（岩土工程专业论文）考虑渗流影响与分步开挖的基坑变形性状分析研究.pdf

摘要 摘要 在基坑开挖施工过程中，由于坑内外水头差的存在并随时间变化，引发土体中渗流 场和应力场的改变，水土相互作用变得极为复杂。大量的基坑工程实践表明，渗流作用 的影响十分显著；但是，目前有关对渗流影响基坑变形性状的研究尚不多见。 本文以某泵站软土基坑监测项目及某广场基坑工程为研究背景。以现场监测数据为 基础，基于渗流基本理论，采用二维有限元计算方法对渗流问题进行求解；对考虑渗流 影响与分步开挖的基坑变形性状进行分析研究。主要研究内容及成果如下： 1 、对某泵站软土基坑工程施工进行了监测工作，采集了包括桩顶水平位移、地下 水位、支撑轴力和支护结构变形等原位监测数据。由监测效果分析表明：此监测方法为 基坑信息化设计与施工提供了可靠的依据，适合于在本地区软土基坑工程中推广应用。 2 、在有限元数值计算中，土体参数的选取是重要的一个环节。本文分别采用直剪 试验、固结试验、渗透试验测定土的重要力学参数：c 、缈、e 。及k ；并以室内试验测 试值为基础，结合经验参考统计值确定有限元计算参数。 3 、结合泵站软土基坑工程和某广场基坑工程，采用大型有限元软件m i d a sg t s 模 拟基坑施工开挖，以水渗流作为讨论因素，分别建立考虑渗流和不考虑渗流两个计算模 型，模拟基坑施工开挖过程。分析各开挖阶段渗流场的分布及变化规律，并对渗流影响 下的基坑变形性状( 主要包括支护结构变形、坑外地表沉降变形和坑内地面隆起变形) 进行分析研究，并将计算值和实测值作对比分析，得出在该工程条件下的基坑变形性状 规律： ( 1 ) 考虑渗流影响的支护结构最大水平位移计算值较不考虑渗流增大约3 0 ，并与 实际测值比较接近； ( 2 ) 基坑地表最大沉降变形位置发生在距支护结构约为一倍的开挖深度处，考虑渗 流影响的坑外地表沉降变形随开挖深度增加明显增大，且最大位移点向外移动； ( 3 ) 坑内地面隆起变形曲线呈抛物线状，最大位移在基坑开挖面的中心点的位置。 考虑渗流影响的坑内隆起变形，除第一次开挖最大位移发生在中部外，其它开挖步的最 大隆起变形在靠近基坑墙体侧壁附近。 4 、以工程实例( - - ) 为背景，建立有限元数值分析模型，将渗流影响因素作为不 厂东工业大学工学硕士论文 变条件，通过改变对土体的某些主要计算参数( 渗透系数k 和内摩擦角矽) ，得出在该工 程条件下土体特性变化对基坑变形性状的影响规律： ( 1 ) 渗透系数在l 1 0 忽以内变化，对基坑支护结构变形影响不明显，随渗透系数 增大，支护结构变形略有增加。地面沉降变形受渗透系数影响较为明显，渗透系数变化 对开挖面中心点处隆起变形影响较小，而开挖面墙体附近隆起变形影响较为明显； ( 2 ) 土体内摩擦角矽变化对支护结构变形影响非常明显，矽取值越小，支护结构最 大位移越大。计算值显示：当内摩擦角取值减少5 0 时，支护结构最大变形量增加3 0 左右，内摩擦角的变化对坑内隆起变形和地表沉降变形的影响也是非常明显，内摩擦角 越大，隆起变形和地表沉降变形也越大。 关键字：基坑监测室内试验基坑开挖渗流有限元法基坑变形 a b s t r a c t a b s t r a c t d u r i n gt h ee x c a v a t i o no ff o u n d a t i o np i t ，t h es e e p a g ef i e l da n ds t r e s si nt h es o i l h a d c h a n g e dd u et ot h ed i f f e r e n c ea n dv a r i a t i o no fw a t e rh e a db e t w e e n t h ei n s i d ea n do u t s i d eo f f o u n d a t i o np i t ，a sar e s u l t ，t h ei n t e r a c t i o n sb e t w e e ns e e p a g ef i e l da n ds t r e s sf i e l da r e c o m p l i c a t e d i th a sb e e ns h o w nb yag r e a ta m o u n to fp r a c t i c e st h a tt h ei n f l u e n c e so ft h i s s e e p a g ea r eo b v i o u s l y h o w e v e r , t h e r ei sv e r yl i t t l er e l e v a n ts t u d ys of a r i nt h i st h e s i s ，m ys t u d yb a c k g r o u n d sa r em o n i t o r i n gap u m p i n gs t a t i o na n das q u a r e f o u n d a t i o np i t b a s e do nm o n i t o r i n gd a t aa n dt h et h e o r yo fs e e p a g e ，2 