（地质工程专业论文）基坑降水引起的地表沉降变形分析及其工程预防措施研究.pdf

基坑降水引起的地表沉降变形分析 及其工程预防措施研究 摘要 随着我国建筑市场的不断繁荣，需要降水的大型基坑工程不断涌 现，由于降水而引发的地表沉降等一系列工程问题日益突出。 本文分析了降水前后土层自重有效应力的变化，并详细推导了竖 向渗流条件下均质土中和成层土中有效应力变化的公式。在分析土层 有效应力变化的基础上，总结了降水引起沉降的常用计算方法，并重 点论述了分层总和法。 针对一个实际的基坑降水工程，借助于f l a c 3 d 软件，采用流固耦 合模型对基坑工程降水引起的地表沉降变形进行分析，研究了降水引 起的土体内部最大不平衡力的变化，计算分析了基坑周围土体水平位 移和沉降的大小以及变化趋势，将沉降计算值与分层总和法所得到的 沉降计算结果以及实测值进行了对比，分析了计算结果，验证了模型 的合理性。讨论了土的渗透系数、弹性模量以及最大水位降深等因素 对沉降变形的影响，分析表明，以上各参数对沉降均有影响，渗透系 数的改变对沉降的影响最为明显。结合工程实际，讨论了减小基坑沉 降变形的工程措施，研究了设置回灌井或止水帷幕对减小沉降变形的 效果，结果表明合理设置回灌井或止水帷幕可以大大减小基坑周围地 表的沉降量。 关键词基坑降水，沉降计算，流固耦合，f l a c 3 d a n a l y s i so fs e t t l e m e n ti n d u c e db yd e w a t e r i n ga n d r e s e a r c ho np r o j e c tp r e v e n t i o nm e a s u r e a b s t r a c t a sc h i n e s ec o n s t r u c t i o nm a r k e tc o n t i n u e dp r o s p e r i t y ，r e q u i r et h a t t h e l a r g e - s c a l ep r e c i p i t a t i o n f o u n d a t i o n p i tp r o j e c ts p r i n g su p u n c e a s i n g l y ，s e t t l e m e n ti n d u c e da sw e l l a sas e r i e so fe n g i n e e r i n g p r o b l e m sb yd e w a t e r i n g h a v eb e c o m e i n c r e a s i n g l yp r o m i n e n t t h ep a p e ra n a l y s e st h ec h a n g e so fs o i li t s e l fe f f e c t i v es t r e s sb e f o r e a n da f t e rd e w a t e r i n ga n dd e d u c et h ef o r m u l ao ft h ec h a n g eo fe f f e c t i v e s t r e s si nt h es a m es o i la n di nt h ec o a t e ds o i lu n d e rt h ec o n d i t i o no f v e r t i c a l s e e p a g e o nt h eb a s eo fa n a l y s i so fs o i le f f e c t i v e s t r e s s ， s u m m a r i z a t i o no fs e t t l e m e n ti n d u c e db yd e w a t e r i n gi sd i s p l a y e di nt h i s p a p e r a n da n a l y s e sl a y e r - w i s es u m m a t i o nm e t h o dd e t a i l e d l y c o n t r ap o s ea na c t u a ld e w a t e r i n gp r o j e c to ff o u n d a t i o np i t ，t h ep a p e r a n a l y s e ss e t t l e m e n td e f o r m a t i o nc a u s e db yf o u n d a t i o np i td e w a t e f i n g b a s e do nf l u i d - s o l i dc o u p l i n gm o d e lw i t hf l a c 3 ds o f t w a r e r e s e a r c h e s t h e c h a n g e s o fm a x i m a lu n b a l a n c e df o r c ei n t h es o i lc a u s e db y