开挖卸荷和动态承压水耦合作用下的基坑突涌破坏机理分析

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随着滨海临江城市现代化建设的快速推进,出现了大量的滨海临江涉及承压水的深大基坑工程。与传统的承压水基坑工程相比,这类基坑工程的承压水位呈动态变化的趋势,简单地采用恒定承压水位进行基坑突涌计算将低估基坑发生突涌的风险。同时,基坑开挖卸荷会使坑底土体强度降低,进一步增大了基坑发生突涌的可能性。因此,探明基坑开挖卸荷引起的坑底土体强度软化规律和动态承压水作用下坑底弱透水层土体的渗流规律,揭示两者的耦合作用机理,才能从本质上诠释基坑突涌灾变的机制。本文以济南市黄河中下游典型粉质黏土地层为例,利用室内试验研究了基坑开挖过程中,不同卸荷比情况下土体强度的衰减规律,通过理论研究确定了动态承压水作用下坑底弱透水层中水力梯度的求解方法,借助ABAQUS有限元分析软件,建立基坑渗流模型,分析了动态承压水作用下坑底水力梯度的变化规律,并探究了影响坑底水力梯度的影响因素,利用前述研究成果对现有基坑突涌计算模型进行改进,提出了考虑坑底土体卸荷软化与承压水动态渗透耦合作用的基坑突涌判别式,并将其应用于工程实例之中。本文的主要研究内容如下:(1)通过搜集国内外文献归纳总结了基坑开挖卸荷对土体强度的影响、动态承压水作用下坑底土层的渗流问题、承压水作用下基坑突涌的破坏模式和各种计算模型。重点分析了三种常见的基坑突涌破坏理论,并提出对于黄河下游冲积平原地区的地铁车站基坑工程,应该采用渗透破坏理论。而渗透破坏理论未考虑基坑开挖卸荷对坑底土体强度的影响以及动态承压水作用下坑底土体的渗流问题,故还需对渗透破坏理论进行进一步的研究。(2)利用室内试验近似模拟基坑开挖轴向卸荷的过程,分别设计等卸荷量试验、等卸荷比试验以及正常加荷对照试验。通过分析不同卸荷比下土体强度的变化规律,利用临界卸荷比和极限卸荷比将基坑开挖卸荷的影响范围分为三个区域,并得出坑底以下0.54H的范围内土体强度变化最大,降幅约38%,坑底以下6.69H的范围内的土体均受到基坑开挖卸荷的影响。然后通过分析不同卸荷比下土体强度参数的变化规律,得到开挖卸荷完成后坑底土体的强度参数,并求解出考虑基坑开挖卸荷影响的坑底土体临界水力梯度。(3)针对承压水作用下坑底弱透水层中水力梯度的求解问题,通过分析不同计算方法的渗流理论和计算结果,得出基于越流理论和非稳定渗流理论的计算方法更加合理。结合实际工程,求得了承压水头动态变化下坑底水力梯度随时间的变化曲线,并指出承压水头动态变化引起的水力梯度动态变化非常明显,因此针对坑底土是弱透水土层的基坑突涌破坏问题,采用动态的承压水位进行基坑抗突涌稳定性验算更加合理。(4)结合工程实例,利用ABAQUS软件建立渗流分析模型,分析了无薄弱面时坑底水力梯度的变化规律,并与理论推导的解析解进行对比验证。然后分析坑底弱透水层中存在薄弱面时,薄弱面位置、宽度和深度对坑底水力梯度的影响,以及存在局部深坑时,局部深坑对坑底水力梯度的影响。最后结合工程实例,将修正后的临界水力梯度和动态水力梯度带入渗透破坏计算模型,得到了考虑坑底土体卸荷软化与动态渗透耦合作用的基坑突涌计算模型,并与原有渗透破坏计算模型和压力平衡法进行对比,证明了改进后的突涌计算模型更具有合理性。
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