df i n i t ee l e m e n t m e t h o da r eu s e dt os o l v et h es e e p a g ee q u a t i o n s ，a n dd i da n a l y s i sa n dr e s e a r c ho nt h eb e h a v i o r o ff o u n d a t i o np i td e f o r m a t i o nw i t hc o n s i d e r i n gs e e p a g ea n dm u l t i s t a g ee x c a v a t i o n t h e m a i n l yc o n t e n t sa n dr e s u l t so ft h i st h e s i sa r ea sb e l o w ： 1 m o n i t o r i n gw o r kh a df i r s tb e e nc a r r i e do u to np u m p i n gs t a t i o nw h i c hi n c l u d e d c o l l e c t i n ga n da n a l y z i n gd a t a so ft h eh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n to fp i l ep e a k ，g r o u n d w a t e rl e v e l ， s u p p o r ta x i a lf o r c ea n dd e f o r m a t i o no fs u p p o r t i n gs t r u c t u r e t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h e m o n i t o r i n gm e t h o da p p l i e di nt h i sf o u n d a t i o np i th a dm a d eg r e a te f f e c t ，a n di tc a n b ea p p l i e d i ns i m i l a rc o n d i t i o n s 2 i nt h ea p p l i t i c a t i o no ff e m ，t h ep a r a m e t e rr e f e rt ot h es o i lm u s tb ec a r e f u l l y c o n s i d e r e d t h ev a l u eo f t h ep a r a m e t e r s ( i n c l u d i n gc 、ea n dk ) w e r et e s t e db yl a b o r a t o r y s o i lt e s t ，b a s i n go nt h i sd a t a sc o m b i n e dw i t he x p e r i e n t i a lv a l u eo nt h em a n u a l t h ev a l u ea r e c o n f i r m e d 3 f e ma n a l y s i so nf o u n d a t i o np i ti sb a s e do nt h ee x a m p l e sm e n t i o n e da b o v e t h e s e e p a g ew a sc o n s i d e r e dt ob eav a r i a b l ef a c t o n t os t u d yt h ed i s t r i b u t i o nl a wo ft h es e e p a g e ， 2 df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm o d e l st h a ti nn op r o ea n dp o r ew e r ee s t a b l i s h e d i nt h i sw a y , t h e b e h a v i o ro ff o u n d a t i o np i ts u c ha ss u p p o r t i n gs t r u c t u r ed i s p l a c e m e n t ，t h es e t t l e m e n t d e f o r m a t i o no fg r o u n da n dt h eu p h e a v a ld e f o r m a t i o no fl a n dw e r ea n a l y s i s e da n d r e s e a r c h e d ，a n di tw e r ec o m p a r ew i t ht h ed a t ao b t a i n e df r o mf i e l do b s e r v a t i o n t h eb e h a v i o r o ff o u n