d e w a t e r i n g c a l c u l a t e st h eh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n ta n dt h es e t t l e m e n to f t h es o i la r o u n df o u n d a t i o np i t ，a n d c o m p a r e si t w i t ht h el a y e r - w i s e s u m m a t i o nm e t h o d ss e t t l e m e n ta sw e l la sm e a s u r e dd a t a ，e x p l a i n st h e d i f f e r e n c ea m o n gt h e ma l s o ，s h o wt h er e a s o n a b l e n e s so fm o d e l a st h e f o l l o w i n g ，t h ep a p e rd i s c u s s e ss o m ep a r a m e t e r ss u c h a sp e r m e a b i l i t y c o e f f i c i e n t ，e l a s t i cm o d u l u s ，a n dt h em a x i m u md r a w d o w no fw a t e rl e v e l a n do t h e rf a c t o r so nt h ei m p a c to fs e t t l e m e n t ，t h ea n a l y s i ss h o w st h a t t h e s e p a r a m e t e r s h a v eag r e a t i m p a c t o nt h e s e t t l e m e n t ，a n dt h e p e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n t si n f l u e n c et ot h es e t t l e m e n ti sd i s t i n c t n e s s w i t h r e f e r e n c et ot h ee n g i n e e r i n gp r o j e c t ，d i s c u s s e dt h em e a s u r e sr e d u c e dt h e s e t t l e m e n t t h ep a p e rd i s c u s s e se f f e c t so fs e t t i n gu pr e c h a r g ew e l l so r w a t e rs t o pc e r t a i nt or e d u c et h es e t t l e m e n t ，t h er e s u l t ss h o w st h a t r e a s o n a b l es e tr e c h a r g ew e l l so rw a t e rs t o pc u r t a i nc o u l dg r e a t l yr e d u c e d t h es u r f a c es e t t l e m e n ta r o u n dt h ef o u n d a t i o np i t k e y w o r d s ：p i t sd e w a t e r i n g ，s e t t l e m e n tc a l c u l a t i o n ，f l u i d s o l i d c o u p l i n g ，f l a c 3 d 独立完成与诚信声明 本人郑重声明：所提交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究 工作所取得的研究成果并撰写完成的。没有剽窃、抄袭等违反学术道德、学术规范的侵 权行为。文中除已经标注引用的内容外，本学位论文中不包含其他人或集体已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得华北水利水电学院或其它教育机构的学位或证书所 使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明 并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 学位论文作者签名：礓俭 保证人c 导师，签名：兹荡 签字日期：、胛) ，多 签字日期：矽 彳 学位论文版权使用授权书 本人完全了解华北水利水电学院有关保管、使用学位论文的规定。特授权华北水 利水电学院可以将学位论文的全部或部分内容公开和编入有关数据库提供检索，并采用 影印、缩印或扫描等复制手段复制、保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关 部门或机构送交论文原件或复印件和电子文档。