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潜水地区地铁车站深基坑降水开挖引起的变形研究

吴意谦  
【摘要】:伴随着全球经济和城市化的飞速发展,人类生存空间和地面交通的压力越来越大,高层和地下建筑工程正在各地如火如荼的开展着,随之而来的深基坑工程无论数量、深度还是规模均在与日俱增。为保证深基坑工程施工开挖环境的干燥与安全,在开挖前进行相应的降水工程必不可少,而抽降水及后续的开挖均会引起周围土体的不均匀沉降及环境的改变,容易引发严重的工程事故,给人民的财产及安全带来极大的隐患和风险,准确预测降水以及后续开挖而引起的变形就显得尤为重要。本文针对基坑降水及后续开挖引起的周围土体、建筑物及支护结构的变形,进行了较为全面的理论分析、计算公式推导、数值模拟及其现场监测研究,主要完成的工作和取得的成果如下:1、计算求解基坑降水引起地面沉降的理论精确解十分困难,因其涉及包括群井效应在内的诸多影响因素。结合西客站深基坑工程实例,设计了单井抽水试验、完整基坑群井降水的方案,并完成了现场一系列的监测工作,得到不同降深、不同距离时单井以及群井的井周地下水位和地表沉降量变化规律,对比分析发现仅在大降深时的井周附近区域内,群井效应在影响地下水位方面表现得较为明显,对地表沉降量的影响十分微小。可以忽略群井效应的影响,基于Dupuit假设和分层总和法提出一种简化算法计算降水引起的井周地面沉降,计算结果与现场监测数据较为吻合。2、规范算法与实际情形存在差异,通过分析降水引起的地面沉降机理,在降水后的疏干带土层内引入非饱和土的有效应力原理作为其计算理论的依据,推导出基坑降水引起周围土体沉降的改进算法,结合工程实例将该改进算法的计算结果与实际监测数据和规范算法进行对比,表明该算法的计算结果略小于规范算法,更为接近实际监测值。3、降水后土层的变形包括水平位移和竖向沉降,通过分析降水引起的土层变形机理及渗流力作用的转化机理,得出地下水运动产生的渗流力是导致土层变形的根本诱因,利用地下水渗流力学原理给出该渗流力的方向,在假想渗流等一系列假设的基础上,建立土微元体简化力学模型,推导出考虑渗流力作用下基坑降水引起地面沉降的改进算法,结合工程实例验证,表明该改进算法的计算结果与实测数据更为吻合。4、降水会引起井周建筑物的不均匀沉降及倾斜,以桩基础为研究对象,通过降水后桩基沉降的机理分析,以降水后桩侧负摩阻力和中性点位置为切入点,建立改进的桩基沉降等效计算模型,结合已有的规范经验公式及前述已完成的考虑疏干带非饱和土影响下有效应力增量的计算方法,分别给出单桩、群桩在降水后不均匀沉降量的计算方法,结合土门墩车站深基坑降水工程实例,表明提出的计算程序具有较高的实用价值,可以快速求解出降水后井周建筑物的不均匀沉降值。5、结合西客站、土门墩两车站深基坑工程实例,采用大型有限差分软件FLAC3D及流固耦合的两步算法对基坑降水后周边地表、建筑物的变形进行了全过程的模拟分析,将模拟结果与前述各理论计算方法进行对比,结果基本吻合,数值模拟方法计算结果略小于理论算法,理论算法得到了一定程度的验证。6、结合西客站、土门墩两车站深基坑工程实例,通过现场监测得到由降水引起的周边土体及建筑物沉降的变形规律,将实际监测值与前述各计算结果进行对比分析,结果基本吻合,通过实测数据有力的验证了前述各理论算法及数值算法的正确性。7、岩土工程问题具有极强的地域性,兰州地区大厚度潜水卵石层由基坑降水引起的周围土体沉降量因含水卵石层的级配不良、骨架优异而明显小于其它地区,导致规范算法计算结果偏大,提出一个适用于该类地区、针对于规范算法的折减系数ζ,折减计算结果更为接近实测值。8、降水后基坑的开挖将导致坑周、坑底土体以及支护结构的变形,给周边环境带来风险,在总结前人研究成果的基础上,通过大量算例验证提出M-C本构模型不适宜应用于模拟计算基坑开挖,采用有限差分数值分析软件FLAC3D并利用修正剑桥模型对基坑开挖施工的全过程进行了模拟优化研究,结果表明优化方案合理可行。


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