降大,而在开挖面内侧的土体在只考虑开挖作用时是位移方向朝上,在开挖和降水共同作用的情况下位移方向朝下。   4、只考虑降水影响的竖向位移降水井处最大,离降水井越远,竖向位移值越小;在开挖面外侧只考虑开挖影响的土体沉降随着距开挖面的距离的增加而减小,且距开挖面20m以外的距离处有明显下降的趋势,距开挖面50m左右处趋于平稳;而同时考虑降水和开挖情况的竖向位移在基坑外侧的总体趋势是沉降,开挖面附近5m内沉降并不规律,在距开挖面10m~25m内随着离开挖面的距离的增大而增加,而后随距开挖面的距离的增大又有减小的趋势。而在基坑的内侧,只考虑降水情况的土体全部沉降,在开挖面内侧的土体在只考虑开挖作用时的隆起是随着开挖深度的增加而增加,隆起值较大;在同时考虑开挖和降水共同作用时,虽然随着开挖深度的增大基坑内侧土体由沉降变为隆起,但由于渗流场的作用,隆起值较小。   综上所述,基坑开挖引起了基坑底板的隆起和外侧土体的沉降,而降水造成了基坑内外侧土体的整体沉降,基坑开挖过程中降水可以为基坑底板与边坡的稳定提供有力保障,但降水和开挖同时引起的了基坑外侧土体的沉降。   通过降水开挖模拟沉降结果与地面沉降实际监测结果的对比,评估了三维有限元数值模拟用于模拟预测深基坑降水开挖引起的地面沉降具有合理性,并分析了误差产生的原因,并对模型存在的问题作了进一步的分析。
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