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基坑工程非稳定渗流场的有限元分析

张学飞  
【摘要】: 改革开放30年以来,我国经济发展迅速,城市基础设施建设取得了飞跃发展。随着城市的数量和规模越来越大,为解决目前普遍存在的城市人口膨胀、交通拥挤等一系列环境问题,积极开发地下空间已成为一种发展方向。大型建筑基坑,纵横交错的地下轨道交通和车站,大型地下停车场,地下商场等在国内各大城市不断出现,而且基坑的深度和面积还呈现不断加深加大的趋势,有些深基坑的开挖深度已经超过40米。虽然各地的承压含水层埋深各不相同,但是有些地区基坑开挖已经深入到承压含水层中,基坑开挖深度内,部分承压含水层已经被疏干,所以基坑降水已经不再是对浅部潜水疏干降水的问题,为了防止下部承压水冲毁基坑底板造成突涌,还必须认真关注下部承压含水层的降压问题。 本文针对现在基坑工程中出现的降水、降压问题主要做了以下的工作: 一、通过大型岩土工程有限元软件GEO-SLOPE中的渗流模块SEEP/W建立模型来模拟基坑非稳定渗流场,分别研究在潜水含水层中进行基坑降水的过程中,随着基坑内外水位的不断变化,渗透系数各向异性、土的分层、地下水流向、帷幕存在缺陷,帷幕插入深度等因素对止水帷幕下断面的流量、流速分布等渗流基本物理量的影响。 二、使用SEEP/W模块建立模型模拟当基坑底板距离承压含水层较近时,采用减压井降低承压水水头时,随着减压时间的增加,考虑上层潜水含水层对承压含水层存在越流补给的影响,分别研究土的渗透系数各向异性、不同的承压水水头、土的渗透系数、止水帷幕插入深度等因素对止水帷幕下断面的流量、最大流速等渗流基本物理量的影响。 通过模拟分析得到以下结论: 一、在基坑降水过程中,使用止水帷幕可以有效的减小流入基坑的水量,并且随着帷幕深度的增加,基坑周围地下水自由面下降高度不断减小,从而可以有效的减小周边土体由于地下水位的下降而导致的土中应力的变化,减小对周围环境的影响。 二、当没有做成完整的止水帷幕时,防渗体局部失效引起渗流场突变,在帷幕缺陷处水的流速和水力梯度均较大,在此处容易发生土体的破坏并进而引起发展性渗透破坏。在基坑降水工程中要意识到帷幕完整的重要性,保证止水帷幕的施工质量。 三、考虑渗透系数的各向异性影响,当土的水平向渗透系数较大时,在帷幕下断面处其流速分布较均匀,水头等势线竖向变化比较强烈;当土的竖向较大时,水头等势线竖向变化平缓,在远离基坑的位置基本接近于直线,并且随着竖向渗透系数的增大,沿帷幕两侧的水流速度逐渐增大。 四、如在基坑降水过程中存在地下水初始流动的情况,在上游帷幕下断面的流量比下游帷幕下断面的流量要大,且当上下游水位差较大时,在基坑降水的初始阶段,有一部分地下水会通过下游帷幕下断面流出。且在降水过程中下游帷幕外侧的地下水自由面下降高度较多。 五、在减压井降低承压水水头的过程中,随着止水帷幕在承压含水层中插入深度的增大,帷幕下断面的流量逐渐减小,较大流速分布在帷幕底与减压井井底之间的区域,帷幕插入深度的增加对基坑外侧潜水含水层的自由面高程影响不明显。


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