（市政工程专业论文）粉土地区地下降水对土体变形的影响研究.pdf

塑圭些坚些! 壁查翌圭堡奎兰塑墅堕! 壅 a i r s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h eh i g h f l o o rc o n s t r u c t i o na n dt h eu s i n go ft h eu n d e r g r o u n d s p a c e ，p r o j e c to fe x c a v a t i o ni n c r e a s e sg r a d u a l l y , s i m u l t a n e o u s l yp r o b l e m s i nt h ec u ta n dt h e f e n c eo f t h ee x c a v a t i o nh a p p e nc o n s t a n t l y i nt h ec i r c u m s t a n c eo f t h er e l a t i v e l yd e e pe x c a v a t i o n ， h i g hl e v e l o fg r o u n d w a t e ra n dw e l lh y d r a u l i cc o n d u c t i v i t ys o i ls u c ha ss i l ta n ds a n d ，p i p e e m e r g i n g ，q u i c k s a n da n d s oo na r ee a s yt oh a p p e n ，e v e ng i v ei m p a c to nt h es t a b i l i t yo f t h es l o p e o rp i t w e l l t h eg o o dw a y s o l v i n gt h e s ep r o b l e m si st od e w a t e r t h eg r o u n d w a t e rl e v e l d e w a t e r i n gi sc o n t i n u a t i v e l yp u m p i n gg r o u n d w a t e ro nt h eb a s eo ft h ev a c u u mt h e o r y d u r i n gt h ep r o c e s so f t h ee x c a v a t i o na n dp r e e x c a v a t i o n ，t h i sm e t h o d c a l lr e d u c et h eg r o u n d w a t e r l e v e lt ot h eu n d e r s u r f a c eo ft h ee x c a v a t i o n ，s os o l v i n gt h ei n b u r s t i n g f l o w , p r e v e n t i n gt h e c o l l a p s e o ft h es l o p ed u et o g r o u n d w a t e re r o d i n g ，e l i m i n a t i n gt h ep r e s s u r e c a u s e db yt h e d i f f e r e n c eo ft h ew a t e rl e v e l ，a n da v o i d i n gt h eu p - e m e r g i n go nt h eb o s o mo ft h ee x c a v a t i o n s i n c et h ee l i m i n a t i o no ft h eg r o u n d w a t e rp r e s s u r e ，t h el a t e r a ll o a d so nt h es h o r i n gs t r u c t u r ei s d e c r e a s e d ，q u i c k s a n di sa v o i d e d a f t e rt h eg r o u n d w a t e r l e v e lf a l l s ，s o i lg e t sc l o s e - g r a i n e da n dt h e c a r r y i n gc a p a c i t yi si n c r e a s e d a f t e rt h e g r o u n d w a t e r l e v e lf a l l s t h ee f f e c t i v es t r e s so ft h es o i li si n c r e s c e n t t h e c o n c r e t i o ns e t t l e m e n ti si u c r