d a t i o np i td e f o r m a t i o no nt h i sc o n d i t i o nw e r ea sf o l l o w ： i i i 广东工业大学工学硕士论文 ( 1 ) t h es u p p o r t i n gs t r u c t u r em a x i m u md i s p l a c e m e n ti np o r ei s3 0 l a r g e rt h a nt h a ti n n op o r e ，a n dt h er e s u l ti ss i m i l a rt ot h ev a l u ed a t ao b t a i n e df i o mf i e l do b s e r v a t i o n ( 2 ) t h es e t t l e m e n td e f o r m a t i o no fg r o u n dw a sd e v e l o p p i n gd u r i n gt h es t a g eo f e x c a v a t i o n , t h em a x i m u mi si ns i n g l ee x c a v a t i o md e p t h t h ed e f o r m a t i o ni np o r ei n c r e a s e d s i g n i f i c a n t l y , a n dt h em a x i m u md i s p l a c e m e n ts i t eo u t w a r dm o v e m e n t ( 3 ) t h eu p h e a v a ld e f o r m a t i o no fl a n ds h o w e d a sap a r a b o l a ，a n dt h em a x i m u m d e f o r m a t i o ns i t ei si nt h em i d d l eo ft h eb o t t o m w h i l ec o n s i d e r i n gt h ei n f l u e n c eo ft h e s e e p a g e ，i ti sl a r g e rt h a nt h a ti nn op o r ea n dt h em a x i m u md e f o r m a t i o ns i t ei so nt h es i d eo f b o t t o me x c e p t et h ef i r s ts t e pe x c a v a t i o n 4 b a s eo nt h ee x a m p l e2 , 2 df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm o d e l si np o r ew e r ee s t a b l i s h e d ， s e e p a g ei sc o n s i d e r e dt ob ec o n s t a n t t os t u d yt h eb e h a v i o ro ff o u n d a t i o np i td e f o r m a t i o nb y c h a n g i n gt h es o i lp a r a m e t e r s ( s e e p a g ec o e f f i c i e n ta n da n g e lo fi n t e r n a lf r i c t i o n ) ，i tc a nb e c o n e l u d e da sb e l o w ： ( 1 ) w h e nt h es e e p a g ec o e f f i c i e n tc h a n g ew i t h i nlt o10 ，i th a sf e wi n f l u e n c eo no u n d a t i o n p i td e f o r m a t i o nb u ts e e p a g ec o e f f i c i e n tf o l l o wt h ef o u n d a t i o np i td e f o r m a t i o nc h a n g e sa sw e l l h o w e v e r , t h eu p h e a v a ld e f o r m a t i o no fl a n di s i ne v i d e n c eb yt h ec h a n go fs e e p a g e c o e f f i c i e n t ，s oa st h eb o t t o mh e a v e ，e s p e c i a l l yo nt h ep l a c eo fs u p p o r t i n gs y s t e m ( 2 ) t h ec h a n go fi n t e r n a lf i i c t i o th a dg r e a te f f e c to nt