（岩土工程专业论文）杭州地区粉砂土中基坑降水面的数值模拟.pdf

摘要 杭州地区粉砂二e 中基坑降水面的数值模拟 杭州地区粉砂土中基坑降水面的数值模拟 摘要 随着城市建筑规模发展增大，基坑工程正向深、大方向发展。为了保证工程 顺利进行，对于粉砂土区域的基坑开挖，顺利降低地下水位是基坑开挖成功的 个关键因素，因此基坑降水后降水面的确定具有重要的意义。基坑降水是一个典 型的三维渗流问题，对这一问题采用解析法来求解相当困难，数值法早已成为一 种常规技术手段，尽管它所取得的计算结果是近似值，但它不再受含水层形状以 及性质限制，克服传统解析法在应用上的诸多局限，将其应用于基坑降水方案计 算将是大势所趋。 本文采用有限单元法对基坑降水过程中渗流场进行数值模拟，考虑潜水面上 毛细管水的作用，分析降水过程中基坑内外渗流场变化，来解决了地下水位自由 面升降问题。 本文首先介绍了地下水在岩土层中的渗流要遵循渗流运动方程和连续性方 程，在此基础上得到了稳定渗流的微分方程式。同时说明了毛细作用对渗流的影 响，给出了非饱和渗流微分方程式。然后应用a b a q u s 对渗流进行了有限元模拟， 分别模拟了不同渗透系数、不同的止水帷幕插入深度以及回灌对降水自由面的影 响。最后以中国水利博物馆工程基坑开挖引起的降水为实例，采用三维模型进行 了数值模拟。由于两边水头边界不对称，在模型中考虑了土层渗透的各向异性， 对于土层在水平方向和垂直方向采用了不同的渗透系数。将模拟结果与实测结果 进行了对比，两者基本一致。 【关键词】粉砂土：基坑降水面；渗流场；有限单元法；三维数值模拟 浙江大学硕士学位论文2 0 0 6 年8 月 n u m e r i cs i m u l a t i o no ff o u n d a t i o np i td e w a t e r i n gs u r f a c e i ns i l t ys a n di nh a n g z h o u a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc i t yc o n s t r u c t i o nf o u n d a t i o np i t sa r eb e c o m i n gb i g g e ra n dd e e p e r s u c c e s s f u ld e w a t e r i n gi sak e yt og u a r a n t e ep i ts e c u r i t yi ns i l t ys a n d ，t h e r e f o r et h ec a l c u l a t i o no f d e w a t e r i n gs u r f a c ei sr a t h e ri m p o r t a n t g r o u n d w a t e rs e e p a g ei st h r e e - d i m e n s i o n a lf o rd e w a t e r i n g o ff o u n d a t i o np i t s o w n i n gt oc o m p l e x i t yo fb o u n d a r yc o n d i t i o n st h et h e o r e t i c a ls o l u t i o ni s d i f f i c u l tt oc a l c u l a t i o n o nt h eo t h e rh a n dn u m e r i c a lc a l c u l a t i o nh a sb e c o m ec o n v e n t i o n a lm e t h o d a l t h o u g ht h er e s u l t sb yn u m e r i c a ls i m u l a t i o na r ea p p r o x i m a t e ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o ni sn o t r e s t r i c t e di nm a n yw a y ss u c ha st h es h a p ea n dp r o p e r t yo fa q u i f e r , a n do v e r c o m e sm a n y l i m i t m i o n so fc o n v e n t i o n a la n a l y t i c a lm e t h o d a p p l i c a t i o no f n u m e r i c a ls i m u l a t i o ni n t o d e w a t e r i n gi nf o u n d a t i o np i t si sp r o m i s i n g i nt h ep a p e rn u m e r i c a ls i m u l m i o ni sa p p l i e di n t od e w a t e r i n go ff o u n d a t i o np