e a s e d ，t h el a t e r a la n dt h ev e r t i c a ld i s p l a c e m e n to f t h es o i li sg e n e r a t e t h ea s y m m e t r i cs e t t l e m e n te v e nt h ew a l lc r a z eo ft h ec o n s t r u c t i o nh a p p e n si ft h ec o n s t r u c t i o n e x i s t sn e a r l y a n dt h es i t u a t i o nw i l lw o r s eo f fp a r t i c u l a r l yf o rt h o s eb u i l d i n g su s i n gs h a l l o w f o u n d a t i o n h o wt oa v o i dt h e s eb a de f f e c t so nt h ee n g l n e a r i n gg e o l o g yc o n d i t i o ni st h ei s s u e n e e d i n g t os t u d yi nt h ep r a c t i c eo f t h e t e c h n o l o g yo f t h ef e n c eo f t h ee x c a v a t i o n t h e r ea r ef a r - r a n g i n gs i l ta n ds a n d ys i l tt h a ta r em o r et h a n1 5 mt h i c k n e s si nt h es t r a t u mo f t h ea r e ab e t w e e nt h ee a s tz o n ea n dt h es e a c o a s to f t h eq i a n t a n g j i a n gr i v e ri nh a n g z h o u d u et o t h ew e l lh y d r a u l i ec o n d u c t i v i t y , a b u n d a n c eo f t h ag r o u n d w a t e r q u a n t i t ya n d t h eh i g hl e v e lo f t h e p h r e a t i cw a t e r , e f f e c t i v ed e w a t e f i n gm e t h o dm u s tb ea d o p t e d t h el i g h tp u m p i n g w e l lm e t h o di s u s u a l l yu s e di nt h ep r o g r a mo f t h ee x c a v a t i o ni nt h i sa r e at od r yt h es o i l ，i m p r o v es o i lp r o p e r t y , p r e v e n tt h ep i p e e m e r g i n ga n dq u i c k s a n da n ds oo n b u ts i m u l t a n e o u s l yt h eg r o u n ds e t t l e m e n ti n t h ev i c i n i t yo ft h ep u m p i n gz o n et a k e sp l a c e ，a n dt h es e c u r i t yo ft h en e a r b yb u i l d i n g sa n dt h e w e l lw o r ko f t h e m u n i c i p a le s t a b l i s h m e n t w i l lb eb a d - a f f e c t e d t h e p r o p e r t yo f t h es i l ti sc o m p l i c a t e dt h a ti sa ss a m ea sn e i t h e rc l a yn o rs a n d s i l th a sa s e r i e so fp a r t i c u l a rc h a r a c t e ro ft h e e n g i n e e r i n gg e o l o g y i tm u s tb er e c o g n i z e d t h a tt h e q u i c k s a n da n dt h ep i p ee m e r g i n gi sv e r ye a s yt oh a p p e nb e c a u s et h ef i n eg r a i ni