h eb e h a v i o ro ff o u n d a t i o np i t d e f o r m a t i o n t h ed i s p l a c e m e n to fs u p p o r t i n gs t r u c t u r eb e c a m el a r g e ra st h ea n g l eo fi n t e r n a l f i i c t i o tb e c a m es m a l l e r t h ec a l c u l a t i o nv a l u es h o w e dt h a t ：t h ea n g l eo fi n t e r n a lf r i c t i o tr e d u c e 5 0p e r c e n t ，a st h ed i s p l a c e m e n to fs u p p o r t i n gs t r u c t u r ei n c r e a c ea p p r o x i m a t e3 0p e r c e n t t h e s e t t l e m e n td e f o r m a t i o no fg r o u n da n dt h eu p h e a v a ld e f o r m a t i o no fl a n dw e r ea l s oa f f e c t e db y t h ec h a n go f s e e p a g ec o e f f i c i e n ti ne v i d e n c e k e y w o r d s ：f o u n d a t i o np i tm o n i t o r i n g ；l a b o r a t o r yt e s t ；e x c a v a t i o no ff o u n d a t i o np i t ； s e e p a g e ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；d e f o r m a t i o no ff o u n d a t i o np i t 1 v 广东t 业大学丁学硕+ 论文 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师的 指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包含本人或其他用途使 用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说 明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论文成果 归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 2 以毋年锣月f 沙日 椭誓 字 字 签 签 师 者 教 作 导 文匕日人匕 指 论 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 随着城市建设的飞速发展，各类用途的地下室、地下铁道及地下车站、地下街道、 地下商场、地下医院、地下仓库、地下民防工事以及多种地下民用工业设施等地下空间 正得到开发利用，并且规模和深度不断加大。我国近年来在北京天津、广州、深圳、等 地兴建了大量的高层建筑，并由此出现了大量的深坑工程。 基坑工程是基础和地下工程施工中的一个古老的传统课题。放坡开挖和简易木桩围 护可以追溯到远古时代。人类的土木工程活动促进了基坑工程的发展，特别是进入2 1 世纪，随着大量高层、超高层建筑以及地下工程等的不断涌现，基坑工程得到了很大的 发展。1 9 4 3 年，t e r z a g h i 和p e c k 就提出了预估挖方稳定程度和支撑荷载大小的总应力 法；1 9 5 6 年，b j e r r u m e i d e 给出了分析深基坑底板隆起的方法；上世纪6 0 年代开始， 在奥斯陆陆和墨西哥城软粘土深基坑中使用了仪器进行监测。我国上世纪7 0 代以前的 基坑都比较浅，到了上世纪8 0 年代，广东、北京、上海等地的深基坑工程逐渐增多， 并积累了很多的设计和施工经验，进入上世纪9 0 年代，许多地区开始编制深基坑支护 设计与施工的有关法规。基坑工程又是一个实践性很强的岩土工程问题，迫切需要理论 来指一导、充实、完善，有关于基坑的稳定性、支护结构的内力和变形以及周围地层的 位移对周围建筑物和地下管线等的影响的计算分析，目前尚不能准确地得出定量的结 果，但是，有关地基稳定以及变形理论，对解决这类实际工程问题仍然有非常重要的指 导意义。在理论上，经典的土力学已经不能完全满足基坑工程的要求，考虑应力路径( 卸 载) 的作用，土的各向性、土的流变性、土的扰动、土与支护结构的共同作用等的计算 理论以及数值方法和系统工程等软科学的研究日益引起基坑工程专家们的重视。 基坑工程还是一个综合性的岩土工程难题，既涉及土力学中的强度与稳定性问题， 又包含了变形和渗流问题，同时还涉及到土与支护结构的共同作用。