i tb yf i n i t e e l e m e n tm e t h o d m e a n w h i l et h ec a p i l l a r yi st a k e ni n t oa c c o u n t b yt h ea n a l y s i so fg r o u n d w a t e r s e e p a g ef i e l do ff o u n d a t i o np i tt h ec a l c u l a t i o no fd e w a t e r i n gs u r f a c ei sd o n e f i r s tt h eg r o u n d w a t e rm o v e m e n te q u a t i o n sa n dc o n t i n u u me q u a t i o n sa r ed e r i v e d ，a n d a c c o r d i n g l yt h ed i f f e r e n t i a le q u a t i o n so fg r o u n d w a t e rs t e a d ys e e p a g ea r ed e r i v e d m e a n w h i l et h e i n f l u e n c eo fc a p i l l a r yo ns e e p a g ei si n t r o d u c e d ，a n dt h ed i f f e r e n t i a le q u a t i o n so fu n s a t u r a t e d s e e p a g ea r ed e d u c e d b yt h ef e ms o f t w a r eo fa b a q u sg r o u n d w a t e rs e e p a g eo fd e w a t e r i n gi n f o u n d a t i o np i ti ss i m u l a t e dn u m e r i c a l l y , a n dr e s u l t ss e p a r a t e l yg i v et h ei n f l u e n c eo nd e w a t e r i n g s u r f a c eo fd i f f e r e n tp e r m e a b i l i t yc o e m c i e n t s ，d i f f e r e n ti n s e r t i n gd e p t ho fw a t e r p r o o fc u r t a i nw a l t a n d r e c h a r g es y s t e m f i n a l l y t a k ec h i n aw a t e rm u s e u mf o r e x a m p l et h r e e d i m e n s i o n a l g r o u n d w a t e rs e e p a g ef i e l d i ss i m u l a t e d o w n i n gt ot h ea s y m m e t r yo fh y d r a u l i ch e a db o u n d a r y c o n d i t i o n st h ea n i s o t r o p yp e n e t r a t i o no fs o i ll a y e r si st a k e ni n t oa c c o u n t ，s ot h ed i f f e r e n t p e n e t r a t i o nc o e f f i c i e n t so fv e r t i c a la n dh o r i z o n t a ld i r e c t i o na r es e p a r a t e l yg i v e ni nt h em o d e l b y c o m p a r i s o nt h es i m u l a t e dr e s u l t sb a s i c a l l ya c c o r dw i t ht h eo b s e r v e dr e s u l t s ；f 一， k e y w o r d s ：s i l t ys a n d ；d e w a t e r i n gs u r f a c eo f f o u n d a t i o np i t ；s e e p a g ef i e l d ； f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；t h r e e d i m e n s i o n a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o n 2 第一章绪论杭州地区粉砂土中基坑降水面的数值模拟 第一章绪论 1 1 引言 随着我国经济建设的迅猛发展，城市建筑规模越来越大，基坑工程正向深、 大方向发展。