st a k e na w a y d u r i n gt h el a r g e - r a n g ep u m p i n gi nt h es i l to fs a n d ys i l ta r e a t h eg r e a tl o s so nt h ep r o j e c ti s u s u a l l yc r e a t e db yt h el i q u e f a c t i o np h e n o m e n ad u r i n gt h eo s c i l l a t o r yc o n d i t i o n ss u c ha st h e c o n s t r u c t i o no f t h e p e g i nt h ec l o s e g r a i n e da r e aa n dt h es u d d e nd e w a t e r i n gc o n d i t i o n s i no r d e rt oo b t a i nl o c a ld a t af o r a n a l y z i n gt h e o r e t i c a l l y t h e i n f l u e n c eo ft h es o i l d e f o r m a t i o nc a u s e d b y t h e g r o u n d w a t e rp u m p i n g ，t h e c i t e t e s t i n g a n dt h ei n d o o r e x p e r i m e n t a t i o no ft h ep u m p i n gp r o j e c ti nq i a n j i a n g3b r i d g ea r ee x e c u t e db yt h em u n i c i p a l e n g i n e e r i n gr e s e a r c ha c a d e m yw h i c hu n i t e dt h ee x p l o i t a t i o nc o o p e r a t i o no ft h eh a n g z h o u b a s ee s t a b l i s h m e n ta n dt h eh a n g z h o u m u n i c i p a lc o o p e r a t i o na n dl a u n c hi n t om a n ye q u i p m e n t s a n dm u c h t e c h n o l o g i c a ls t r e n g t h s t u d yo f t h es o i l d e f o r m a t i o n c a u s e db y g r o u n d w a t e r p u m p i n g i n t h es i 1 t a r e a i nt h i sp a p e r , t h ec i t e - t e s t i n gd a t aa n dt h ei n d o o re x p e r i m e n t a t i o ni n f o r m a t i o ni sa n a l y z e d ， t h es o i ld e f o r m a t i o nc a u s e db yg r o u n d w a t e rp u m p i n ga n dp u m p i n gi t s e l fa r es t u d i e dt h el a t e r a l d e f o r m a t i o nd a t ao ft h es o i li n d i c a t et h a tt h eg e n e r a t i o n ，d e v e l o p m e n to ft h el a t e r a ld e f o r m a t i o n o ft h es o i li s c l o s e l yr e l a t e dw i t ht h ep r o c e s so ft h eg r o u n d w a t e rp u m p i n g t h es t u d yo ft h e v e r t i c a ld e f o r m a t i o nd a t ao ft h es o i le v e ns h o wt h a tn o to n l yt h es o i lc o m p r e s sc a u s e db yt h e e n h a n c e m e n to ft h ee f f e c t i v es t r e s s h a p p e n s ，b u ta l s ot h ed i l a t a t i o n ，a n dt h em a i nf a c t o rt