例如，在深基坑开 挖过程中，随着施工和基坑降水的进行，应力边界条件和渗流边界条件的改变，不同地 下构筑物基础型式的影响以及反映应力场和渗流场耦合作用，渗透系数的变化和空间分 广东t 业大学工学硕士论文 布不均匀等，使得渗流与土及支护结构的相互影响显得极其复杂，需要加强对渗流对基 坑影响机理以及渗流与土体介质相互作用的研究，保证基坑的稳定、满足变形控制的要 求，以确保周围建筑物、构筑物、地下管线和道路等的安全。 随着基坑开挖深度的增加，渗透水头迅速增大，当水力梯度较大时，土的性质将 受到何种程度的影响、变化规律又如何，这些变化对深基坑稳定和变形将产生何种程度 的影响，都有待于解决。因此，研究渗流对基坑土的影响机理的必要性和重要性是显而 易见的。 1 2 基坑渗流引起的问题 近年来，基坑支护结构上的水土压力的计算越来越受到重视。其中一个主要的原因 是由于地下水引发的工程事故不断发生。据统计，由于水引发的工程事故约占2 2 【3 1 ， 这充分说明水是导致深基坑工程事故的重要因素。 1 2 1 引起墙后地面沉降 深基坑工程中，地下水的渗流将会使基坑周围形成较大的降水漏斗。随着开挖的进 行，地下水自由面不断下降，从而使坑外土体的有效应力增加，墙后土体将发生不均匀 固结沉降。特别是当前大多数基坑位于繁华的都市里，施工场地狭小，坑周的地面沉降 严重地影响了周围的建筑物。为减少坑外的地面沉降，除加强支护、支撑等措施外，如 何谨慎合理地处理基坑周围地下水也己成为基坑工程中必须应对的问题 4 1 。 1 2 2 引起渗透破坏 渗流作用引起的土体渗透破坏型式可分为管涌和流土两种型式。在地下水丰富、渗 透系数较大( 渗透系数大于1 o e 1 0 c m s ) 的地区进行支护开挖时，通常需要在基坑内降水； 如果围护结构自身不透水，由于基坑内外水位差，导致基坑外的地下水绕过围护墙下端 向基坑内渗流，这种渗流产生的渗流力在墙背后作用方向向下，而在墙前( 基坑) 内侧作 用方向则向上，当渗流力大于土的浮重度时，土颗粒就会随水流向上喷涌。在不连续砂 性土中，有可能开始时土中细粒通过粗粒的间隙被水流带出，产生管涌现象。随着渗流 通道变大，土颗粒对水流阻力减小，渗流力增大，使大量砂粒随水流涌出，形成流砂， 加剧危害。在软粘土地基中渗流力往往使地基产生突发性的泥流涌出。以上现象发生后， 使基坑内土体向上推移，基坑外地面产生下沉，墙前被动土压力减少甚至丧失，危及支 护结构的稳定。 2 第一章绪论 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国内外渗流理论的研究现状 1 8 5 6 年，法国工程师h e n r yd a r c y 提出著名的d a r c y 定律，开始了对地下水运动规 律的定量化认识。j d u p u i t 根据达西定律研究了地下水一维稳定运动和水井的二维稳定 运动规律。p f o r c h h e i m e r 等又研究了更为复杂的地下水渗流问题，从而奠定了地下水 稳定渗流理论的基础。稳定渗流理论没有考虑时间变量，只能描述一定条件下地下水所 能达到的一种暂时的平衡状态，而对反映随时间不断变化的地下水实际运动状态无能为 力。这一阶段的主要标志是c 列宾逊、m 麦斯盖特等利用一般的有关连续介质力学的概 念建立起来的以研究水井渗流问题为特征的古典水动力学渗流理论s 】。 j b o u s s i n e s q 提出了地下水非稳定流的偏微分方程式，从而开始了各种严格定量的 水动力学方法的研究。随后，0 e m e i n z e r 研究了地下水运动的非稳定性以及承压水层 的贮水性质：c v t h e i s 在此基础上提出了地下水在承压水井的非稳定流公式。j a c o b 参 照热传导理论建立了地下水渗流运动的基本微分方程l7 弗j 。 n n 斯特里热夫首次定性地阐述了液体在可压缩地层中渗流理论的物理基础，并描 述了地应力作用下地下水流动的基本特性，以及岩土介质孔隙度和渗透率的降低、岩土 骨架不可逆的基本性质，由此逐步建立起完整的弹性渗流理论和弹塑性渗流理论卜nj 。 b o u l t o n n s 、h a n t u s hm s 及n e u m a ns p 等进行了不同条件下地下水非稳定渗流运 动的理论研究，并各自推导出各种条件下地下水非稳定渗流运动的解析公式。总之，这 一阶段主要是从宏观研究入手，用连续介质力学方法对均质液体的各种渗流问题进行了 研究。这些方法包括分离变量法、积分变换法、保角映射法、g r e e n 函数法、镜像法以 及b o l t z m a n n 变换等1 9 1 。 随着计算机技术的不断发展，以计算机为基础的数值模拟技术在分析地下水问题方 面得以广泛的应用，数值解法早期多采用有限差分法。z i e n k i e w i c z 将有限元法引入地 下水渗流领域，s a n d h u 和w i s o n 提出了地下水渗流运动方程的广义变分原理，为有限 元求解渗流问题奠定了坚实的数学物理基础 h i 。 1 3 3 渗流。应力耦合理论的研究现状 渗流理论多半都应用到工程地下水的计算中，但很多时候都是将渗流场与应力场作 为两个单独量进行研究的。实际上，许多工程问题都无法回避渗流过程中多孔介质变形 广东上业大学j r = 学硕士论文 与孔隙流体流动的耦合作用。