深基坑工程施工过程中经常会遇到地下水，给深基坑工程的正常施 工带来许多问题，如基坑开挖、边坡稳定、坑底隆起与突涌、浮力及防渗漏等， 导致基坑坍塌、地基沉降等事故，致使工期延误，给生命和财产造成损失。因此， 基坑降水起着重要的作用，一方面基坑水位的降低使基坑开挖施工在安全和干燥 的环境中进行，同时还增加了土层的稳定性，防止边坡开裂和崩塌，防止基坑底 面隆起或基坑突涌，保证工程顺利进行，对于粉砂土区域的基坑开挖，顺利降低 地下水位是基坑开挖成功的一个关键因素。另一方面，当基坑周边环境条件差时， 基坑邻近存在建筑物和各种地下管线时，基坑降水引起基坑周边地面的沉降，需 要控制降水的程度，在某些情况下要进行回灌。另外就是结构的抗浮计算同样要 涉及到降水自由面问题。因此基坑降水后降水面的确定具有重要的意义。 基坑降水方案设计首先要确保降水效果能达到预期目的，能够按照计划有控 制地进行。其次还要考虑降水工程的经济性。因此，采用合理的降水方案是基坑 降水工程中的关键。杭州市城东区地多为粉砂土层，渗透性较好且厚度大，降水 井往往不能打穿含水层而成为非完整井。有些情况下需加设止水帷幕，深基坑的 降水多是通过绕流实现的。目前的基坑降水多按照稳定渗流理论与方法进行，不 能考虑到在降水过程中渗流场受地下止水帷幕的打设深度、位置等方面的影响， 更不能直观模拟基坑内外渗流场的变化过程和反复抽灌下水位的变换过程。传统 的应用解析法计算水位降低需要对场地的地质条件进行概化，当地质条件过于复 杂时，这种概化可能引起失真。例如，当基坑降水影响范围内的含水层由多层渗 透性差异较大的岩层所组成时，解析法通常需要采用综合渗透系数来描述其宏观 特征，但这样就忽视了真实水流的运动规律，计算结果可能有较大误差。同时解 析法难以处理计算边界不规则或者边界条件比较复杂时的情况。 基坑降水是一个典型的三维渗流问题，对这一问题采用解析法来求解相当困 难。在地下水流动问题计算领域内，数值法早已成为一种常规技术手段，尽管它 第一章绪论浙江大学硕士学位论文2 0 0 6 年8 月 所取得的计算结果是近似值，但它不再受含水层形状以及性质限制，克服传统解 析法在应用上的诸多局限，将其应用于基坑降水方案计算将是大势所趋。本文采 用有限单元法对基坑降水过程中渗流场进行数值模拟，考虑潜水面上毛细管水的 作用，分析降水过程中基坑内外渗流场变化，来解决了地下水位自由面升降问题。 1 2 杭州地区地质条件 杭州市在地理位置上位于钱塘江下游北岸，在地理环境上属我国长江三角洲 区域杭嘉湖平原的西南部。在地形位置上处在天目山系余脉的低山丘陵与平原的 交接地带、西南部为低山丘陵地形，境内北部、东部及钱塘江两岸均为广阔的堆 积平原，在平原内北面有半山、独山、大观山、方山等低山丘零星分布。整个平 原河渠纵横、水网密布，具有我国典型的江南水乡地貌。 从工程地质角度有以下工程地质层： 1 层，人工填土层：1 a 层，杂填土。覆盖于所有土层的最上部，褐灰色或杂 色，成分杂乱。以建筑垃圾为主，堆填无规律，层厚1 - - 7 m ，普遍分布于旧城区； 1 b 层，素填土层。以粘性土为主，黄灰及灰色稍密状，含砖瓦屑，埋藏于杂填上 下及在郊外直接在地表，层厚l 3 m ，分布老城区及近郊：1 c 层，冲( 吹) 填土 层。以淤质土及西湖泥炭土为主要成分，夹少量粉土，深灰、灰色、饱和松软。 杭州的冲填土大体可分为三类，其一是6 0 年代疏浚西湖水力冲填的泥浆，大多蓄 储在今少年宫北市体育场，混堂桥南、黄龙饭店、苏堤太子湾等原低洼地带，主 要成分为西湖泥炭及淤质土，层厚2 4 m ，性质极差。其二是7 0 年代疏浚炼油厂 与省客运站码头运河段，大多冲填在老朝晖路南北、中山花园( 原良山港区) 、 市政机具站等原低洼地带，主要成分为淤质土及河淤泥，层厚2 4 m 性质极差。 其三是沿钱塘江珊瑚砂、三堡、四堡等江边堤内，扩地造田时所水力冲填，主要 成分为钱塘江粉土、粉砂，层厚2 4 m ，欠固结。l d 层，有机质填土层。深灰、 灰色、饱和，主要成分为生活垃圾及有机杂质的废土，分布在城郊区已废弃的塘、 沟河及低洼地带。零星而无规律一眭质差。河塘淤泥，深灰、饱和，主要成分为 淤泥夹杂多量腐植质及螺壳、朽木等，分布在城郊区暗塘、暗河、暗沟等的底部， 层厚达1 3 m ，性质极差，不宜利用。淤积土，灰至褐灰色。亚粘土性含多量有 机质、朽木、砖瓦屑等，具水流沉积层理，大多分布于上、下城古西湖外侧的原 低洼地带，层厚1 3 m ，由于年代较久己有所压密，呈流塑，稍密状，仍应视为 第一章绪沦杭州地区粉砂二川基坑降水面的数值模拟 软弱层，未经处理，不宜直接利用。1 e 层，西湖泥炭化土及泥炭层。西湖泥炭化 土、褐灰、深灰色，饱和，流塑状，分布在今青年路浣纱路、龙翔桥等一带古西 湖范围内，层厚1 o 5 m ，多腐植质，性质极差，不宜利用；西湖泥炭土，褐灰及 灰褐色、饱和、较松软，成分多为腐植质及灰份。植物纤维残体，富弹性，高压 缩性，低强度性质极差，分布于古西湖内，层厚1 0 3 3 m ，刁j 宜利用。 2 n ，钱塘江冲积沉积层，属河口相。 2 1 层，粉土( 砂质粉土、粘质粉土) ，灰黄色、饱和，较松到稍密，以粉土 粒为主要成分，随深度增加渐增粗、增密，层厚3 6 m ，中低压缩性，强度较好， 并由于人类活动偶见零星抛石，分布于杭州城东区带。