( 涉密的学位论文在解密后应遵守此规 定) 学位论文作者签名：- 多托修导师签名孝之。荡 签字日期：p 一7 6 。 签字日期： 枷7 f 多 华北水利水电学院硕十学位论文 第一章绪论 1 1 选题背景及意义 1 1 1 地下水的不良地质作用 地下水在基坑工程实施过程中的危害主要表现为流砂、管涌和基底的突涌【”， 主要发生在土壤颗粒细( 尤其是粉质粘土、粉砂等土层) 、饱和含水的地区。此外， 地下水对坑壁和坑底土的潜蚀，孔隙水压力的增长引起有效应力的减小及相应的抗 剪强度的降低等多方面的影响不容忽视。 ( 1 ) 流砂 流砂是指土的松散颗粒被地下水饱和后，出于水头差的存在，动水压力就会使 这些松散颗粒产生悬浮流动。它主要发生在颗粒级配均匀而细的粉、细砂等砂性土 中，有时在粉土中也会发生其表现形式是所有的颗粒同时从一近似管状通道中被 动水流冲走，发展的结果是使基础发生滑移、不均匀下沉，基坑坍塌，基础悬浮等， 流砂的发生一般是突发性的，对工程的危害极大。 ( 2 ) 管涌 地基土在具有一定渗流速度( 或梯度) 的水流作用下，其细小颗粒被冲走，土中 的空隙逐渐增大，慢慢形成种能穿越地基的细管状渗流通道，从而掏空地基或坝 体，导致变形、失稳，此现象即为管涌。 管涌多发生在非粘性土中，其特征是：颗粒大小差别较大，往往缺少某种粒径， 孔隙直径大而且互相连通。颗粒多由比较小的矿物组成，易随水流动，有较大和良 好的渗流出路。对于管涌的防治措施，一方面是通过降水降低水力梯度，同时在水 流溢出处设置反滤层。 ( 3 ) 基底的突涌 当基坑下有承压水存在，开挖基坑减小了含水层下覆不透水层的厚度，当它减 少到一定程度时，承压水的水头压力能顶裂或冲毁基坑底板，造成突涌。 突涌的形式表现为： 1 、基底顶裂，出现网状或树状裂缝，地下水从裂缝中涌出，并带出下部的土颗 粒。 2 、基坑底发生流沙现象，从而造成边坡失稳和整个地基悬浮流动。 华北水利水电学院硕十学位论文 3 、基底发生类似于“沸腾”的喷水现象，使基坑积水，地基土扰动。 1 1 2 基坑工程发展背景 随着城市工程建设的发展，地下空间己在世界各大中城市得到广泛的开发应用， 同时，地下工程建设的数量和规模也迅速增长，由此产生了大量的深基坑工程，如 高层建筑物基坑、大型管道的深沟槽、地铁工程中的车站深基坑以及特殊地下工程 基坑等。特别是9 0 年代以来，地下空问丌发利用的规模、深度和广度只益加强，使 基坑工程向大面积、大深度的趋势发展。并且，基坑工程往往处于城市密集的建筑 群中，施工场地狭窄，不可能放坡丌挖，临近常有必须保护的永久性建筑和市政公 用设施，这些因素决定了必须满足基坑对稳定和变形的要求。基坑工程因而成为当 前岩土工程界十分关注的热点，也是技术复杂、综合性强的难点。这不仅对基坑工 程的理论研究、设计理论和施工技术提出了更高的要求和严峻的考验，而且也推动 了深基坑工程的理论研究、设计和施工的不断进步和发展。 在城市建设寸土寸盒的今天，由于城市高层建筑和地铁、隧道和地下商场等工 程的大量兴建，很多超大超深的基坑工程应运而生，有些甚至超过t 4 0 m 。随着基坑 深度的增加，基坑降水不但要关注浅部潜水的疏干降水，同时还必须认真关注下部 承压含水层的降压降水，防止下部承压水造成基坑底板突水。虽然各地承压含水层 埋深大不相同，但在有些地区基坑已经深入到了承压含水层中，基坑丌挖深度内， 部分承压含水层已被疏干。基坑降水工程不可避免的引起基坑周围土层中地下水位 和应力场的改变，这必然导致基坑周围地面的沉降、水平位移和支护结构的变形， 从而影响相邻建筑物和市政管线的j 下常使用，甚至破坏。这是基坑工程环境效应的 主要表现方面，同时，这些因素又对基坑稳定性产生不利影响。基坑工程环境效应 与基坑稳定性又是相互联系的，基坑支护结构过大的变形和破坏、边坡的失稳，常 常会引起基坑周围环境条件的显著变化。因此，在浅部疏干土层中地下水和局部的、 大幅度的、暂时性的降低下部承压水水头的过程中，控制由于降水引起的周围地面 沉降和建( 构) 筑物的变形，也更需要得到重视。 基坑工程的失事，许多都与降水设计不当或重视不够有关，绝大多数是由于防 排渗不当，造成基坑渗透变形直至破坏。轻者延缓工期，增大工程造价；重者危及 周边建筑设施和人民生命财产的安全，造成难以预测的损失。唐业清曾对国内1 0 3 项基坑事故进行了详细的调查，统计出事故发生的原因，发现其中因地下水处理不 2 华北水利水电学院硕十学位论文 当引起的事故达2 2 t 2 l 。因此，研究和探讨基坑工程降水所引起的地面沉降变形机 理，从理论上指导降水工程的设计和施工对保护深基坑周边环境具有重要意义。 1 2 基坑工程降水的作用与方法 1 2 1 基坑降水的作用 在基坑开挖施工中，为了避免产生流沙、管涌，防止坑壁土体的坍塌，保证施 工的安全和工程质量，当地下水位高于基坑底板时应进行基坑降水。基坑降水的作 用主要有【3 j1 4 1 ： 1 防止基坑坡面和基底的渗水，保持坑底干燥，便于施工。 2 增加边坡和坡底的稳定性，防止边坡上或基底的土层颗粒流失。 这是因为基坑开挖至地下水位以下时，周围地下水会向坑内渗流，从而产生渗 流力，对边坡和基底稳定产生不利影响。