如地下水开采引起的地表沉降问题，主要是不合理抽取地 下水引起孔隙流体压力下降造成岩土骨架有效应力的变化，最终导致岩层或土层变形。 因此，涉及地表沉降的渗流问题是流固耦合问题。要将渗流力学和岩土力学等学科紧密 结合起来才能较好地解决这类问题。 最早研究流体一固体变形耦合现象是t e r z a g h i v ，j ，他首先将可变形、饱和的多孔介质 中流体的流动作为流动一变形的耦合问题来看待，提出了有效应力( e f f e c t i v es t r e s s ) 的概 念，并建立了一维固结模型，它在土力学中得到了广泛应用。 b l o t l 4 进一步研究了三向变形材料与孔隙压力的相互作用，并在一些假设条件下建 立了比较完善的三维固结理论。而后b i o t 又将此理论推广到各向异性多孔介质和动力分 析。从那以后，流固耦合理论的发展主要围绕着假设不同孔隙材料的模式而得到不同的 物理方程。 s a v a g e 和b r a d d o c k 5 将b i o t 的三维固结理论应用到了横观各向同性的孔隙弹性介 质中。z i e n k i e w i c z 和s h i o m i n 考虑了几何非线性和材料的非线性，并在b i o t 的三维固 结理论基础提出了广义b i o t 公式。 一般认为w e s t e r g a a r d 是研究坝水耦合的创始人。他在1 9 3 3 年发表了他的著名论文， 给出了刚性重力坝在水平地震荷载下的动水压力分布，其解至今仍为许多国家的坝工抗 震设计规范所沿用。然而，由于w e s t e r g a a r d 解中假定了刚性坝，并给出了地面运动的 规律，因而其本质上并未涉及两相的耦合作用。到了6 0 年代，各国学者己开始注意到 流固两相耦合分析在地下工程中的应用。d u r a n d 和l c u i s 等在分析a l n o n 大坝的基础工 程中将水力场与应力场进行了耦合分析，l o u i sd e s s e n n e 等对a r r l o n 大坝蓄水过程中的 定常水流( 稳定流) 和瞬时充水流进行了有限元分析嘲。 国内学者从事流固耦合方面的研究起步较晚，但也有不少学者在这方面作了许多的 研究： 陈平、张有天口们等以裂隙渗流理论和变形本构关系为基础，提出了岩体渗流与应力 耦合分析方法，并对重力坝坝基进行了裂隙岩体二维流固耦合分析。 王媛b t 以b l o t 理论为基础，提出了以结点位移和孔隙水压力为未知量的渗流场与应 力场耦合的计算方法。 柴军瑞吲从土坝的渗透特性出发，提出了均质土坝渗流场与应力场耦合分析的连续 介质数学模型。 耿克勤、吴水平1 1 9 】分析了裂隙岩体的受力变形机理，研究了单裂隙在法向应力、剪 4 第一章绪论 应力及复杂应力条件下的流固耦合特性，建立了渗透系数与应变相关的流固耦合数学模 型，并对拱坝和坝肩岩体的流固耦合进行了求解。 王晓鸿、件彦卿例以等效渗流场与应力场耦合数学模型的混合分析方法为基础，进 行数值分析，并借助该模型验证了某库岸边坡的耦合应力场。 刘建军、耿万东伫u 将渗流力学与弹塑性力学相结合，考虑地下水和岩土骨架之间的 相互作用，建立地下水流固耦合渗流数学模型，并根据有限元原理得出其计算方法，进 行耦合求解。 李培超、孔祥曹z z 】等认识到t e r z a 曲i 有效应力原理的不足之处，便从渗流力学的观 点出发，以前人的研究成果为基础，推导出基于多孔介质的有效应力原理。 因此，有关流固耦合问题的研究，理论日趋完善并，并己提供工程应用；非线性耦 合问题的研究也取得一定的成果，但还有待发展并应用于工程实际。通过将渗流理论应 用到基坑工程中，研究表明地下水渗流对深基坑的影响是明显的，对这方面的研究是有 极其重要的意义 2 3 叫】。 1 3 2 渗流作用影响基坑变形性状研究 1 基坑变形的总应力分析法 c l o u g h & h a n s e n ： 8 1 j 用有限元法分析了土层各向异性对土体、墙体位移分布的影 响。计算结果表明，若考虑土体各向异性的影响，则计算出的墙体水平位移和地表沉降 会显著增加，破坏区域也显著增大。 o u e t a l 【2 6 】开发了考虑土体非线性的深基坑工程三维有限元程序，通过对一系列参数 的研究，得到了根据二维有限元分析的结果来估计三维情况下围护结构最大水平位移的 关系，并对一个不规则形状的基坑实例进行有限元分析，得到的数值结果与实测结果取 得了很好的一致。 俞建灵渊采用空间有限元和无限元相结合的方法，研制了考虑空间效应、土与结构 相互作用及模拟施工过程的深基坑工程三维有限元分析程序，对围护结构的水平位移、 周围地表沉降、坑底隆起、土压力和支撑内力的分步开挖效应、主要影响因素及空间效 应进行了研究，并与二维平面问题分析的结果进行了对比分析，认为随着基坑长度的增 大，各研究对象在横剖面上的分布曲线均逐步趋近于二维平面问题分析的结果。 赵海燕 2 9 1 等研究了不同有限元网格划分下基坑变形的情况，提出一种非线性、三维 有限元分析手段，用于深基坑开挖过程中预测围护墙变形和地表沉降值，分析结果表明 基坑内网格密度对于计算结果的精度有较大影响。 5 广东工业大学工学硕士论文 2 基坑变形有效应力分析法 对于实际的基坑工程，即使土体的渗透系数很小，绝对不透水的情况也是不存在的， 因此在地下水埋藏较浅的地区开挖基坑时渗流作用是普遍存在的。