2 2 层，粉砂、灰黄、 饱和，中密至稍密，含多量云母碎屑，层厚6 1 0 m ，层间夹零星抛石，强度较高， 低压缩性，性质良好，是多层建筑及中型工业厂房良好的桩基持力层。2 3 层， 粉细砂( 局部中细砂) ，灰黄至灰青色、饱和，中密，层厚5 1 2 m ，强度高，低压 缩性，性质良好，可作中、短桩基的良好桩基持力层。另外，局部地段层间时有 相对软弱土层，地表“硬壳层”曹溪冲积相及淤质软土粉土曾出露拉表，经长期 周期干燥、氧化形成陆地。 3 n ，第一软土层，最后一次海侵后期沉积淤泥质软土层，属滨海、海湾相。 3 a 层，淤泥质粘土，深灰、灰色、饱和，流塑状，含多量植物残体，层厚3 6 m ， 分布全区，城东区由于钱塘江的冲) 3 1 j , 录l j 蚀等局部缺失，属低强度高压缩性土。3 b 层，淤泥质粉质粘土( 厚称淤泥质亚粘土) ，灰色、饱和，流塑，具粉土、粘土 交互薄夹层理，横向排水条件较好，仍属低强度，高压缩性土，层厚8 1 0 m 。 4 层，第一硬土层。属古老溪河流、滨岸相。 4 a 层，粉质粘土或粉土粘土互层，褐黄、灰黄色、可塑状，具明显沉积韵律， 层厚2 4 m ，分布于城西北三墩、勾庄、祥符镇、大桥、民生药厂一带，呈条带 状，至观音桥尖灭；4 b 层，粘性土层。褐黄、灰绿色，可塑至硬塑状，层厚3 7 m ， 分布范围同上，一般埋藏于4 a 层之下。性质较4 a 层更好。整个4 层埋藏较浅，性 质良好，为该区域较理想的多层建筑浅基持力层。 5 层，第二软土层，最后一次海侵早期沉积的淤泥质软土层，属浅海、溺谷 相。 5 a 层，淤泥质粉粘土层，灰色、饱和、流塑，含多量值物残体，云母屑，具 水平向沉积韵律，层厚5 1 0 m ，分布于全区，但当4 层缺失地段，往往项板与3 b 第一章绪论浙江大学硕士学位论文2 0 0 6 年8 月 层沟通，较难区分。5 b 层，淤泥质粘土层。深灰、灰褐色、饱和，流塑，底部多 植物残体、海生贝螺、牡顿层，具气孔构造，层厚2 l o m 。整个5 层性质松软， 有一定埋藏深度，不宜直接利用，构成浅基的软弱下卧层。 6 层，第二硬上层，属陆相、河湖相及海陆交互相地层。 6 a 层，粘土层。褐黄色，可塑至硬塑，含氧化铁，层厚2 - 4 m ，分布全区。 6 b 层，粉土、粘土互层，褐黄色，灰青色，可塑至硬塑，层厚3 5 m ，分布全区， 一般埋藏于6 a 层之下，局部夹有粉细砂薄层。6 c 层，粘性土层。灰黄，褐黄色， 可塑至硬塑，层厚3 - 4 m ，分布全区，一般埋藏于6 b 层下部。整个6 层分布较广， 全市普遍发现，但由于后期流水冲刷、剥蚀，常呈带条状缺失。该层一般来讲层 位稳定，性质好，是杭州理想的中长桩基持力层。 7 层，第三软土层，属第二次海侵软土沉积物。 7 a 层，粘土层。灰色、饱和，软塑至流塑强，局部接近淤泥质，层厚5 l o m ， 分布全区。但范围不及5 层广，局部缺失。7 b 层，粉质粘土层。灰褐色或褐灰色， 软塑至可塑，底部多植物残体及海生贝壳，一段埋藏于7 a 层之下，层厚3 5 m 。 整个7 层由于年代久，在常年上复土自重下已有所压密，性质尚好，属中偏高压 缩性土。 8 层，古钱塘江及古曹溪江河床冲洪积层，俗称第三硬土层。 8 a 层，含砂( 砾) 粘土层。灰黄、褐黄色，饱和可塑，中密，层厚3 5 m ， 一般分布在古河床边缘地带。8 b 层，砂混砾石层，灰黄、紫褐色、饱和、中密， 局部夹粉质粘土，层厚1 3 m ，一般分布在古河床内。8 c 层，砂卵砾石层。淡紫， 褐灰色，饱和，中密至密实，卵砾3 0 6 0 ，呈亚浑圆形，层厚3 一l o m 。整个8 层是较好的长桩基持力层。 9 层，第四软土层，属杭州第一次海侵沉积层。 9 a 层，粘土层。灰色、灰褐色，软塑状，含少量植物残体，局部近淤泥质， 层厚2 4 m ，一般分布在古钱塘江河谷底洼处；9 b 层，粘土层。灰褐色，软塑状， 底部有大量生物碎屑层富集( 如官巷，口一丰乐桥一带) ，层厚0 5 1 5 m ，一般埋 藏于9 a 层下部。整个9 层虽性质较差，但由于埋藏较深，分布零星，范围不大， 对于建筑物桩基影响较小。 l o 层，山前坡洪积层及古河谷洪冲积层，俗称第四硬土层。 l o a 层，含砾粘性土层。黑褐，棕红色，可塑至硬塑，含1 0 2 0 角砾或亚 第一章绪沦 杭州地区粉妙：川t 基坑降水面的数值模拟 圆形砾，层厚l 3 m ，分布于山前洪积扇及古河谷缘地带。1 0 b 层，砂卵砾石层。 浅紫，褐黄色，含3 0 5 0 卵砾石，其余为粘性土或砂充填，中密状，层厚1 - 2 m ， 分布于古河谷底部，零星分布，有时缺失。整个1 0 层由于全区局部存在，分布零 星，当层位较稳定时可考虑作为长桩持力层，但仍要考虑下部基岩的风化程度。 1 1 层，山前网纹红土层，之江层。 1 2 层，基岩及风化带，层内往往富含有裂隙水。 杭州城东区基坑开挖地基土降水参数表表卜1 零层m 厚土层名称 土层描述 含水量孔隙比雩薹毳挚 然塘江戮鬣6 鬻钱禚5 3 。剃7 5 - 0 ：1 9 5 冲填土 塘江边，粉土为主，松软。 