此时采用适当的基坑降水方法可以把基坑 周围的地下水面降到开挖面以下，不仅能保持坑底干燥、便于施工，并且消除了渗 流力的影响，防止流沙产生，从而增加边坡和基底的稳定性。 3 减少土体含水量，有效提高土体物理力学性能指标。 对于放坡歼挖而言可以提高边坡的稳定度；对于支护开挖可增加被动土抗力， 减少主动区土体侧压力，从而提高支护体系的稳定度和强度保证。减少支护体系的 变形。 4 提高土体固结程度，增加地基抗剪程度。 降低地下水位，减少土体含水量从而提高土体固结程度，减少土中孔隙水压力， 增加土中有效应力，相应的土体抗剪强度也可得到增加。因而，降低地下水位办是 一种有效的地基加固方法。 1 2 2 基坑降水的方法 降低地下水方法有集水明排和井点降水两大类【5 1 。 集水明排：在基坑内或外设置排水沟、集水坑或井，用抽水设备把地下水从集 水坑或井中不断抽走，从而保证基坑的干燥。此法施工简便，设备简单，成本低， 从而得到广泛应用。该法适用于不易产生流砂、流土、潜蚀、淘空、塌陷等现象的 粘性土、砂土类的地层，并且地下水位一般不超过基坑底面2m 。 井点降水：在拟建工程的基坑周围埋设能渗水的井点管，配置一定的抽水设备， 华北水利水电学院颁十学能论文 不间断地把地下水抽走，使基坑范豳内的地下水降至设计深度。井点降水适用于具 有不同几何形状的蕊坑，有利于机械化施工，是一种行之有效的方法并得到广泛应 用曩翦常用的共点降水方法寿轻型势点、喷射井点、龟渗磐点、繁共并点、弓 渗 井点等方法。各种井点的适用范围可参见表1 1 。 降承方法及逶翅范围裁1 1 p r e c i p i t a t i o nm e t h o da n ds p h e r eo fa p p l i c a t i o n t a b l e1 1 、透用范潮 渗透系数降求深度 醉水方法、 逡翊逢瀑 ( c m s ) ( 舶) 含薄层粉砂的粉质粘十。粘 袋承明捧 1 1 0 - 7 2 l o - 5 震耪t ，黟矮耪t ，耪绸砂 轻猁井点及 同上1 l o - 4 2 1 0 4 l o 卡，嚣类砂￥；，耀砂，舞蠢 禽薄层粉砂的粉质粘t ，粘磺粉 根据f 伏导水层 引渗升点 十，砂质粉十，耪十r ，粉细砂 5 1 0 7 性矮及i ! 深确定 1 3 基坑降水引发的环境问题及防范措施 1 3 ，l 基琥簿求弓l 发豹繇凌翘蘧 蒸坑降水是为了给基础施工创造一个良好的施工环境，同时也肖助于边坡的稳 定，克服流沙。基坑降永是纂坑施工的重要环节之一i 6 l ，其成功与西，不仅巍接影 响到工程的进度，费用和支护的成功，丽旦还可能影响到工程的安全，因此，必须 引起足够的艉视。 基坑在降隶过毽中，出予骧本填充于魏隙孛瓣农逐濒掺渗撂手，垂圭| 塾下零承撵 的荷载转由土颗粒承担，土层负担加蘑，降水范围内的土层发生固结沉降，从而导 致羹羹褒下沉掰。嚣蓊，民薅建筑豹鏊薅工程藏泰政交透设施豹萋穑嚣挖逶常需要经 过人口稠密、建筑物众多的繁华市区，地下务种市政管线、电缆也非常集中。降水 弓| 发的缝面沉降将直接影晌剐城市建筑物及箕地下管线的安金，如邻近建筑物的倾 斜歼裂或者结构破坏，地下镣线变形拜裂引起爆管或附近道路沉陷嚣裂等等，这类 问题在实际工程中教训颇多，小则延误工期，增加造价；严蘑时可熊引起重大伤亡 4 华北水利水电学院硕十学位论文 事故。如1 9 9 4 年1 1 月2 2 同汉口煤气大泄露就是因为威格大厦深基坑失事引起的1 8 1 。 威格大厦与路边的煤气主管道距离仅6 米多，在基坑开挖过程中，基坑降水措施不 当，导致涌砂，引起地面下沉，马路、房屋开裂，并导致煤气主管道被折断，引起 煤气大泄露，造成严重的后果。深圳蛇口海王大厦，基坑开挖前进行了长达三个月 的降水，未采取有效预防手段，造成毗邻4 5 m 的1 4 层新能源大厦发生不均匀沉降， 最大日沉降量达2 0 咖，累计沉降1 0 5 0 c m ，桩自j 差异沉降3 5 c m ，外墙出现裂缝，大楼 整体结构发生倾斜。又如上海市的东湖商务楼，地处老城区，隔壁紧邻某电影院， 基坑开挖时虽只在一边设井点管，并在影院旁增设回灌井。但由于井点降水效果差， 回灌水量小且不理想，井点出水浑浊带走大量粘粒，致使影院发生严重沉降，累计 沉降量达6 6 m ，砖砌墙体破损断裂，影院被迫停映进行加固修复，耗费1 0 余万，商 务楼施工亦被迫停工，损失巨大。 1 3 2 防范降水不良影响的措旅 ( 1 ) 采用密封形式的挡土墙或采取其他的密封措施。如用地下连续墙、灌注桩、 旋喷桩、水泥搅拌桩以及在压密注浆后形成一定厚度的防水墙等。井点排水管置于 坑内，井管深度不超过挡土止水墙的深度，仅将坑内水位降低，尽量不影响坑外原 水位。 ( 2 ) 调整井点管的埋深。一般情况下，井点管埋深应该使坑中的降水曲线在坑底 下0 5 - 1 o m ，但在没有密封挡土墙的情况下，井点降水不仅使坑内水位下降，也会 使坑外水位下降，如果在降水影响区范围内有建筑物、构筑物、管线需保护时，在 确保基坑安全施工的前提下，可以适当提高井点管的设计标高，以降低水位降深， 减小影响范围。当井点设置较深时，随着降水时白j 的延长，可适当地控制抽水量或 抽吸设备真空度。