在软土地区开挖基坑 时，通常都是通过对基坑工程进行有效应力分析来研究地下水渗流的影响。 o u & l a p 0 1 利用有限元法对基坑工程分别进行了排水和不排水分析，计算结果表明， 墙体水平位移、地表沉降的排水分析结果明显小于不排水分析的计算结果；同时，在开 挖间歇期，随着超静孔压的消散，墙体的水平位移、地表沉降出现了不同程度的回弹， 并指出，对于开挖周期比较长的基坑工程，进行排水分析可以得到较准确的结果。 r o n a l d oib o r j a t 3 , 1 用增量开挖法与自由面问题结合的方法来预测结构的变化，通过 “弱 的表达和罚问题的方法，对位移和孔隙应力放入同一单元，分别内插，同时求解， 通过这种方法对深基坑开挖过程中孔隙水流对强度和变形性状的影响进行了研究。研究 表明渗流是改变支护系统反应的重要因素，渗流的存在使地面沉降和坑底隆起增大， h i s 和s m a l p 2 j 针对水下开挖问题，首先考虑瞬变自由面边界的位置和影响，将土体 变形和渗流进行了耦合分析。认为水下开挖时，周围土体位移由两个因素引起的：第一 是由于土体开挖，应力释放；第二是由于有水的流动，降低地下水位引起沉降。 f i n n or j 【3 3 】对c h i c a g o 饱和粘土的深基坑开挖作了有限元进行数值模拟。指出在粘 土本构关系中不考虑孔隙压力是不恰当的；但在其有限元分析中并没有考虑支撑的安设 和初始剪切面的发展，且计算给出的邻近开挖土体的变形只给出了墙体变形，这也是大 多数有限元计算不足之处。 y o n gk y 4 1 等人对于粘土中支撑开挖进行了弹塑性固结分析，与现场观测结果对比 分析了不排水和固结的计算结果，表明不排水计算低估了桩墙的位移，不能反映出桩墙 的进一步位移，相反，采用固结分析却能很好地预测桩墙的变形，同时负的超静孔隙压 力的消散也可由观测到的进一步地下位移和随时间而施加的支撑荷载来解释。 在国内，关于渗流对基坑影响的研究也日趋成熟，也有不少值得借鉴的研究成果： 侯学渊和陈永福【3 5 】通过用非线性的b i o t 固结理论与无限元的耦合计算，对引起深基 坑周围地表沉陷的几种主要因素进行了分析与模拟，探索了基坑周围土体位移的变化规 律，并提出了一种可以估算深基坑侧边地基土沉降的方法。 欧章煌和廖瑞堂，e 呗0 利用深基坑工程的孔隙水压力观测结果，探讨了开挖过程中土 体孔压的变化规律，发现基坑内土体的孔压变化较大，尤其在开挖区关于渗流对深基坑 的影响的研究，中心孔压减少量最大，但在基坑边缘靠近挡墙内侧附近孔压减少量略小， 6 第一苹绪论 在开挖区外侧2 m 范围内孔压也明显变化，而在2 m 范围以外孔压变化极小。 罗晓辉【3 刀在忽略土体变形与孔压消散耦合效应的情况下，对基坑工程中的渗流场进 行了稳定渗流与非稳定渗流有限元分析，将渗流场的水力作用与应力场耦合，研究了开 挖过程中地下水渗流对基坑稳定性影响的基本规律。 应宏伟f 3 3 】研制了考虑土的固结与变形的耦合作用、土与结构相互作用和模拟复杂的 分步开挖过程的深基坑工程平面有限元程序，分析了墙体水平位移、墙后地表沉降、坑 底土体隆起、土压力和支撑力等的发展变化规律，较详细地探讨了开挖过程中由于土的 固结而引起的深基坑工程时间效应，探讨了开挖速率和土的渗透系数对基坑位移场和应 力场的影响。 平扬等 3 9 , 4 0 l 基于b i o t 固结理论，采用弹塑性模型对基坑开挖中的渗流场水力作用与 应力场耦合作用进行了二维平面有限元分析，研究了深开挖过程中渗流场与应力场的变 化规律及其导致的基坑稳定问题。 李玉歧、谢康和 4 1 1 推导了一维稳定渗流条件下基坑内外被动区和主动区的水头计算 公式，并分析了渗流对作用在围护结构上的水压力、土压力及侧压力的影响，结合算例 讨论了渗流作用对围护结构稳定性的影响。 李玉歧、周健、谢康和 4 2 1 在假定坑内外地下水为一维渗流的条件下，推导了坑内外 被动区和主动区的水头计算公式，并结合算例分析了渗流对坑底被动区的有效应力和坑 底回弹变形的影响。 梁仕华 4 3 1 在大变形有限元理论的基础上，利用a b a q u s 通用有限元分析软件，对 土钉支护结构进行了考虑固结、渗流与变形耦合作用的大变形有限元分析，研究了大变 形情况下考虑固结、渗流与变形耦合作用时土钉支护结构面层位置处的水平位移、坑后 土体的侧向位移、地表沉降、坑内土体隆起、土钉内力、孔压等随开挖过程的变化规律， 探讨了土钉支护基坑工程中的时间效应及渗流的影响。 1 4 本文的主要工作 结合大量的文献资料和前人的研究现状，本文主要做以下几个方面的工作： 1 、系统地研究了渗流基础理论以及二维非稳定流的有限元分析方法，在分析了渗 流场与应力场的相互作用的基础上，阐述了渗流场应力场耦合的求解方法。 2 、参与了某泵站软土基坑工程的监测工作，并采集了包括桩顶水平位移、地下水 7 厂东l ：业大学工学坝士论文 位、支撑轴力和支护结构变形等原位监测数据，总结了监测项目与方法、监测结果和监 测效果。 3 、在有限元数值计算参数的取值上，本文以室内力学试验为主要获取方法，分别 对进行了直剪试验、固结试验、渗透试验，确定土的力学参数“缈、e 。及k 值。 