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滨海地区地下水位变化对地基及基坑渗流特性的影响研究

章丽莎  
【摘要】:随着我国建设海洋强国和大力发展海洋经济的战略部署,滨海地区城市和新区的规划与建设中涌现出了大量超高层建筑、地下空间开发综合体、跨海(江)大桥和过海(江)隧道、重要海港等重大工程项目。滨海地区地下水蕴藏丰富,具有随海水波动而动态变化的特点,地下水位动态变化导致地基和基坑工程周围的渗流场变得更为复杂。地下水渗流对基坑的变形和稳定性具有不利影响,复杂的渗流环境极可能引发围护结构破坏、管涌、失稳等工程事故。因此,对地下水位动态变化引起的地基或基坑工程渗流和稳定性等问题的研究具有重要的工程意义。本文从地下水位变化引起的双层和成层地基的孔压响应研究出发,逐步建立起坑外地下水位变化的基坑渗流分析模型,分别采用解析方法、有限元数值方法和模型试验方法,深入研究地下水位变化对基坑周围的孔压响应、支护结构两侧水土压力变化及分布规律、基坑渗流破坏等方面的影响。进一步地,对承压水头动态变化作用的深基坑坑底弱透水性土层中的超静孔压响应和基坑抗渗流稳定性展开了初步研究。本文主要工作和创新成果包括:(1)开展地下水位变化产生的超静孔压在双层地基中传播的解析研究,采用Duhamel积分、分离变量法和傅里叶级数展开的方法分别求解了双层地基底部为不透水或透水两种不同边界条件下地下水位简谐变化和任意变化产生的超静孔压解析解。通过与已有文献解答以及有限差分数值解进行对比,综合验证了解析求解结果的正确性。采用参数化分析方法,探讨了无量纲影响因子、渗透系数比值、体积压缩系数比值、土层厚度比值等四个主要影响因素对地下水位变化引起土体中超静孔压分布的影响。(2)综合考虑土体渗流各向异性、压缩性沿深度变化等因素,建立任意地下水位变化引起的成层地基土体孔压响应的控制方程和求解条件。选取并讨论了常用的岩土工程有限元数值软件对土体中孔压传递问题研究的理论基础、有限元数值分析原理以及数值解计算精度。选用了数值计算精度高的COMSOL Multiphysics有限元软件开展地下水位任意变化引起的成层地基孔压响应的数值研究,讨论并分析了地基土体渗透各向异性、土体压缩性沿深度变化和土体成层性对超静孔压分布的影响。(3)采用基坑的一维简化双层地基模型,通过稳定渗流条件下的静孔压和坑外地下水位变化引起的超静孔压叠加的方法求解基坑支护结构两侧的总孔压,进一步求解得到基坑支护结构两侧的竖向有效应力、有效土压力及总侧压力;求解了基坑底靠近支护结构处的出逸比降,提出了基于非稳定渗流理论的基坑坑底抗渗流稳定性的计算方法。通过与COMSOL Multiphysics有限元软件的数值解对比,验证了基坑支护结构两侧的总孔压分布解析解精度。通过算例计算,分析了地下水位动态变化对基坑支护结构两侧的总孔压、有效土压力和总侧压力的影响;讨论了基于非稳定渗流理论求解的出逸比降解析解与传统方法出逸比降解的异同,探讨了考虑非稳定渗流的基坑坑底抗渗流稳定性的计算方法及其工程应用。(4)研发了复杂地下水环境下的基坑开挖模型试验装置,解决了试验中潜水位和承压水头动态连续变化、以及基坑开挖过程的试验模拟问题,为潜水位和承压水头动态变化等复杂地下水环境引起的基坑问题研究提供有效的试验手段。(5)通过自主研制的模型试验箱和孔压传感器的标定装置,分别开展了坑外恒定水位条件下的基坑稳定渗流模型试验和坑外水位动态变化条件下的基坑非稳定渗流模型试验,将两组试验的结果分别与基坑一维简化稳定渗流的解析解、COMSOL三维有限元数值计算结果进行对比分析,探讨了坑外恒定水位条件下基坑稳定渗流与坑外动态变化水位条件下基坑非稳定渗流引起的总孔压响应规律。(6)基于一维地基越流模型,得到了承压水头变化条件下大面积基坑坑底弱透水层中的超静孔隙水压力以及坑底出逸比降的解析表达式,提出了考虑非稳定渗流的动态承压水作用基坑的抗渗流稳定性验算的新方法。出逸比降解析解的正确性进行了验证,分析了承压水头波动引起的基坑出逸比降变化规律和影响因素,最后将基于越流理论的出逸比降解析求解方法进行了工程应用。


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