即当水位观测井的水位到达设计控制值时，调整设备使抽水量和 抽吸真空度降低，以达到控制坑外降水曲面的目的。这需要通过设置水位观测并来 观察水位变化情况，控制流量和真空度。 ( 3 ) 采用注浆固土技术防止水土流失f 9 j 。为了减少坑内井点降水时，减少降水曲 面向外扩张，避免邻近建筑物基础下地基土因地下水位下降水土流失而沉降，在井 点降水前，在需要控制沉降的建筑物基础周边，布置注浆孔，控制注浆压力，以达 到挤密土层中的孔隙密实度，降低土的渗透性能使之不产生流失，以保证基坑邻近 建筑物、管线的安全。 华北水利水电学院硕士学能论文 ( 4 ) 采用井点降水与回灌相结合的技术。即在降水并管与需保护建筑、管线问设 置酗灌井点，回灌砂井或回灌砂沟，持续不断地用水回灌，形成一邋水带，以减少 降水曲蕊良终扩张，保持邻近建筑物、管线等基础下地基审的蹶媳下承佼，防止 土层因失水而沉降。降水井妁回灌井应保持一定的躐离，否则基坑内水位无法下降， 失去降表露蹋。在辫零著熹与霾灌势患之瀚，或秀势疼终郝痤设置窳燕褒溅患，狡 据水位变化情况，控制好调节水量，以达到既长期保持水幕作用，叉防止回灌水外 溢造成危害。 以上措施( 1 ) ( 3 ) 费时耗资且效果未必显著，措施( 4 ) 经济实用，但技术与 理论均不成熬。而从理论上宪善基坑降水和沉降计算无疑对今后基坑设计、施工和 管理将有较好的实繇意义。 1 4 基坑降水对环境影响的研究现状 1 4 。1 室内箨试验研究 李国【i o l ( 1 9 9 7 ) 用室内三维模拟试验，取得了一种砂质粉士在反复抽灌作用下的 变形特性。得出了以下结论：该饱和砂质粉土随荷载反复次数的增加，其累计变形有 较曼萋的增长，但累计交形灼增量却越来越，l 、，最终趋于零。 李德建、张福泷、赤津j 下敏1 1 l j ( 1 9 9 7 ) 介绍了一种在同本建立的用于饱和砂土 缝爨豹全叁动凌场按窳试验测试系绕黻及逶孬瑗场糖承试验豹一般遗程羧及试验资 料整理方法。 1 。4 2 理论分析、数蓬计舅研究 张永波、孙新忠1 1 2 j 认为在井点降水无大量细颗粒随地下水被带志的情况下，周 围地面所产擞的沉降蓬可用分层总和法进行计算。 谢康和、搀崇敏、应宏传等1 1 3 1 ( 2 0 0 2 ) 在锻设体只在重力方向发生一缳渗滤黪 条件下，推导了基坑降水引起的有效应力和沉降计算公式。 罗浇辉州( 1 9 9 7 ) 通遭对纂凌工纛簿瘩逡簿分辑，建立了毒隈元方程，势搬蕹渗 流体积力的定义给出了相应的算式。 王晓鸿、爵彦帮 1 曩( 1 9 9 8 ) 通过将连续介质渗瀛场数值分析模羹、应力场数值 分析模型及渗流与应力关系的经验模型相结含，建立了双场耦合的数使分析模型。 杨志锡 垌( 2 0 0 1 ) 根据地下水各向异性非稳定渗流的基本水力学特征，建虚了各 自舅牲饱和体的稿会固结璞论及其鏖接辗会豹有嫩元计算方法。 6 华北水利水电学院硕十学位论文 冯晓腊、熊文林f 1 7 1 ( 2 0 0 5 ) 利用三维水一土耦合模型对深基坑降水工程引起的地 面沉降进行分析计算，取得了较满意的效果。 骆祖江、刘金宝等1 1 8 j 【刎( 2 0 0 6 ) 根据长江三角洲第四纪松散沉积层地区的特殊 地质条件提出了深基坑降水与地面沉降变形的三维全耦合模型，并利用该模型模拟 了三维地质体及整个基坑降水工程的结构和过程。 1 4 3 降水作为地基处理措施研究方面 胡其志、何世秀【2 1 1 ( 1 9 9 8 ) 论述了降水预压加固深基坑底部饱和软土的基本原 理，并提出了相应的计算公式。将这一原理应用于毗邻地铁区间隧道的上海新世界 商城深基坑围护工程，成功地使得基坑四周饱和软土的最大水平位移量减小到基坑 最终开挖深度0 1 2 刘国彬、张建峰、刘金元【矧( 1 9 9 9 ) 在上海软土地区的低渗透性淤泥质粘土中， 首次探索性地采用了井点降水的方法治理建筑物差异沉降，控制了建筑物的倾斜度。 1 4 4 现场监测和资料分析研究方面 王翠英、王家阳、盛克苏【矧( 2 0 0 1 ) 从。天一大厦”工程深井降水引起的周围环 境影响规律，将水位降深曲线分为两个阶段，将周边地面沉降曲线划分为三个阶段； 并剖析了降水引起的沉降滞后于水位降深现象。 姜晨光、贺勇、盖玉松等i 驯( 2 0 0 3 ) 选择9 个典型的基坑工程为研究对象，通过 对大量基坑监测数据的计算机模拟分析，初步总结出基坑工程周边地表沉降的基本 规律。 丁洲详、龚晓南1 2 5 l ( 2 0 0 4 ) 在大量的实验和对实际工程监测资料分析的基础上， 总结了基坑降水引起的地面沉降的规律，分析了各参数对沉降的敏感性。 1 4 5 减少降水影响的新技术新工艺研究方面 马荣华【硐( 1 9 9 7 ) 在苏州伊沙中心大厦深基坑( 地下水位高，与邻近建筑物近) 施 工中利用轻型井点降水设备采取二级轻型井点回灌技术，简单易行，效果较好。朱 必毅 2 7 1 ( 2 0 0 0 ) 通过挖回灌沟、坑减少了周围地下水位的降低，保证了相邻建筑物不 受其影响。 俞建霖( 2 0 0 1 ) 提出了一种回灌系统的设计方法及程序，并成功应用于杭州市 四堡污水厂扩建工程中消化池基坑丌挖实践中。 于力、张玉珍、刘学林【2 9 】( 2 0 0 2 ) 在大面积基坑中采用中间布井，使降水漏斗位 7 华北水利水电学院硕十学位论文 于基坑中部，减小了降水过源对周围建筑的影响。 