（岩土工程专业论文）微承压水作用下基坑渗流场计算方法的研究.pdf

中文摘要 基坑工程是一个实践性很强的岩土工程问题，它不但包含土体的问题，而且 由于涉及到地下水的问题而变得更加复杂。因此充分认识基坑工程中的地下水渗 流的作用是基坑设计中的一个重点。 在基坑工程设计计算中水土压力的分析计算往往是主要的控制因素，只有水 土压力取值合理，才能确定适宜的支护结构形式、参数以及相关结构的设计参数。 基坑开挖范围内存在地下水时，由于水压力及渗流的存在，使支护上的侧压力分 布有所不同。本文利用有限元软件计算比较了水土压力合算分算的结果。在水土 压力分算时将考虑渗流和不考虑渗流的计算进行了对比。通过比较分析了几种情 况下支护的受力特征及差别，并比较了支护结构的变形及基坑引起的沉降和坑底 隆起。 在一些地层中存在有承压水的地区，若承压水层位于基坑影响范围内，有可 能发生由于承压水头较大而引起的基坑底板突水等问题，在深基坑中表现的尤为 突出。本文模拟了承压水引起的坑底破坏同时还进行了降水后的计算，比较了坑 内坑外降水的差异。 计算结果表明，渗流改变了支护结构上的整体受力，改变了支护的变形特征， 同时渗流的存在还降低了基坑的整体稳定性。通过对华苑地铁站进行的现场抽水 试验及本文中对工程实例的计算，可以得出在天津地区进行坑外降承压水的方案 是可行的。 关键词：渗流，承压水，降水，有限元，基坑工程，支护结构 a b s t r a c t f o u n d a t i o ne n g i n e e r i n gi sav e r yp r a c t i c a lg e o t e c h a i c a le n g i n e e r i n gp r o b l e m i ti sa c o m p l i c a t e dp r o b l e m ，b e c a u s ei tn o to n l yc o n t a i n sp r o b l e m so ns o i lb o d y , b u ta l s oo n g r o u n d w a t e r t h e r e f o r ei ti sv e r yi m p o r t a n ti nf o u n d a t i o ne n g i n e e r i n gd e s i g n i n gt h a t h o wg r o u n d w a t e rd oi nt h ef o u n d a t i o ne n g i n e e r i n gi sf u l l yk n o w ni nt h ep r o b l e m t h ec a l c u l a t i o na n da n a l y s i so fw a m ra n de a r t hp r e s s u r ea r ek e yp o i n t si n f o u n d a t i o ne n g i n e e r i n gd e s i g n i n g i fy o uw a n tt oc h o o s es u i t a b l es u p p o r t i n gp i to r c o r r e l a t i v ep a r a m e t e r sa b o u ts t r u c t u r e s , y o us h o u l dm a k es u r et h a ty o ug e tt h e a p p r o p r i a t ew a t e ra n de a r t hp r e s s u r e w h e ng r o u n d w a t e ri st a k e ni n t oa c c o u n t ，t h e d i s t r i b u t i o no fl a t e r a lp r e s s u r eo i lt h es u p p o r t i n gp i ta r ed i f f e r e n tb e c a u s eo ft h ee f f e c t o fs e e p a g e ih a v ea n a l y z e dt h ec a l c u l a t i n gw a y so fe s t i m a t i n gw a t e ra n de a r t h p r e s s u r e ss e p a r a t e l ya n de s t i m a t i n gw a t e ra n de a r t hp r e s s u r e st o g e t h e rw i t hf e m w h e nw a t e ra n de a r t hp r e s s u r e sa r ec a l c u l a t e ds e p a r a t e l y ，s e e p a g ei sc o n s i d e r e d e s p e c i a l l y t h r o u g hc o m p a r i n gt h er e s u l t s ，ig e tt h ed i f f e r e n c ei nt h ed i s t o r t i o no ft h e s u p p o r t i n gp i t , b a s a lh e a v ea n d t h es e t t l e m e n ti n d u c e db yf o u n d a t i o ne x c a v a t i o n i ns o m ea r t e s i a na r e a ，h o wt oc o n t r o lb o t t o mp i p i n gi nt h ef o u n d a t i o np i t e n g i n e e r i n gb e c o m e sac o m m o np r o b l e m ，e s p e c i a l l yi nd e e pf o u n d a t i o ne n g i n e e r i n g is i m u l a t e dt h eb o t t o mp i p i n gc a u s e db y h i g ha r t e s i a nh e a dw i t hf e m a f t e r d e w a t e r i n g , t h eb o t t o mp