h a t c a u s e st h e s ep h e n o m e n o ni st h eg r o u n d w a t e rp u m p i n g o nt h eb a s eo ft h et h e o r e t i c a la n a l y z e ， o n em a t h e m a t i cm o d e li sd e v e l o p e d ，g a l e r k i nf i n a ee l e m e n tm e t h o di su s e dt os o l y et h i sm o d e l t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ns h o w st h a tt h em a t h e m a t i cm o d e lc a np r e f e r a b l yd e s c r i b et h ea c t u a l s i t u a t i o no ft h ew a t e rl e v e l ，s o i ld e f o r m a t i o ni nt h es t u d ya r e a ，f u r t h e r m o r et h a tt h ea n a l y z i n g r e s u l to ft h ec i t et e s t i n ga n dt h ei n d o o re x p e r i m e n t a t i o ni n f o r m a t i o ni sc o r r e c t l yp r o v e d t h e s e s t u d i e sc o n t r i b u t ed e f i n i t e l yf o rt h et h e o r yo f t h ed e w a t e r i n gs y s t e ma n dt h ec h a r a c t e ro f t h es o i l d e f o r r n a t i o ni nt h es i l ta r e a 粉十地区地下降水对士体变形的影响研究 摘要 近年来，随着高层建筑和地下空间利用的发展，我国基坑工程日益增多，伴随而来 也产生了一系列的基坑开挖、围护等问题。在基坑开挖深度较大，地下水位较高，土质渗 透性较大的情况下( 如粉土、粉砂等) ，往往容易山现坑内涌水，坑底上冒( 管涌) 、流砂 等现象，有时还会影响到边坡或坑壁的稳定，这时采用降低地下水位的措施往往能使这些 问题得到有效的解决。 地j 卜降水就是在基坑开挖前和开挖过程中，利用真空原理等方法，不断抽出地下水， 使地下水位降低到基坑底以下，从而根本上解决了地下水涌入坑内的问题，防止边坡由于 受地下水流的冲刷而引起的塌方，使坑底的七层消除了地下水位差引起的压力，因此防止 了坑底的上冒：由于没有水压力，使支护结构减少了横向荷载，由于没有地f 水的渗流， 也就消除了流砂现象：降低地下水位后，还能使土层密实，增加地基土的承载能力。 由于降低了地下水位，引起土体有效应力的增加，因而增加了地基土的嘲结沉降， 使土体产生竖向及横向位移，如果附近有建筑物的存在，将导致建筑物发生不均匀沉降， 甚至引起墙体开裂等严重现象，特别是使用浅基础的建筑物，其后果更加明显。如何避免 这些不良的工程地质影响，就成为目前基坑围护技术中的一个需要实践研究的课题。 杭州城区东部至钱塘江沿岸的地层中广泛分布着厚达1 5 m 的粉土与粉砂质土。该土 层渗透性能好，地下水含量丰富，且潜水水位高，基坑开挖工程中必须采取有效的降水措 施。该地区基坑施工中通常采用轻型井点来降排地下水，以达到疏干土层，改善土性，防 治管涌、流砂等事故发生的作用。然而降低地下水位的同时也会引发周围地表沉降，影响 周围建筑物的安全与市政设旌正常功能的发挥。 粉土的性质复杂，既不同于粘性土，又有别于砂土，具有一系列独特的工程性质。 特别是在粉土、砂土地层区大幅度降低地下水位时，因细小颗粒被带走，极易发生流砂、 管涌事故，要特别予以重视，在振动条件下例如密度较大的桩基施工和快速排水条件下极 易产生液化现象，常会给工程造成意想不到的重大损失。 针对这样的现状，浙江大学市政工程研究所联合杭州市城市基础设施开发总公司、 杭州市市政工程总公司以钱江三桥北匝道桥工程中采用的井点降水作为研究测试对象，投 入技术力量与设备，开展“粉土地区地下降水对土体变形的影响研究”科研工作，通过埋 设现场监测仪器，进行原位测试研究，以获得第一手资料进行理论分析研究。通过对现场 试验结果的研究分析，及详细的试验数据的计算整理，探讨地下降水对土层浸润线、士体 位移及邻近建筑物的影响规律性。 本文以杭州市钱塘江北岸大型管沟工程为例，对粉土地区因管线施工所需地下降水 引起的周围土体变形进行了现场实测研究。土体水平位移实测资料研究结果表明，因管线 开挖而进行的地下降水过程与水平位移的发生、发展有密切的联系；对土体垂直位移的研 究结果则表明，土体中不只发生了因有效应力增加而导致的土体压缩，还伴随有剪胀现象 的发生，而地下降水是导致土体发生这种现象的主要因素。