j ： 有机质土 ” 6 1 0 4 6 1 0 4 7 1 0 4 大多数基坑的开挖深度在l5 m 以内，涉及到的地下含水层多是潜水层，在城 东地区潜水含水层多埋藏于粉土、粉砂层中，同时潜水位低，其水位升降受到大 气降水的影响，与地表河流互有补给。在这些地方进行基坑开挖，由于基坑内外 w u 一 水头压力差较大，较易产生流砂、管涌破坏，甚至影响到基坑边坡的稳定。因此 降水是一道必不可少的工序。同时粉砂层的渗透系数对地下水的流动影响大，上 表1 1 列出了杭州城东区地层的渗透系数。 第一章绪论浙江大学硕士学位论文2 0 0 6 年8 月 1 3 基坑降水方法概述 在地下水位较高的透水土层，例如砂石类土及粉土类中进行基坑开挖施工时 由于坑内外的水位差大，较易产生流砂、管涌等渗透破坏现象。有时还会影响到 边坡或基坑的稳定性。因此为了配合围护结构设置止水帷幕外，往往还需要在开 挖前，采用井点降水方法，将坑内或坑内外水位降低至开挖面以下，降水作用具 体有以下三个方面：( 1 ) 防止地下水因渗漏流而产生流砂与管涌等破坏作用；( 2 ) 消除或减少作用在边坡或坑壁围护结构上的静水压力与渗透压力，提高边坡或围 护结构的稳定性：( 3 ) 避免水下作业，使基坑施工能在水位以上进行，为施工提 供方便，也有利于提高施工质量。同时降水对邻近环境会有不良影响，主要是随 着地下水位的降低，在水位下降的范围内，土体的重度自浮重度增大至或接近于 饱和重度。这样在降水水位影响范围内的地面，包括建( 构) 筑物就会产生附加 沉降。 常用的降水方法明沟排水、轻型井点降水、喷射井点降水、管井降水等。 1 3 1 明沟排水 明沟排水是指在基坑内设置排水明沟或渗渠和集水井，然后用水泵抽出基坑 外的降水方法。明沟排水方法一般适用于土层比较密实，坑壁较稳定，基坑较浅， 降水深度不大，坑底不会产生流砂和管涌等的降水工程。选用明排降水时，应根 据场地的水文地质条件、基坑开挖方法及边坡支护形式等综合分析确定。对于下 列条件，可以采用明排方案。 ( 1 ) 地质条件。场地为较为密实的、分选好的土层，特别是带有一定胶结 度或粘稠度的土层时，由于其渗透性低，渗流量较少时，在地下水流出时，边坡 仍稳定，即使在挖土方时，底部可能会出现短期翻浆或轻微变动，但对地基无损 害，适宜明排；当地层土质为硬质粘土夹无水源补给的砂土透镜体或薄层时，由 于在基坑开挖过程中，其所储存的少量水会很快流出而疏干，有利于明排；在岩 石土质中施工时，一般均可进猛明排。 ( 2 ) 水文条件。场地含水层为上层滞水或潜水，其补给水源较远，渗透性 较弱，涌水量不大时，一般可以考虑采用明沟排水。 ( 3 ) 其他条件。当基坑边坡为缓坡或采用堵截隔水后的基坑时；建筑场地 宽敞，邻近无建筑物时：基坑开挖面积大，有足够场地和施工时间时；建筑物为 第一章绪沦 杭州地区粉砂：l 中基坑降水面的数值模拟 轻型地基荷载等条件下，采用明沟排水的适用条件可以适当扩大。 1 3 2 轻型井点降水 轻型井点由井点管、过滤器、集水总管、支管、阀门等组成管路系统，并由 抽水设备启动，在井点系统中形成真空，并在井点周围一定范围内形成一个真空 区，真空区通过砂井扩展到一定范围。在真空力的作用下，井点附近的地下水通 过砂井，经过滤器被强制吸入井点系统内抽走，使井点附近的地下水位降低。在 作业过程中，井点附近的地下水位与真空区外的地下水位之间，存在一个水头差， 在该水头差作用下，真空区外的地下水是以重力方式流动的，所以轻型井点降水 也称为真空强制抽水法，更确切地说是真空重力抽水法。在这两个力的作用下， 基坑地下水位才会降低，并形成定范围的降水漏斗。 轻型井点一般适用于粉细砂、粉土、粉质粘土等渗透系数较小( o 1 2 0 m d ) 的弱含水层中降水，降水深度单层小于6 m ，双层小于1 2 m 。采用轻型井点降水， 其井点间距小，能有效地拦截地下水流入基坑内，尽可能地减少残留滞水层厚度， 对保持边坡和桩间土的稳定较为有利，因此降水效果好。其缺点是占用场地大、 设备多、投资大，特别是对于狭窄场地的深基坑工程，在较长时间的降水过程中， 对供电、抽水设备的要求高，维护管理复杂等。 轻型井点系统的平面布置由基坑的平面形状、大小、要求降深、地下水流向 和地基岩性等因素综合确定，可布置成环状、u 型或线形等，一般沿基坑外缘 1 0 1 5 m 布置。当降水基坑为窄条形时，采用单排或双排井点线形布置在基坑一 测( 地下水来水方向) 或两侧，基坑两端井点应适当外延。当基坑为矩形、圆形、 三角形或不规则形状时，常采用环形封闭式或u 形井点布置。对于基坑跨度大， 根据其水文地质条件计算的降水浸润曲线在基坑中心不能满足降水深度要求时， 或因工期紧，需要加速降水，缩短预降时间的情况下，可在基坑内适当增设临时 井点。在基坑周边布置的运土和运料通道部位，可以断开，但应沿通道两侧外延 增设井点，其外延布井长度为通道宽度的一倍左右；也可以将通道的井点管和集 水管下卧一定深度，上面铺设钢板或水泥盖板等，以保证通道部位的降水质量。 当降水深度在6 m 以内时，采用单级井点降水，当降水深度较大时，可采用 下卧降水设备或多级井点降水。般情况下降水深度不大于8 m 时，以下卧降水 设备为好，e l i 先挖土1 2 m 后再布设井点；降水深度为8 l o m 时，采用两级井 点降水，即第一级在地面布置，第二级于4 0 4 5 m 深度布置。