1 5 本文主要研究内容 本文磁究基坑簿承雩l 筵瓣盈建甏滚簿交形豹梳壤移诗算方法。蔫先，势耩了基 坑降水引起土体的应力应变变化情况，探讨了基坑降水引起周围地袭沉降的机理。 介绍了流固耦合理论，攉导了渗流场与应力场耦合的基本方程。其次，应用f l a c 3 d 软件，结合一工程降承实例，对降水引起的蕤坑周围地表沉降变形进行分析计算， 并就土体渗透系数、弹性模爨等因素对沉降影响做了分析评价。最殿，针对本工程 提出了城少纂坑降承澎晌静王程预防疆藏。 8 华北水利水电学院硕士学位论文 第二章基坑降水引起土层中的应力变化及沉降分析 2 1 应力变化分析 土层中应力分为自重应力和附加应力，前者是土的自身重量所引起的，后者源于 地面的荷载或地下水水位波动o o l 。一般来说，自重作用下，土层中任一点的变形， 已在地质历史过程中完成，而附加应力是引起地面变形的最主要原因。在基坑降水 工程中，由于地下水位变化产生的附加应力导致地面沉降变形是研究建筑物沉降和 建筑物不同部位差异沉降的一个重要课题，也是判断建筑物和市政管线安全以及地 基稳定的重要指标。 基坑工程降水一定时问后，可形成稳定的地下水位和降落漏斗，在该区域内， 由于地下水位的下降和渗流运动，土体的应力状态发生变化，产生附加应力，导致 附加沉降，土层的沉降主要受三个方面的影响。 ( 1 ) 静水压力消散，有效自重应力增加对于井点降水形成的疏干土层， 其静水压力消散，自重由浮重度增大至或接近饱和重度，从而使该土层中土体的有 效自重应力增加，增加的附加应力引起土层中的附加沉降。 ( 2 ) 动水压力的作用。降水过程中，地下水位下降，土层中产生水头梯度，导 致渗透压力增大，产生渗透有效应力，从而使土的有效应力增加，引起土体在动水 作用下的附加沉降。 ( 3 ) 井点的真空作用。井点管周围一定范围内形成真空，沿基坑方向造成一道 真空影响帷幕，从而使土颗粒向负压力方向移动，并达到某种程度的挤密状态，表 现为地基的沉降和水平变形。 综上所述，基坑工程降水改变了降水影响范围内土体中水、土应力状态，导致 自重有效应力的增加和渗透有效应力的增加，使土体产生附加应力，从而导致部分 土体产生附加沉降。 土体是由固体颗粒、孔隙水和空气组成的三相体系，作用在土体上的应力是通 过颗粒间的接触和空隙水来传递的。由颗粒间接触点传递的应力是对土体变形和强 度变化有效的应力，称为有效应力g r ，由孔隙水传递的应力为孔隙水压力肛。其中 属于中性应力，它仅对颗粒产生压缩。由于土粒的压缩模量非常大，工程上忽略其 产生的变形量和强度变化。因此，土体在垂直方向所受的总应力盯为有效应力和孔 9 华北水利水电学院硕十学位论文 隙水压力之葶，这即是太沙基有效威力原理： 仃盯+ “ 裰蕹式( 3 i ) ，霆基绽洚永雩| 惹静有效癍力增羹a 口为 仃一a 盯一弘a 一，。0 式中：a 盯总应力增量( k p a ) ；a “孑l 隙水压力增量( k p a ) ； ( 2 1 ) a 丸水位降深( m ) ；水的密度( k n m ) 。 2 。l 。l 降承靛匿鼷戆慧盛力变化的寿效应力诗算 基坑降水设计中，总认为基坑降水后土层中总威力不变，实际上，总应力是否 交饱是壤蘩禽袁层懿疆藏条 串帮琉予与否焉定静。 对于承聪含水层，若基坑降水后地下水仍然承压，则总应力t 7 不变，土层中任 一煮的有效暾力增量等于孔隙水压力的下降值。若降水后承压永头低于隔水顶板成 为无压流，禽水层部分被疏干，疏干部分的蹩度发生变化，则总应力盯发，土变化。 对于潜水含水层，降水瀚后均无压，降水后部分含水层被疏干，其总应力盯发 生变化，这瞧是基坑降东中露遇到懿馕提。 降水后疏干部分的重度发生变化。因此，不考虑渗流力作用时，有效应力即自 重蠢效应力。 o f l ，6 。g h l 零嫂! 水噻一旦 h 2，一一一一一 7 、降落曲线 篮抛廛髟，一7 7 7 h 3 琵k 圈2 1 降水前后土体中自重应力变化示意图 f i 鳐。ls k e t c hm a po ft h ec h a n g ei ns o i ls e l f - w e i g h ts t r e s sb e f o r e a n da f t e rd e w a t e r i n g 1 0 华北水利水电学院硕十学位论文 如图2 1 所示，假设一均质土层某点d 以下降水前自然水位位于地表下 处， 降水f 时刻后，地下水位下降深度，此时，在z 轴上降落曲线下任取一水位坞。 下面分析部分潜水含水层被疏干时，口、6 、c 处的总应力、自重有效应力、孔隙 水压力的变化情况，归纳成表2 1 降水后应力增量计算值 i n c r e m e n to fs t r e s sa f t e rd e w a t e r i n g 表2 1 t a b l e2 1 计算点 自重应力增量 点a点b点c 总应力增量a 口 o 一( ，。一，) - ( r 。，一r ) h 2 有效应力增量a 盯 0 ( ，一y ) 2o 一) ，7 ) 也 孔隙水压力增量a o - h 2 ) ，。一h 2 y 。 