在此基础上，根据研究区实际 情况建立了相应的数学模型，并应用伽辽金有限单元方法进行求解。数值模拟结果表明该 数学模型较好的刻画了研究区地下水水位、土体位移的实际变化情况从理论上进一步证 实对原位测试与室内试验分析结果的正确性。为丰富粉土地区降水理论与士体变形特性做 出了一定的贡献。 s t u d y o f t h e s o i l d e f o r m a t i o n c a u s e d b y g r o u n d w a t e rp u m p i n g i nt h es i l ta r e a 第一章项目简介 第一节立项目的与意义 近年来，随着高层建筑和地r 空间利用的发展，我国基坑丁程日益增多，伴随而来 也产生了一系列的基坑开挖、围护等问题。在基坑开挖深度较大，地下水位较高，_ l = ：质渗 透性较大的情况下( 如粉土、粉砂等) ，往往容易山现坑内涌水，坑底上冒( 管涌) 、流砂 等现象，有时还会影响到边坡或坑壁的稳定，这时采用降低地下水位的措施往往能使这些 问题得到有效的解决。 地下降水就是在基坑开挖前和开挖过程中，利用真空原理等方法，不断抽出地f 水， 使地下水位降低到基坑底以下，从而根本上解决了地下水涌入坑内的问题，防止边坡由于 受地下水流的冲刷而引起的塌方，使坑底的土层消除了地f 水位差引起的压力，因此防止 了坑底的上冒；由于没有水压力，使支护结构减少了横向荷载，由于没有地f 水的渗流， 也就消除了流砂现象；降低地下水位后，还能使土层密实，增加地基土的承载能力。 由于降低了地下水位，引起土体有效应力的增加，因而增加了地基土的固结沉降， 使土体产生竖向及横向位移，如果附近有建筑物的存在，将导致建筑物发生不均匀沉降， 甚至引起墙体开裂等严重现象，特别是使用浅基础的建筑物，其后果更加明显。如何避免 这些不良的工程地质影响，就成为目前基坑围护技术中的一个需要实践研究的课题。 粉土的性质复杂，既不同于粘性土，又有别于砂土，具有一系列独特的工程性质( 刘 连喜，1 9 9 6 ) 。特别是在粉土、砂土地层区大幅度降低地下水位时，因细小颗粒被带走，极 易发生流砂、管涌事故，要特别予以重视( 张兴辽等，1 9 9 9 ) ，在振动条件下例如密度较大 的桩基施工和快速排水条件下极易产生液化现象，常会给工程造成意想不到的重大损失。 针对这样的现状，浙江大学市政工程研究所联合杭州市城市基础设施开发总公司、 杭州市市政工程总公司以钱江三桥北匝道桥工程中采用的井点降水作为研究测试对象，投 入技术力量与设备，开展“粉土地区地下降水对土体变形的影响研究”科研工作，通过埋 设现场监测仪器，进行原位测试研究，以获得第一手资料进行理论分析研究。通过对现场 试验结果的研究分析，及详细的试验数据的计算整理，探讨地下降水对土层浸润线、土体 位移及邻近建筑物的影响规律性。 本科研项目的意义在于，及时掌握降水工艺的现状及发展趋势，预测可能出现的不 利情况，保障基坑开挖工作的顺利进行，保护周围的地质环境不受影响；此外，通过实测 采用地下降水措施后所引起的地下土层浸润场的变化，为完善地下降水施工工艺提供了宝 贵的实测资料，而对降水及基坑开挖中土体位移场的变化的监测与研究，则为防止地下降 水引起的地面沉降( 主要是不均匀沉降) 对基坑周围建( 构) 筑物、地下管线等带来不良 影响，提供了翔实的实测数据资料和理论分析依据，为今后进一步的科研t 作提供了宝贵 的工程经验。 粉地区地下降水对士体变形的影响研究 第二节研究内容、研究方案及实施 l 研究内群 本科研项目鳙合典型工程进行魇位测试，以实际上程中的测试数据为依据，结合井 点降承的理论分柝，通过数蕊处理及理论计算与实际的 e 较分毒嚣，探讨焱粉土地透地下降 水对土层滠润线、土体位移及邻近建筑物的影响，建立并完善粉土地区地下降水的理论分 析与实践研究方法，总结出相关影响因素及控制采用地下降水施工工艺时的不利影响，从 嚣为耪她嚣采蠲逢下降承麓= _ l = 工艺黥可靠设计窝正常运行提撰必要静理论帮试骏菝据。 本科研项目的主要内狂有： ( 1 )为掌握现场体的变形特性，在降承前后采取原状十样进行室内压缩试骏和渗透 试验，溪l 定土体的糕缩系数、压缩接鬣和渗透系数等参数； ( 2 )为掌握原状土的渗透特性，通过布置单井进行抽水试验，反推现场渗透系数； ( 3 ) 邋避对地下承位全进程麴现戆溅试，掌握地下“承是豹变纯趣撵，事鼗合地“浸滤场 的分布形式； ( 4 ) 通过对土体水平位移与竖直位移的观测，掌握土体的变形特性； 时，属剪胀( 式中：q 代表广义剪应力；o - 。代表平均有效正应力：u 为由纯剪切试验确 定的土性参数) 。y a n gs h a o l i 等( 2 0 0 1 ) 的室内实验结果证明低围压( 1 0 k p a ) 下砂土也 具有剪胀性。而且不管是松散砂( 1 0 0 s es a n d ) 还是密实砂( d e n s es a n d ) 都存在剪胀性。 室内孔隙比试验的结果表明，同 。 