轻型井点酌间距 第一章绪论浙江大学硕士学位论文2 0 0 6 年8 月 应根据场地的水文地质条件( 如渗透系数、含水层厚度和含水层底板埋深等) 和 降水深度及降水面积综合确定。 1 3 3 喷射井点降水 喷射井点系统由高压水泵、供水总管、井点管、喷射器、测真空管、排水总 管及循环水箱组成。喷射井点是采用高压水泵将压力工作水经供水管压入井点内 外之间形成空间，并经过喷射器两边的侧孔流向喷嘴，由于喷嘴截面的突然减小， 喷射水流加快，这股高速喷射水流喷射之后，在喷嘴喷射水柱的周围形成负压， 从而将地下水和土中空气吸入并带至混合室。这时地下水流速度得以加快，而工 作水流速逐渐变缓，二者流速在混合室末端基本上混合均匀。混合均匀的水流射 向扩散管，扩散管截面是逐渐扩大的，其目的是减小摩擦损失。当喷嘴不断喷射 水流时，就推动着水沿内管不断上升，混合水流由井点进入回水总管至循环水箱。 部分作用循环水用，多余部分( 地下水) 溢流排至现场之外，如此循环，以达到 深层降水的目的。 喷射井点主要适用于渗透系数较小的含水层和降水深度较大的降水工程。其 主要优点是降水深度大，但由于需要双层井点管，喷射器设在井孔底部，有二根 总管与各井点管相连，地面管网敷设复杂，工作效率低，成本高。 喷射井点的平面布置与轻型井点基本相同，纵向上因其抽水深度较大，只需 单级井点降水即可，井点间距一般为3 - 5 m ，井点深度视降水深度而定，一般应 低于基坑底以下3 - 5 m 。 1 3 4 管井降水 管井降水方法采用钻孔成井，多采用单井单泵( 潜水泵或深井泵) 抽取地下 水的降水方法。当管井深度大于1 5 m 时，也称为深井井点降水。管井井点直径 较大，出水量大，适用于中、强透水含水层，如砾砂、砂卵石、基岩裂隙等含水 层，可满足大降深、大面积降水要求。 抽降管井一般沿基坑周围距基坑边缘1 - 2 m 布置，如场地宽敞或采用垂直边 坡或有锚杆和土钉护坡等条件下，应尽量距离基坑边缘远些，可用3 - 5 m ；当基 坑边部设置围护结构及止水帷幕的条件下，可在基坑内布置管井，采用坑内降水 方法。管井的井距和深度应根据场地水文地质条件、降水范围和降水深度确定。 井间距一般为1 0 2 0 m 。当降水层为弱透水层或降水深度超过含水层底板时，井 第一章绪沦杭卅i 地区粉砂土叫1 基j 九醉水面的数值模拟 间距应缩小，可用6 8 m ；当降水层为中等透水性或降水深接近含水层底板时， 可用1 2 2 0 m ；当降水深度较浅，含水层为中等以上透水层，具有一定厚度时， 井间距可大于2 0 m 。井点深度要大于设计井中的降水深度或进入非含水层中 3 5 m ，井中的降水深度由基坑降水深度、降水范围等计算确定。 1 4 需要解决的问题 1 4 1 降水引起地基土的变形 沿基坑周围布设井点降水，起到疏干基坑内地下水的作用，为基础施工创造 有利的环境。但在井点降水作用下，随着地下水位和下降，土层中的含水量减小， 使抗浮力减小，等于增加了附加荷重，使土产生固结、压缩，使建筑物基础产生 不均匀沉降，直接影响到邻近建筑物的安全。 井点降水的结果是引起土体的固结，土体的固结有主固结和次固结之分。土 固结即为渗透固结，是随着孔隙水从土中排出而发生的压缩过程。土体的沉降受 到三个因素的影响： ( 1 ) 7 l 隙水压力消散。井点降水到一定深度后，土中的孔隙水压力便发生 转移、消散，由于总压力基本不变，孔隙水压力降低，有效应力增大，则土体的 孔隙比减小。 ( 2 ) 动水压力的作用。存自然状态下，地下水以较小的水力坡度在土壤土 运动。在井点抽水后，地下水位下降，水力坡度增大，相应地渗透压力也增大。 当抽取地下水时，在地下水自上而下的渗透过程中，若水的渗透压力与土的浮重 的合力等于土颗粒间的摩擦力及粘滞力时，则处于极限平衡状态。当渗透压力继 续增大时，土体颗粒就会被滞流带走或移动，表现为地基土沉降。 ( 3 ) 井点的真空作用。井点降水作用实质上是真空一重力联合起作用，即在 井点管周围一定范围内形成真空，沿基坑方向造成了一道真空影响帷幕( 即低于 大气压力作用) ，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， 表现为地基土沉降。 1 4 2 降水产生地基土变形计算 在井点降水无大量细颗粒随地下水被带走的情况下，周围地面所产生的沉降 量可用分层总和法进行计算： 第一章绪论浙江大学硕士学位论文2 0 0 6 年8 月 跏善等( 1 - 1 ) 式中 s 。地面最终沉降量： 瓯各土层压缩系数： ，各土层初始孔隙比； f 土层因降水产生的附加应力： 日f 层土的厚度。 在降水期间，降水面以下的土层通常不产生明显的固结沉降，而降水面至原 始地下水面的土层因排水条件好，会在所增加的自重应力条件下很快产生沉降， 通常降水所引起的地面沉降即以这一部分沉降量为主。因此可以采用下列简易方 法估算降水所引起的沉降值： 对于粘性土类： s ：坐：墼( 1 - 2 ) 1 + p o2 ( 1 + p oj 对于砂土类： s ：下a p a h ：, 4 x h 磊2 y _ w ( 1 - 3 ) e2 式中 卜降水引起的沉降值； a 计算土层的压缩系数； e 0 计算土层的孔隙比； p 降水产生的自重附加应力； h 降水深度： 卜降水深度范围内土层的压缩模量。 