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低渗透性粘土层高真空疏干井降水机理研究

邹斌  
【摘要】:在中国东部沿海地区广泛分布有低渗透性的淤泥质粘土层,在这些地区实施基坑降水时存在降水效率低下的问题,本文在此工程背景下引入高真空双管降水井结构,其良好的密封性使得降水过程中井内真空能够维持在较高水平,有效提升了低渗透性土层中的出水效率。本文依托宁波地铁基坑降水工程,利用有限差分软件FLAC3D数值模拟方法,结合现场试验及理论分析,针对低渗透性土层中高真空降水机理进行如下较为系统的研究:(1)对新型的双管高真空降水井结构,在宁波地铁车站基坑降水现场进行高真空管井与常规降水井的对比试验,降水效果对比验证了高真空管井能提高低渗透性土层中的出水量,另外对水位、孔隙水压力及地表沉降分布等规律做出说明。(2)应用FLAC3D有限差分软件建立真空降水数值模型,通过流固耦合方法,模拟宁波地铁现场试验过程和文献[5]、文献[7]及文献[37]中给出的真空管井降水案例,计算结果与现场试验测试结果对比发现,出水量、降深、负压分布形式等结果吻合度良好,说明本文采用的数值模型能够较好地反映真空降水中的复杂渗流过程。(3)通过FLAC3D数值模型,分析不同工况下单井、双井的降水过程,重点研究高真空管井降水的出水量与负孔隙水压力的传递规律,通过参数分析得到:低渗透性粘土中管井出水困难,管井内真空度越大,出水量越大;真空负压的影响范围与真空度、土层的渗透系数、地下水位及井深等因素有关,真空度越大、井深越大、土层渗透系数越高,真空负压的影响范围越大;真空负压在低渗透性淤泥质粘土中于水位面以上传递速度较快,在水位面以下传递受限;在数值模拟的基础上,引入真空度系数,提出真空管井出水量参考计算公式。(4)对低渗透性土层中高真空管井降水引起的地基土固结沉降过程分析发现,低渗透性土层中,排水速率低,固结时间长。对于10~(-7)cm/s渗透系数下土层中的单真空井,降水30天沉降最大值为1 mm,降水后90天,沉降量可达2.2 mm;真空吸力对于负压区以内的土体固结影响较大;降水引起的地表沉降及影响范围随真空度、井深和地基土渗透系数的增大而增大,宁波地层条件下,单井沉降影响范围为30 m左右,但沉降值较小。在分层总和法的基础上,考虑真空度的影响,提出真空管井降水下的沉降计算参考公式。(5)为研究管井降水的相互作用,本文通过双井降水模型分析双井同时降水下,真空负压的分布及地表沉降规律。井间距较小时,土层真空负压区叠加,加速地下水的渗流,但单井出水率下降;随着井间距的增加,单井出水量提升。在本文给定的土层条件下,根据单井日平均出水量及孔压分布,得出高真空双井间距建议设置在8 m。


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