样在2 4 2 6 m 深度处降水前后两次试 验的结果并没有出现孔隙比减小的现 象，而是不同程度地有所增大。从孔隙 比的对比图( 图2 2 2 4 ) 上可以更明显 地看到这一点。同一天土体水平位移向 基坑方向发展，进一步表明在这段时间 内土体发生了体积的膨胀。显然，降水 初期士体竖直向位移的上升与该时期地 下降水导致的土体应力变化造成土体的 剪胀有关。 剪胀现象的产生除了与一级井点 降水有关外，还可能与受钱塘江潮水的 影响而导致的地f 水位波动有关。根据 2 “ 3 鞣度( 晕：。) 5 ” 图2 - 2 2 4 孔隙比对比图 已有研究结果，土体循环加载情况下同样会有剪胀现象的发生( z h a n gj - m ，1 9 9 4 ) ，但潮 一1 7 删 哪 州 譬蠊酷 ! ! ! ! ：! ! ! ! ! i ! ! 堡! ! 麓苎i ! ! 竺! ! 墅! ：竺戮! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 堡! ! 竺! ! ! i ：! ! ! 黧 水对地卜水位的影响毕竟非常有限，十体有效麻力的变化旋主要来自于地下降水。由于观 测时间距二级并点开始降永的时间较长，这段时间内同结沉降已经成为主要趋势，所以该 段竖巍囱位移馥线表现为下酶戆势。 士体开挖对周围士体的应力变化也有相当的影响。但对土体剪胀的影响有多火以及 这种影响如何发展变化还必须倦助于数值模拟的手段。 8 t 型些垦丝工堕查型圭竺壅兰塑墅堕堕! ! 第三章数学模型与数值模拟 第一节数学模型 1 研究背景 地下降水引发的地面沉降作为一种城市环境公害已存在相当长的一段时间，并且随 着目前我国土木建设的蓬勃发展而日渐突出，地面沉降计算理论的研究远未满足实际工作 的需要。地面沉降的理论计算不仅牵涉到士体本身的固结沉降还关系到地下水在土体中的 渗流规律对地下水水文学以及土力学的理论均需要有深入的理解。目前地面沉降理论计 算主要集中在两个领域：地基处理与地下水开采。排水同结是处理加固淤泥质土、冲填土 等饱和粘性土地基的一种有效手段，降低地下水位法就是排水固结法中的一种，它是通过 降低地下水位增加土的自重应力以达到预压并改善土性的目的。对于排水固结法的研究岩 土工程界大多着眼于土体应力状态的改变和土体强度的提高，丁土体变形的研究甚少，地 基处理中的地下降水理论以地下水位处于稳定状态为主，很少考虑渗流过程对土体有效应 力的影响。 从地下水开采着手研究地面沉降是在6 0 年代上海、天津等地发现大规模地面沉降后 才开始的。经过3 0 多年的研究积累，在地面沉降的产生、分布、机理、预测、管理和监测 等方面都取得了不小的成果。然而地下水开采产生的地面沉降与基坑降水产生的地面沉降 在成因与机理方面还存在一定的差异。地下水开采通常是以地层中的深层承压水为主，如 上海、宁波等地抽取的都是地表以下第3 甚至第4 含水层中的承压水：而基坑降水针对的 主要是潜水含水层中的地下水，与承压水不同的是潜水具有自由液面，其模型求解比承压 水的模型求解更为复杂。 杭州市基坑施工中为减少井点降水对四邻的影响和危害，现主要采取以下几项措施： 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 o 5 1 o m ，但在没有密封挡土墙的情况一f ，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，在确保基坑不发生 涌砂和地下水不从坑壁渗入的条件下，可阻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，随着降水时间的延长，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井来观察水位变化情况， 控制流量和真空度。 3 采用井点降水与回灌相结合的技术。即在降水井管与需保护建筑、管线间设置回灌 井点，同灌砂井或回灌砂沟，持续不断地用水回灌，形成一道水带，以减少降水曲面向外 扩张，保持邻近建筑物、管线等基础下地基土中地原地下水位，防止土层冈失水而沉降。 降水井与回灌井应保持一定的距离，否则基坑内水位无法下降，失去降水作用。在降水井 点与回灌井点之问，或两井内外都应设置水位观测点，根据水位变化情况，控制好调节水量， 以达到既长期保持水幕作用，又防止回灌水外溢造成危害。 4 采用注浆固土技术防止水土流失。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士冈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为 度，降低十的渗透性能，使之不产生流失，以保证基坑邻近建筑物、管线的安全。 一j 9 ! ! ! ! ：! ! ! ! ! ! ! ! ! 旦! 生竺! ! ! ! ! ! 型兰! ! ! 鱼! ! ! ! ! 型苎! ! ! ! 翌e ! ! g ! ! ! ! ! 墅! 