4 、对有限元分析软件m i d a s g t s 模拟基坑开挖以及渗流分析的实现过程进行了详 细的分析，包括非线性有限元分析所采用的迭代方法、土的本构关系的选取、内支撑及 预加轴力的模拟以及接触面的设黄、基坑施工开挖分析、荷载边界以及土的应力计算。 5 、结合实际工程，采用有限元软件m i d a sg t g 模拟基坑施工开挖，以水渗流作为 讨论因素，分别建立考虑渗流和不考虑渗流两个计算模型，探讨基坑开挖过程中渗流场 的分布规律，并对渗流影响下的基坑变形性状( 主要包括支护结构变形、坑外地表沉降 变形和坑内地面隆起变形) 进行分析研究，并将计算值和实测值作对比分析。 6 、通过改变对土体其中一些重要计算参数( 如渗透系数和内摩擦角) ，分析了土体 特性变化对基坑变形性状的影响规律。 8 第二章基坑渗流理论及有限元分析 第二章基坑渗流理论及有限元分析 2 1 渗流基本理论 2 1 1 渗流基本概念 由于土中孔隙的分布、大小和形状很复杂，地下水质点在其中的运动毫无规律，有 些地方甚至不连续，所以研究地下水不能像研究地表水一样直接研究水质点的运动，而 只能用统计方法，忽略个别质点的运动，来研究具有平均性质的运动规律。这种方法的 实质就是用和真实水流属于同一流体的、充满整个含水层( 包括全部的孔隙空间和土体 岩石颗粒所占据的空问) 的假想水流来代替仅仅在孔隙中运动的真实水流，通过对这一 假想水流的研究来达到了解真实水流平均渗透规律的目的。这种假想水流同时还应具有 下列性质： ( 1 ) 通过过水断面的流量与真实水流通过该断面的流量相同； ( 2 ) 在断面上的水头及压力与真实水流的水头及压力相等； ( 3 ) 在多孔介质中运动时所受到的阻力等于真实水流所受到的阻力。 满足上述条件的假想水流称为渗透水流，简称渗流。我们把渗流所占据的空间称为 渗流场，描述渗流的参数称为渗流要素，如压力p 、速度v 及水头h 等，在计算时，把 它们看作空间坐标x ，y 和时间t 的连续函数。 1 渗流有以下几种类型 ( 1 ) 稳定渗流，又称稳流( s t e a d y s t a t ef l o w ) ，是指在渗流过程中土体内各点的水头、 流速不随时间变化。 ( 2 ) 非稳定渗流，又称瞬变流( t r a n s i e mf l o w ) ，是指渗流过程中流量、水头、流速均 随时间变化。渗流状态是时间的函数。 2 渗流水头地下水流中任意一点的总水头为： 日：z + 旦+ 竺) 九2 9 、。 式中p 一研究点上的动水压力，k p a ； 厂东，i 业大字工学坝士论文 九一水的重度，k n m 3 ； z 研究点的高度，即研究点到任意选定基准面的垂直距离，m ； 石u 2 一流速水头，m o 3 水力梯度 在渗流力学中，把大小等于梯度值，方向沿着等水头面的外法线指向水头降低的方 向的矢量称为水力梯度，用表示，即 ，：婴五 ( 2 2 ) 比 、 式中，三为两等水头面之间的距离，刀为等水头面外法线方向的单位矢量。 4 渗流量 通过渗流控制断面的渗流量表示为 q = 肌d a ( 2 3 ) 式中，彳一过流断面，m 2 ；屹一过流断面的法向渗透速度，m s 。 5 渗透力 渗透力也称动水压力，是指地下水在土孔隙中渗流时，渗流水对土骨架产生的压力， 它与土骨架对渗流水的阻力大小相等，但方向相反。单位体积上的平均渗透力为= f ， 渗透力是矢量，其作用方向与渗流速度方向一致。 2 1 2 渗流连续微分方程 渗流的连续性方程是从质量守恒原理出发来建立方程的，在渗流场中取出一单元 体，见如图2 1 所示 图2 1 渗流场单元体 f i 9 2 1t h eu n i t so fs e e p a g e 1 0 星三至茎垫堡亟堡丝丝耍咝歪坌堑 设各边边长为：a x ，每，位，并与坐标轴平行；设沿坐标轴方向的分速度分别为 匕，1 ，屹，液体密度为p ，则单位时间内通过垂直与坐标轴方向的单位面积的水流质量 分别为以，, m y ，化。则单位时间内由a b c d 面流出单元体的质量为：, o ra y a z 出，通过 a b tc d 面流出单元体的质量为：( m x + 昙以缸) 少z 出因此沿x 轴方向流入和流出单元 体的质量差为： 以砂z & 一( 以+ 昙以缸) = 一昙以厶缈位缸 ( 2 4 ) 同理，可以写出沿y 轴方向和z 轴方向流出和流入单元体的液体质量差分别为： 一一, o v y a x a y a z a t 和一昙肚蛐z & ，因此出时间流入与流出单元体总的质量差为： l-，02 一陵以+ 杀乃+ 昙肚i 血缈止出一l 瓦以+ 万乃+ 瓦肚j 血缈& 出 根据质量守恒原理，它等于单元体内液体质量随时间的变化量。单元体内液体所占 的体积为力缸每垃出，其中甩为孔隙度。相应单元内液体质量为p n 缸a y z 出所以在a t 时间内，单元体内液体质量变化量为：茜【刀血缈位】垃。在连续条件下，上述两式相等， 所以： 一降以+ 号以+ 毫肚 血缈止出= 嘉刀缸缈z 】出 c 2 渤 式( 2 5 ) 称为渗流的连续性方程，也称为可压密介质中的质量守恒方程。 式( 2 5 ) 式中的右端项计算比较困难，具体应用时为了简化计算往往做了一些假 设：压缩过程中只有垂直可压缩的情形，在多孔介质的压缩过程中，认为固体颗粒体积的 压缩可以忽略不计等。式( 2 5 ) 转变为： 誓