从上式可见，因降水引起的沉降问题在平面上各点是不相同的，其沉降值对 应于该点的水位降低值，也是随降水漏斗曲线而变化的，在井点管处沉降值最大。 1 4 3 减小沉降的措施 ( 1 ) 合理使用井点降水 降水必然会形成降水的漏斗，从而造成周围地面的沉降，但是合理安排使用 兰二翌堕堡 塑；型些堕塑坠圭! ! ：苎些堕坐耍塑塑堕塑丝 井点，可以把这类影响控制在周围环境可以承受的范围内。 适当放缓降水漏斗线的坡度。在同样的降水深度的前提下，降水漏斗线的坡 度越平缓，影响范围越大，因此产生的不均- 匀t i 降越小，因而降水影响区内的地 下管线和建筑物受损伤的程度也愈小。根据岩土工程勘察报告，把滤管布置在水 平向连续分布的砂性土中可获得较平缓的降水漏斗曲线，从而减小对周围环境的 影响。 采用内井点降水方法可以减少对周围环境的影响。在板桩地下墙支护的开挖 基坑内设置一圈井点，通常称为内井点。在采用板桩作为侧向支护时，只要板桩 接缝密封性较好且有足够的入土深度，使板桩下端较井点滤管下端深2 m 左右， 则内井点降水可以大大减轻对周围环境的影响，收到良好的效果。 ( 2 ) 设置回灌系统 使用井点后，不可避免地造成周围地下水位的下降，从而使该地段的地下建 筑和地下构筑物以及地下管线因才i 均匀沉降而受到不同程度的损害。为尽可能消 除这类影响，可采用在保护区设置回灌工程的措施，在基坑降水的同时，向地下 含水层注入一定水量，形成一道阻渗水幕，使基坑降水的影响范围不超过回灌工 程的范围，阻止地下水向降水区的流失，保持已有建筑物所在地原有的地下水位， 土压力仍处于原有平衡状态，从而有效地防止降水的影响，使建筑物的沉降达到 最小程度。 ( 3 ) 设置止水帷幕 在开挖边线外设置一圈垂直防渗帷幕，把降水对周围的影响减小到满足要求 的范围。常用的帷幕有高压旋喷、深层搅拌、注浆防渗帷幕等。竖向帷幕的设置 最好能达到_ j 透水层，使止水i 睢幕发挥最有效的作用。 在以上所述不同情况下能否满足基坑周边环境和施工的要求，根据式上式 ( 1 - 2 ) 来初步估算基坑周边地面的沉降情况，来评估是否满足周边建筑物、构 筑物和地管线对地表沉降的要求。这取决于地下水面的下降情况，因此进行潜水 自由面的确定具有重要的作用。 1 5 基坑降水研究现状 1 5 1 基坑三维渗流技术 采用可视化三维渗流数值模拟技术求解基坑降水问题，不但可以提高计算结 第一章绪论浙江大学硕士学位论文2 0 0 6 年8 月 果的可靠性，而且具有直观、清晰和应用灵活等许多优点。张立杰、秦紫东、东 迎欣等提出了进行基坑降水方案三维非稳定渗流数值模拟的技术要点。 纪佑军 2 0 0 6 根据基坑工程施工实际情况，基于地下水渗流的基本规律，建 立了基坑地下水渗流模型，通过有限元方法模拟了基坑地下水在不同的施工状态 时的渗流情况，得出了在几种工况下的坑底孔隙水压力分布，以及施工过程中可 能会出现的基坑破坏形式。 骆祖江等 2 0 0 6 以上海环球金融中心深基坑降水为例，详细论述了复合含水 层地区深基坑降水三维数值模拟的理论与方法，在建立上海环球金融中心深基坑 降水水文地质概念模型的基础上，采用三维数值模拟方法模拟了整个基坑降水地 下水流场变化的全过程，在此基础上，确定出了降水的最优化方案。 冯晓腊、熊文林、胡涛等 2 0 0 5 探讨了应用三维水一土耦合模型对基坑降水 进行有限元计算的方法和效果三维水一士耦合模型，探索了深基坑降水过程中求 解水头的新途径。结果表明该法能够很好地模拟基坑防渗帷幕、非均质和各向异 性、承压一无压等一些解析法难以处理的实际工程条件。在计算中将非线性模型 引入有限元程序中，使模拟沉降过程更好的接近实际沉降过程。 1 5 2 阶梯流量法 王滨、贺可强 2 0 0 2 采用阶梯流量法降水，即将施工完的各井依次投入降水， 并利用前期水位降深曲线反衍求参进行未来水位下降趋势预测。所谓阶梯流量法 降水即在降水过程中，先施工观测井，后施工降水井。每成一口降水井即刻投入 抽水，依次将施工完毕的每一口井投入降水施工，这样就形成总抽水量呈阶梯状 增加、地下水水位降深历时曲线呈阶梯状下降的一种态势。在整个阶梯流量降水 阶段( 即最后一口井投入降水之前) ，出水量及水位观测采用非稳定流抽水试验 观测方法，以取得更为详细的水位降深资料来反衍求参预报未来地下水位下降趋 势。该降水方法将整个降水阶段划分为两个时段，以最后一口井投入降水的时间 为标志，之前为阶梯流量降水阶段，之后为稳定流量降水阶段。 1 5 3 复合单元法 降水井降水是深基坑降水的常用方法，对于井位、井深的设计较多采用“等 代大井”法。这种方法的基本思想是：一般的降水井群位于基坑外缘并采用封闭 式布置，为使计算简便，可将井点系统看成一口大井，计算出井的等效半径，并 第一章绪论 杭州地区粉砂土c 基坑降水面的数值模拟 按照井流理论的相关公式或经验公式确定井点数目、系统布置方式等。该方法的 计算模型从整体上代表了实际工程特点，计算结果能够满足设计要求，但由于在 计算过程中采用了一些理想化假设，因而处理日益复杂的深基坑开挖情况时显现 出不足。