坐竺 2 数学模型的建立 自t c r z a g h i ( 1 9 2 4 ) 提出一维固结理论和有效应力原理以来，土体中的渗流规律一直是土 力学家和土木工程师所一直关注的问题，r e n d u l i c ( 1 9 3 5 ) 将一维固结理论推广到二维或三维 的情况，提出了t e r z a g h i 。r e n d u l i c 囿结理论，其数学表达式又称为扩散方程。1 9 4 0 年b i o t 根据连续体力学的基本方程，建立了b l o t 固结方程。该固结方程考虑了士体固结过程中孔 隙水压力消散和土骨架变形之间的耦合作用。以上理论都是研究饱和土体固结问题，并假 定土中水的渗流服从d a r c y 定律，土体变形是小变形，而且是弹性变形。近年来，沈振中 等( 2 0 0 0 ) 根据三峡火坝基岩的特点进行了粘弹性应力场与渗流场的耦合分析，计算结果 表明渗流场的存在对坝基的应力场影响是明显的；杨天鸿等( 2 0 0 1 ) 通过引入渗透率突跳 系数概念，提出了岩石损伤演化过程渗流应力耦合方程；郑少河等( 2 0 0 1 ) 则从考虑断裂 损伤效应的裂隙岩体渗透张量表达式出发，建立了多裂隙岩体渗流损伤耦合的理论模型； 黎水泉等( 2 0 0 1 ) 建立了考虑介质变形的双重孔隙介质流固耦合渗流模型。 近年来，流固耦合渗流方程的研究呈现多方向发展，多学科交叉的势态，如考虑气水 两相流与岩体变形的耦台模型( 杨代泉，2 0 0 0 ) ，以及饱和土体大变形固结( 谢新宇，2 0 0 0 ) 等。 a 总应力平衡公式：v 1 7 + f = 0( 3 - 1 】) 式中盯代表总应力，f 为单位质量体积力，而只考虑重力情况下f = y 。，y 。为 土体饱和重度； b 有效应力表达式：盯= 盯+ p( 3 1 ，2 ) 式中盯为土体有效应力，仃= 盯j f ” r 盯 f 廿 盯u f 叫 f 盯 f 归 盯j c 土的应力- 应变关系通常表示为：盯= 【d s 式中【d 】为弹性模量张量； 扛 为应变张量，忙) = l 1 j ，芦 1 j y 曩 1 j y 1 j 如果考虑剪胀效应则本构关系可以取： 式中矿是由剪胀引起的附加体积变化， 变不变量的增量：矿= j ，i 篇 1 i y 船 1 j 占： p 为孔隙水压力 ( 3 - 1 3 ) 盯= 【d 】 s ) 一k e + 西 ( 3 一i - 4 ) 剪胀量p t 取决于所考虑的时间步长中剪切应 式中妒是摩擦角，妒是摩擦的迁移角，a 7 是 在所考虑的时间步长中剪切应变不变量的增量( g 哥德赫，1 9 8 3 ) 。 粉十地区地下降水对土体变形的影响研究 d 相容性方程：占。= _ 8 u 0 x e y2 丽 占一：竺， ( 3 1 5 ) 6 一一一， 、j 一jj 。 出 a va “ 2 2 瓦+ 面 o w a u y n 2 y “2 面+ 瓦 却o v 2 ，“2 丽+ 瓦 式中“，v ，w 分别代表z ，y ，z 向土体位移。 e 渗流质量守衡表达式： vv + q 6 ( x 一y y o ，z - - z o ) ：挈 ( 3 “) 0 1 式中矿代表渗流速度，v = t ，0 ，t ；郇= 占，+ q + 占：；t 代表时间：q 指源 或汇；6 ( x x 0y y o , z z o ) 为井点( ，y o ，z o ) 的占函数。 d a r c y 定律：矿kv h 式中世为渗透系数；z 为高程；h 代表地下水水位。 f 边界条件： “，v ，卅r r = “l ，v 。，w 盯”i l ，= e ( 3 1 7 ) 式中l ，指土体位移的已知边界，“。，q ，w ，分别指平砸位移与垂直向位移的已知值 f s 2 指荷载已知的边界，e 为单位边界面积上的荷载：f w l 指水位已知的边界，h ，为水头 值；l ：指地下水流入或流出的量已知的边界，g l 其中为流量值， 分别为边界r ，2 与r 。2 的外法向方向。f 。指潜水面边界，h + 为潜水面位置水头。 2 1 孓 堕西 k 砌丽 吼 世 轨k 勘 扩瓢一一 “1 茁叫 有还水潜于对 ! ! ! ! ! 型! ! ! ! ! ! ! 里! ! ! ! 竺! ! ! ! ! 曼! ! ! ! ! ! ! 生竺! ! 璺! 型! ! ! 竺e ! ! 堡! ! 塑! ! ! ! ! 垒! ! ! g 初始条件： “，v ，训圳= “o ，v o ，w o h i ，：。= h 。 ( 3 1 9 ) 式中“o ，”o ，w o ，h o 分别指平面位移、垂直向位移与地r 水水位的初始观测值。 h 以上总体合成为表征地下水水头分布与土体位移的数学模型。 i 在包括重力方向的二维空间该模型表达式为： 一a c t x + 堡+ 塑：o缸瑟彘 孥+ 孥+ 挈+ y 。：o o x出o z k 3 “2 h + k 鲁+ 导+ 鲥。飞，z 咱) ：o 2良2西 一、 ” ( 3 - 1 1 0 ) 由于孔隙水压力的表示不如水头的表达式简单直观，因此根据二者的关系进行了推 导。孔隙水压力与水头之间有： p = ，。