图中0 一口、0 一o r 曲线分别为降水前后土体的自重应力特征曲线，增加的自重 应力如图中阴影部分所示。这些增加的土体自重附加应力在土层中引起附加沉降。 由上面的分析可得出如下结论：( 1 ) 初始水位面以上的土体单元在降水过程中 各项应力指标的增量为0 。 ( 2 ) 初始水位面以下的土体单元总应力发生变化，总应 力和孔隙水压力减小，即口 0 ， 0 ，且盯 - 一“。( 3 ) 位于初始水位面和降水水位面之间的疏干土体单元，其有效应力增 量随深度增大而增加。最大值等于点b 的有效应力增量，降水水位面以下的应力增 量与其深度无关，都等于疏干区应力增量最大值。 本节计算降水产生的附加自重应力值时，原水位线与降落曲线之间的土层的密 度取天然密度p ，这与工程实际有些出入。文献 6 提出了降水疏干区持水密度风 的概念，即抽降地下水造成地基土释放重力水后土的单位体积质量为土的持水密度 岛。 对于粗粒土，一般认为抽排水后重力水能较快排出，且结合水较少，故持水 密度岛近似等于天然密度p ，但细粒土抽排水后土中还保留有一定数量的结合水， 持水密度p 0 有着实际的工程意义。针对具体工程的计算需要，原则上应在现场取土 1 1 华北水利水电学院颂十学位跄文 实测其持水密度，但这样做却不能程降水之前预测降水后产生的附加自重成力值。 下面对持水密度岛的计算做简单探讨。 我翻舞遵，潜承会承层被疏于辩，缝下窳蕴下降掰弓| 起鹃东量释敖有一个过程。 当含水层水使下降较快时，由于饱水带中水的运动滞后于地下水位的降落速度，因 而，被疏于都分所禽的永不是随地下水位静下降同时排出的。在较短时间肉，从 层中释放出的水量邋小于土层被疏予后全部释放的水量，存在着滞聪疏干现象。因 为水位变动带内给水度是时间的函数，相应地，该区域内土的密度也是时白j 的函数， 是令变量，磊戮溅接撵完残茨会拳联帮分密度接近p 。，磊重力骧予结紊辩鹅密澄 接近天然密度p 。因此，土的给水度芦与土的持水密度反之间有如下关系： 一几，一凤 ( 2 - 3 ) 将式( 2 - 3 ) 中的饱水密度儿用工程勘察报告中摊供的n 、e 和口参数表示，则 有： 鳓= 段学h ( 2 - 4 ) 式中：# k 为士的干密度；e 为孔隙比；g | 为土粒比蘸。 2 1 2 竖向渗流条件下均质土层中有效应力分析 零在压力差终麓下穿过孛连遴琵骧发，圭夔渗浚姆零| 起_ 兹应力状态静交纯。 本节研究在羹力方向发生竖向渗流的情况，即应用有效应力原理分析竖向渗流作用 下稳瑷层审熬有效应力交纯。 如图2 2 ( a ) 所示，o a 为基坑防渗墙，其中援为基坑外地面至地下水位面的 深度，基坑内外水位保持不变，水位麓为l 一士体的天然重度为y ，饱和重度为) ，。， 浮重度为y ，渗透系数为七。则坑外地面以下( 啊+ 矗2 ) 标高处的孑l 隙水遥力为 总应力为： 一( h 2 - 厶l ) r 。 盯= j ，坞+ ，掰如 ( 2 弓) ( 娜) 则有效应力为： o r = 一u = ，啊+ ，镌2 + 儿a 三 ( 2 7 ) 华北水利水电学院硕士学位论文 孔隙水应力和有效应力的分布如图2 2 ( b ) 所示。 、 ，一一j o 些 l l = x h r l ) 一一 图2 2 ( a ) 基坑不恿图 ( b ) 孔隙水_ 匝力与有效_ 匝力分布图 f i 9 2 2 ( a ) s k e t c hm a po faf o u n d a t i o np i t ( b ) s k e t c hm a po fs t r e s s 下面分析坑外地下水位以下y 深度处的应力。设渗流在地下水水面至y 深度处 的水头损失为a l ，因为单位层面面积的渗流量口与深度，处的单位面积流量应相 等，即q = g 。则： k ( a l y h 2 ) = k ( a l y y ) ( 2 _ 8 ) 即： 02 ( 砉) l ( 搠) 彬i 度处孔隙水压力：y ；( y 一工y ) ) ，。 ( 2 一l o ) 总压力为： q = ，啊+ y s a t y ( 2 - 一1 1 ) 则该标高处的有效应力为： ；q 一肛，= ( ) ，j l l + ) ，。，y ) 一y 一l y ) y 。 ；) ，t h + y y + ya w l = 地+ y 饥唼) 止 ( 2 1 2 ) 华j 匕水利水电学院硕十学能论文 分别将y = 0 、y = | l l ：代入式( 2 一1 2 ) 褥土层地下水位蕊处有效应力为j ，嚏，( 魄+ j 1 2 ) 深度处有效废力为盯z ) ，红+ y y + ) ，。l y ，其结果与式( 2 - - 7 ) 完全相同。 从上面分析和豳2 2 ( a ) ( b ) 看出，由于工程降水，基坑周围土层产生竖畿向下渗 流时，基坑周围土体有效应力和孔隙水压力也发生了该变。与静水愤况相鞋：，y 深 度处总应力保持不变，孔隙水压力减少了l y ，转化为渗流力，成为作用于土体 骨絮t 酌有效应力，因魏会孳| 起主秫在渗瀛侔瑶下的辩如沉降，丽时也证鞠了在总 应力保持不变的条件下孔隙水应力的减少等于有效威力的等辍增加。 另外，从式( 2 一1 2 ) 可以看出，渗流作用下有效应力怒深度缃线性函数，沿 深度线性变像。