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《中国科学院研究生院(武汉岩土力学研究所)》 2008年
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基坑开挖渗流研究及其工程应用

倪才胜  
【摘要】: 在土木工程的各个领域内,许多实践都与土中水的运动有关。土体的应力、变形、强度和稳定性均与土中水的运动和渗流有关,因而土中水的渗流对岩土工程有很大的影响。特别是在地下水位较高、渗透系数较大的地区进行基坑开挖,土体的渗透破坏继而造成开挖边坡失稳是基坑工程失事的主要或重要原因。渗流计算的任务在于求解渗流场内的渗流量、水头、压力、坡降等水力要素,进行渗透稳定性分析,选择合理的防渗、排渗设计方案或加固补强方案,有效地控制渗流。开挖边坡浸润线的位置是计算渗流量以及校核边坡稳定的必须资料。开挖边坡和基坑地基各个部位的渗流坡降应小于相应土体的允许值,否则将发生渗透变形破坏。 广东省惠州市剑潭水利枢纽厂房基坑具有开挖深、面积大,且处于河床之中,土体的渗透系数大,地下水位高等特点,因而渗流问题成为厂房基坑开挖过程中的核心问题。本文以该厂房基坑开挖为工程背景,对开挖过程中基坑渗流进行研究,分析稳定渗流时的浸润面、基坑渗水量,并对由渗流引起的开挖边坡稳定性问题进行了探讨。本文的主要工作及研究成果如下: (1)以经典的渗流理论为基础,借鉴砂土坝渗流的分段组合法,分析考虑自由面时砂土基坑开挖引起的渗流问题,得到传统分析法。在该模型的基础上,考虑渗流折射定律,将土层分层得到改进分析方法。采用上述方法,确定出浸润面的位置及渗水量的大小。分析结果显示:正常水位条件下,采用改进方法计算的基坑渗水量更接近实际的渗水量,说明改进方法优于传统方法。 (2)探讨了土体渗透变形的种类及相应的临界水力坡降的计算方法。根据上述方法,采用实际工程提供的有关参数和开挖基坑渗流的计算结果,对工程坝址区厂房基坑开挖进行了渗透变形评估。分析结果显示:基坑在无防渗墙情况下是不安全的;设置防渗墙后,基坑内的水力坡降得以大幅度降低,出现渗透破坏的可能性不大。 (3)利用极限平衡法分析无黏性砂质边坡渗流时的稳定性,将滑坡体作为一个整体,既考虑力平衡又考虑力矩平衡,确定滑坡面的位置及最小安全系数。根据土体的自然休止角及坡角的大小分为浅层滑坡和深层滑坡两种情况进行讨论,结合实际工程计算出边坡安全系数,与实际情况吻合较好。 (4)根据水利枢纽工程的地质资料,借助于Geo-CAD软件对厂房区的地层进行三维可视化,显现各土层、岩层信息及断层走向、大小,为以后基坑开挖数值模拟,建立合理的计算模型,设置各地层的参数提供了必需的资料。 (5)选择厂房基坑具有代表性的1-1、2-2两个剖面,克服了FLAC~(3D)建模的缺陷,直接在FLAC中对两个剖面剖分,剖分成较为理想的单元网格。计算中剖面1-1考虑了初始平衡、沉井施工、开挖、回填四种工况,剖面2-2考虑了初始平衡、开挖、沉井施工及回填三种工况。对于每一个剖面的开挖、回填两种工况分别对比了不考虑渗流耦合和考虑渗流耦合两种计算结果。计算结果显示:考虑渗流耦合后总应力变小,基坑开挖位移回弹量变小,塑性区表现为过去屈服。设置防渗墙后基坑的渗水量明显变小,充分说明沉井与防渗墙的防渗作用明显。未设置防渗墙的基坑渗水与改进方法计算的结果基本吻合。
【学位授予单位】:中国科学院研究生院(武汉岩土力学研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2008
【分类号】:TV223.4

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