( 矗一z )( 3 1 1 1 ) 将上式代入( 3 - 1 1 0 ) 得： a _ c t + 冬饥i a h ：o 韶m 等+ 等饥警+ ( 1 一胛) ( l - y w ) _ o ( 3 - 1 - 1 2 ) k 窘+ 足窘+ 等+ 纵x - - x o z - - z 0 瑚 式中以= 风g ，而p ，为土颗粒密度：h 为孔隙度。 j 对公式( 3 1 - 1 2 ) 的讨论 公式( 3 - 1 - 1 2 ) 与通常包含孔隙水压力表达式的公式( 3 1 1 0 ) 相比有明显的不同。 在静水压力下，詈= 0 ，有效应力等于单位体积的土体所受到的浮力( 1 一n ) r 。与单位体 积土体所受的重力( 1 n ) z ，之差。而在地下水流动的情况下，一般娑0 ，此时土体有 效应力的变化远较静止水压力情况下的变化要复杂。 2 2 塑些堕些! 堕查翌圭笪竺兰塑墅堕! f 塞 一 第二节数值模拟 1 现场概况 2 0 0 0 年9 月至2 0 0 0 1 年2 月问， 浙江大学市政工程研究所会同杭州市 市政工程集团有限公司及杭州市城市 基础设施开发总公司一起进行了一项 以研究杭州东部地区粉砂土地区降水 及沉降特性为目的的基坑降水试验。 工程现场位于杭州市经济技术开发区 钱江三桥下，富春江路与瓯江路交叉 口处。永侧紧邻正在建设中的浙江省 内第一高楼一杭州市第二长途电信 枢纽大楼( 见图3 - 2 1 ) 。工程所处地 富春江路 瓯 江 路 l 试 验 场 地 图3 - 2 1 现场位置示意图 区，地形平坦，地表养殖鱼塘密布，水系发达。现场距钱塘江约7 0 0 余米，属钱塘江河口 冲海积平原地貌，高程5 5 m - - - 6 6 m ，相对标高一2 0 0 0 m 。 试验场地位于杭州市区钱塘江北岸，距江边约三百米，杭州市新建的污水管道正通 过钱江三桥段。该场区土以粉土为主，含水量一般在3 5 5 0 之间，渗透系数约1 0 x1 0 2 x1 0 - 4 c m s ，地下水埋藏浅，水量丰富，为了使工程得以顺利完工，必须采取降水措 施，以保证基坑作业。共在场区埋设地下水水位观测孔1 5 口；分层沉降管5 个，其中每个 沉降管设5 个监测环；此外还浇注地面沉降盘5 个；并在土体水平位移显著地区埋设2 根 测斜管，以竖直向上0 5 m 为间距进行观测。 现场布置了二级井点管系统进行降 水。井点管采用标准巾5 l 钢管，管长7 o m ， 滤管段0 5 m 。 井点系统于2 0 0 0 年1 1 月2 1 日上午 开始抽水，一级井点降水共持续了5 天， 1 1 月2 6 日晚二级井点开启加入抽水。现 场测试人员对一级井点单独抽水后不同时 刻各水位观测孔中的水位面、地面沉降量、 分层沉降量进行了测量。 一级井管管底标高- 6 0 7 3 m 。地下水 初始水位现场量测为1 5 6 3 m ( 如图3 - 2 2 示) 。井点管抽水开始后，抽机功率恒定。 各管出水基本相等且保持恒定，单井流量 为q = 2 4 1 3 m 3 d 。 2 模型概化 计算区域的确定 a 非完整井的影响深度： 杂蟪 栅 拱泥质糟土 图姐2现场土质纵剖面示意圈 根据水文地质条件，水井按其井底位置可分为完整井与非完整井。完整井井底直达不 透水层非完整井的井底则未达到不透水层。基坑工程中碰到的降水井通常都是未打到不 透水层的，也就是非完整井。就目前来说，考虑非完整井深度影响的理论尚不完善，已有 的非完整井理论分析过程与计算过程都相当繁琐。因此可以在考虑抽水影响深度的条件f ， 将非完整井向近似等效的完整井转化，对于含水层较厚的情况该近似方法且有相当的理论 2 3 s t u d y o f t h e s o i l d e f o r m a t i o n c a u s e d b y g r o u n d w a t e r p u m p i n g i nt h es i l t a r e a 一 依据( 陈雨荪，1 9 7 7 ) 。 下式为关于非完整井动水头分布的理论公式： 。一彘- n 亭一鼎善古( s i n 鲁“n 等坞c 争c o s 箐 型：丝： g 口2 r 4 ( b 2 一b 1 ) 2 。i 。堕+ 堕掣。i 。照 m 3 x m 2 p m 专 n 鲁“n 等 等s 箐一谚崧 善c 等等c o s 簪+ 鬻咖譬+ 鬻s ；n 鲁一等等咖簪 寿s 等 式中肘表示含水层的厚度。 上式代表了任意厚度的含水层用非完整井抽水时所形成的势场。对于离井较近的地 方 m 内任意一点( l z ) 的水头都不等于初始水头h 。，而是小于h 。，但同 时也不难发现，随着r 的增加，右边后半项衰减很快。当含水层很厚时，即m 较大时，后 半项值很小，h 几乎等于h o ，动水压强几乎和起始状态差不多。显然当含水层比较厚时， 离井较远处受抽水的影响将十分有限。因此对于厚含水层中用非完整井抽水时，可以在某 一深 度上将含水层划分为两个水平带；靠近井底的一个水平带称为“有效带”( 陈雨荪，1 9 7 7 ) ， 在这一带内的地下水受抽水影响，地下水涌向井管，无论水力坡度或是流速都比较大。而 离井底较远，深度更深的水平带，地下水的水头降深、水力坡度和流速都