主要表现在：随着基坑深度的增大，在同一基坑工程中所涉及到的含水 层渗透性可能发生较大的变化，不再是一种均质的土层，这与“等代大井”法中 所涉及到的一些基本假设有所冲突；当采用一个综合渗透系数对不同渗透性的土 层工程的系统进行均化后，其计算结果与实际情况会有所刁j 同，不利于基础降深 的分析等。 “复合单元法”是一种求解含降水井渗流场的新方法，它将降水井虚含于常 规岩二t 单元内部，构成一个涵盖排水孔的复合岩土体单元，以其进行渗流计算。 该方法的数据前期处理工作量简单，可方便地对多种降水井布置方案进行计算分 析，是一种具有较好工程实用性的方法。胡静 2 0 0 5 采用复合单元法对多种降水 井设计方案进行优化选择。 1 5 4 双层结构计算方法 双层结构的地基，典型的上部由透水性弱、力学强度低的粘性土层组成，下 部由强度相对高、透水性强的砂、砾、卵石层构成。1 9 4 3 年，前苏联著名水文地 质学家卡明斯基 1 9 5 6 指出，在层状结构的水平含水层中，当上层渗透系数比下 层的渗透系数小得多时，上层为潜水流，下层为承压水流，两层水流具有统一的 地下水头。这一双层结构理论一直沿用至今，许多基坑降水设计也基于了这一理 论。苏滔 2 0 0 3 针对软二i 二地区的二元结构地层深基坑降水特点，提出了深基坑降 水相关参数的求取原则，并探讨了求取原则及方法。 一般深基坑工程降水有2 个显著特点，其一是降水强度大，单井水位降深大； 其二是单井结构上大多在下部强透水层设置过滤器，上部相对弱透层则布设井 管。这样一来，在双层结构的含水层中很难形成层状水平地下水流和统一的地下 水头；而下层承压水流主要以水平流动为主，而上层潜水流主要以垂直流动为主， 下层承压水流和上层潜水流有各自独立的地下水头。针对这一问题，周志芳、郭 耿新、汪北华等 2 0 0 4 结合润扬长江公路大桥南锚基坑工程，基于不同水文地质 层水流运动特征的差异，考虑到土层降水一固结过程中渗透系数和贮水系数随土 层物理力学参数的非线性变化，对基坑降水过程中的地下水流计算，提出了双层 结构数学模型及有限元，建立了土层非线性物理力学参数与水文地质参数之间的 第一章绪论浙江大学硕士学位论文2 0 0 6 年8 月 内在联系，客观地描述了土层降水一固结过程中孔隙度、渗透系数和贮水率等参 数非线性变化过程。计算成果较好地刻画了基坑井群的实施过程中含水层、弱透 水层水头、参数的时空变化规律。 1 5 5 止水帷幕设置 秦忠强、于江波 1 9 9 9 介绍了在村雨污水泵站主泵房基坑开挖中高压旋喷桩 止水帷幕的设计。 王东、沈凡等 2 0 0 2 研究了深搅止水帷幕在超大基坑开挖和止水中的应用及 相应的辅助措施，对其方案选择、设计方法和施工中的具体情况进行了的叙述， 并作出了技术经济分析比较。 对于有防渗要求，且周围建筑物对基坑开挖影响较大的基坑，曾定帮、彭文 祥 2 0 0 4 提出了一种新型的双排桩与止水帷幕相结合的复合式支护方法，其原理 是利用钻i l 灌注桩与止水帷幕的共同作用，形成刚柔结合的基坑支护结构。其组 成部分主要由4 个部分组成：原状土，它是两排桩之间被加固的原生土体，加固 后又是复合结构的主要组成部分；双排桩体，是主要的组成部分；帽梁、连梁， 是用来形成桩与桩之间的联结，从而形成超静定刚架体系，多采用钢筋混凝土梁； 止水帷幕。止水帷幕常用的做法有两种，一是深层搅拌法止水帷幕，二是高压喷 射注浆法止水帷幕。考虑到与桩的结合效果，多选用后者，即采用摆喷法或旋喷 法形成的高压摆喷桩或旋喷桩形成止水帷幕。文中详细介绍了该种复合支护的设 计过程及施工工艺流程。 1 6 本文的主要工作 基坑降水引起周围地面沉降，对基坑周边的建( 构) 筑物产生影响。地面的 沉降量是由于降水引起的，沉降量的大小是由降低水位的多少决定的，另一方面 在基坑施工过程中也需要确定降水面的位置，如打设锚杆成孔时也需将水位面降 低到锚杆打设范围之外。因此在基坑施工过程中需要确定地下水位降水面的位 置。由于基坑周边环境的复杂性以及场地土层渗透的各向异性，采用理论计算法 来计算地下水位降水面位置是比较困难的，本文拟应用数值计算方法对基坑降水 面进行模拟。 ( 1 ) 根据质量守恒原理导出了地下水在岩土介质中运动的连续性方程。将 两者结合起来推导出了稳定渗流的微分方程式。 第一章绪沦 杭州地区粉砂土中基坑降水面的数值模拟 ( 2 ) 对基坑地下水降水面的计算建立了数值模型，讨论t t , 同渗透系数、 不同的止水帷幕插入深度以及回灌点的设置对地下水位降水面的影响。 ( 3 ) 分析了一个工程，采用三维模型对该基坑的降水进行了模拟，模拟过 程中考虑了土层渗透的各向异性。 第二章地下水在岩土介质中的渗流 浙江大学硕士学位论文2 0 0 6 年8 月 第二章地下水在岩土介质中的渗流 水在岩土等孔隙或裂隙介质中的流动就称为渗流，其流动性质取决于作为渗 流骨架的岩土性质以及其中流动的水的性质。 2 1 地下水渗流模拟技术发展概况 1 9 世纪中叶至2 0 世纪初，地下水流模拟研究刚刚起步，经历了从单层稳定流 模型发展到多层越流非稳定流模型，但直n 2 0 世纪5 0 年代末，对含水层内部结构“ 和不规则边界条件的研究仍无明显进展。6 0 年代以来，数值计算方法在水文地质 学中的应用及电子计算机技术的广泛使用，使复杂含水层系统中地下水流动及溶 质运移的模拟成为可能，此阶段是地下水流数值模型迅速发展的时期，先后出现 了二维流平面( 削