因| i 墩，只要知道均威层上下赛蘑她的有效瘫力，将其用直线相连， 就可以得到该土层的有效应力分布。 霉者，弩将式( 2 一1 2 ) 表示残妇下形式： ：一+ ( 2 _ 1 3 ) 其中： 彰= ) ，啊+ y ( 2 一1 4 ) 怒体静有效自燕g l 起静，并钵现了静窳压力豹影晌，敌称其为自重有效应力 其计算与无渗流作用时土体的自重蠢效应力计算完全相同。 ， fy 、， 咿 计研 ( 2 一1 5 ) ：怒由水头麓产生的，由静水压力的一部分转化而来的，体现了渗透压力的影响， 敌称其为渗透有效成力，并成为作用于土体骨架上的有效应力。 2 。1 。3 竖囱渗流条髂下残层士孛有效应力分析 上节研究了均质土中竖向渗流作用下的有效应力，但在旗坑工程实践中常常遇 到或层抟，因憩，鹾究渗浚箨用下层获主俸有效黢力蛙状爨毒重要豹现实意义。 本节以稳定状态渗流理论为熬础，研究成层士中一维渗流情况下有效应力计算。 如图2 3 所示，骰设基坑外行髅层获i 体在境内外的永燕差作瘸下沿竖直 方向发生稳定的一维渗流，越下水位以下各士层的渗透系数矜别为颤，露2 ，； 各土层的饱和重度分别为) ，。1 ，y 。2 一，比。；浮黛度分别为) ，1 ，2 ， ：厚度 1 4 华j 匕水利水电学院硕十学位论文 分别为i l l l ，h 2 ，吃； 地下水位面以上土层厚度为，重度为h 。 h 图2 3 竖向渗流引起的应力变化示意图 f i 9 2 3 s k e t c hm a po ft h ec h a n g ei ns t r e s sd u et ov e r t i c a ls e e p a g e 设地下水位面以下第f 层中的总水头为厶( y ) ；总应力为q ； 有效应力为q a 在一维渗流条件下，成层土中各土层界面处的速度和水头是连续的，并根据均质含 水层稳定渗流条件下的l a p l a c e 方程，以总水头( y ) 为变量的方程及其定解条件表 示如下： 堡：o 咖f y = y o = o a ( y o ) = o ( 2 1 6 ) y = y i ，厶+ 。( ) ，) = 厶) y = y t d l i y i + 1 一k , d 砂l , y = y 。= 日工。( y 。) = h - a l 热) ，；2 善矗，2 啊幔”+ 睡为原点确层底面的距离 i = 1 ，2 ，厅，上式的通解为： 华北水利水电学院硕+ 学位论文 厶一厶( y ) = a i y + 岛 ( y f lsysy i ) 由( 2 1 6 ) 式中的定解条件分别得： a i , l y i + 岛+ l = a i y i + 红 口f + 1 岛“= 口j t - - - 1 7 ( c 为待定常数) 口。h + 吃= h 一三 由式( 2 _ 得- 2 寺 则由式( 2 - - 1 9 ) ，( 2 - - 2 0 ) 得 却 去卜 c q i 由式( 2 _ 1 6 ) ， ( 2 1 7 ) 可得岛- 0 ，故由式( 2 - 2 2 ) 可得： 嘲疃一扣= c 乏+ 分琶c 岛时唼一丢盼c 鲁+ 惫+ 尝c 依次类推，可以得到包lc 套等一詈，c 州骞等一 结合式( 2 - - 1 9 ) ，( 2 _ 2 0 ) ，( 2 - _ 2 6 ) 可得 州肌止骞等 厶= 洲= 饵赳，譬嘻等，凳等 ( y i _ 1s ys y i ，i = 1 , 2 ，1 ) 1 6 ( 2 _ 一1 7 ) ( 2 _ 一1 8 ) ( 2 _ 一1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 2 ) ( h 3 ) ( 2 _ 2 4 ) ( 2 _ 2 5 ) ( 2 _ 2 6 ) ( 2 _ 2 7 ) ( 2 一2 8 ) 华北水利水电学院硕十学 7 = 论文 q 2 q 咖胁+ 再l + y 洲( y 嘿) 嘶+ 善，删 j + 一。叫) 上式还可以表示为： q = q ) = t + y w y ( 2 - 2 9 ) ( 2 - 3 0 ) 其中吒为y 深度处的自重有效应力，即吒= ? o h o + 芝， s h s + ( ) ，一y j ) 根据有效应力原理，可得土层地下水位以下y 深度处的竖向有效应力为： 叫；叫( y ) = q y 以( ) ，) = r h o + 罗口h f + y s a t i ( y - y i ) 一 。 一俾一止) 拦萨+ 荟i 亏h ) 荟n 亏h c 2 m s - ， 式( 2 0 1 ) 即为图2 3 所示成层土中一维稳定渗流条件下的有效应力计算公式。 根据式( 2 - 3 0 ) ，( 2 - 3 1 ) 可得，有效应力还可以表示为 o = d 幺+ ) ，。y - y 。厶0 ，) ；d 幺+ ) ，。【_ ) ，一厶0 ，) ( 2 一3 2 ) 上式中令 吒= y 。【) ，一厶( ) ，) 】 f 表示由静水压力中的一部分转化而来，为渗透有效应力。 因此，叫- 以+ 吒说明成层土中一维稳定渗流条件下的有效应力是不考虑渗流 时的有效应力( 即自重应力) 虻和渗流引起的有效应力f 两部分组成。 特别当白f f i k 2 = = k = 七，一- 以i glg - y 时，式( 2