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上海地面沉降的数值模拟

谭成栋  
【摘要】: 早在1921年,上海就发现存在地面沉降问题,进入二十世纪八十年代以来,随着社会经济的快速发展,特别是工程建设的迅猛发展,上海地面沉降问题日益严重。 本研究在归纳总结国内外地面沉降研究现状、特别是地面沉降数值模拟研究中存在的不足的基础上,基于对现有上海地区地面沉降长期观测资料的分析研究,自主开发了基于水—土完全耦合理论的地面沉降数值模拟有限元程序,并对上海浦东塘桥地区地面沉降进行了模拟计算。数值计算结果与实测数据的对比表明:本研究提出的有限元计算程序能较为有效地模拟计算区的地面沉降,计算结果与实测数据吻合较好。同时,数值计算结果表明:第一软土层、第四含水层以及第四硬土层为计算区的主要沉降层,地下水开采与大规模地城市建设是计算区地面沉降的主要影响因素。 本文研究在以下方面具有创新性。首先,文章在研究了我国现有针对上海、天津市建立的地面沉降模型的基础上,采用了能反应地下水三维渗流与土体三维变形的水—土完全耦合模型,以解决准三维渗流模型以及两步法的耦合方式带来的不足;其次,通过研究各土层变形与地下水水位变化的关系以及主要沉降层的变形特征,提出对于第一软土层、第四硬土层和第四含水层,弹性理论无法合理地解释其变形特性,必须引入弹塑性理论对其变形进行研究;再次,在土体弹塑性本构模型的选择上,通过对地面沉降中土层变形特性的研究,首次将下负荷面t_(ij)模型引入了地面沉降数值模型中,因为下负荷面t_(ij)模型在模拟土体真三维变形中有着其它模型不可比拟的优势,同时能适用于超固结土。以上各点使得本文的地面沉降模型能更好地反映地面沉降中土体的三维变形,符合土体在沉降时真实的三维应力状态,同时又考虑了土体的超固结性,提高了数值模拟的准确性。


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