i p i n gi sc o n t r o l l e de f f e c t u a l l y i nt h i sa r t i c l e ，t h ea u t h o r c o m p a r e dt h ee f f e c t so fd e w a t e r i n gi n s i d et h ef o u n d a t i o nw i t hd e w a t e r i n go u t s i d et h e f o u n d a t i o n t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h es t r e s sa n dt h ed i s t o r t i o no ft h es u p p o r t i n gp i ta r c d i f f e r e n tw h e ns e e p a g ei sc o n s i d e r e d i te x p r e s s e st h es e e p a g ed od a m a g et ot h e s t a b i l i t yo ft h ef o u n d a t i o np i t i tc a nb eo b t a i n e dt h a ti ti sf e a s i b l et od e w a t e ro u t s i d e t h ef o u n d a t i o ni nt i a n j i nt h r o u g ht h er e s u l to ft h ep u m p i n gt e s ta n dt h ef e m c a l c u l a t i o n 。 k e y w o r d s ：s e e p a g e ；a r t e s i a nw a t e r ：d e w a t e r i n g ； f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ； f o u n d a t i o ne n g i n e e r i n g ；t h es u p p o r t i n gp i t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丕盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名番雩止f 签字日期：2 a 年f 月矽日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨盗盘堂：可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、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的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：参曾j f 导师签名： 签字r 期：伽石年f 月2 口日签字r 期：伽年1 月l - 0 日 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 概述 1 1 1 深基坑工程概况 第一章绪论 随着国民经济和城市建设的迅速发展，近年来，我国城市化进入了一个新的 发展时期，城市的数量、规模以及城市人口都有了巨大增长。为解决目前普遍存 在的城市人口膨胀、交通拥挤等一系列环境问题，积极开发利用地下空间是一条 非常有效的途径。 进入2 l 世纪，大中城市地价不断上涨，出现了众多的高层、超高层建筑， 使深基坑工程向大深度和大规模方向发展。目前深达2 0 米、3 0 米或更深的基坑 工程屡见不鲜。除此之外，由于城市规模的发展及旧城改造的需要，大量地下开 挖位于建筑密集的地区，周边环境复杂，对开挖引起的土体位移要求严格，使得 基坑开挖与支护难度加大。如何保证深基坑支护工程既安全可靠又经济合理，已 成为当前城市建设的一项重要课题。 经过专家、学者的努力和大量的工程实践研究，深基坑工程的开挖支护计算 和施工技术方面已取得了许多重要成果。冶金部、建设部相继颁布了建筑基坑工 程技术规范的行业标准；许多城市如深圳市、广东省、武汉市和上海市等地先后 颁布了地方性的建筑基坑支护工程技术规范和标准。这标志着深基坑工程支护设 计计算和施工技术的研究达到了一个新的阶段。 深基坑工程是岩土工程、结构工程、渗流工程、施工技术相交叉的学科，是 多种复杂因素交叉影响的系统工程。它涉及到土的性质、支护结构的强度、变形、 稳定性及相互作用问题。且由于深基坑复杂的受力特征，岩土工程的复杂性和不 确定性，以及土力学计算模型的假定与实际情况的差距等等，使得深基坑支护工 程的研究越来越受到人们的重视。随着土力学理论的发展、数值分析计算、测试 手段及施工技术的进步，深基坑工程向着日趋成熟的方向发展。 1 1 2 深基坑工程特点 1 、基坑工程是个临时工程，安全储备可以相对小些，但又与地区性有关。 不同的区域地质条件其特点也不相同。基坑工程是岩土工程、结构工程以及施工 技术互相交叉的学科，是多种复杂因素交互影响的系统工程。是理论上尚待发展 天津大学硕士学位论文第一章绪论 的综合技术学科。 2 、由于基坑工程造价高，开工数量多，是各施工单位争夺的重点，又由于 技术复杂，涉及范围广，变化因素多，事故频繁，是建筑工程中最具挑战性的技 术难点，同时也是降低工程造价，确保工程质量的重点之一。 3 、基坑工程正向大深度、大面积方向发展，有的长度和宽度均超过百余米， 工程规模日益增大。 4 、随着旧城改造的推进，各城市的主要高层、超高层建筑大都集中在建筑 密度大，人口密集、交通拥挤的狭小场地中，基坑工程施工的条件均很差。邻近 常有必须保护的永久性建筑和市政公用设施，不能放坡开挖，对基坑稳定和位移 控制的要求很严。 5 、岩土性质千变万化，地质埋藏条件和水文地质条件的复杂性、不均匀性， 往往造成勘查所得的数据离散性很大，给基坑工程的设计和施工增加了难度。 6 、在软土、高水位及其他复杂场地条件下开挖基坑，很容易产生土体滑移、 基坑失稳、桩体变位、坑底隆起、支挡结构严重漏水、流土以致破损等问题，对 周边建筑物、地下构筑物及管线的安全造成很大威胁。 7 、基坑工程包括挡土、支护、防水、降水、挖土等许多紧密联系的环节， 其中的某一环节失效将会导致整个工程的失败。 8 、相邻场地的基坑施工，如打桩、降水、挖土等各项施工环节都会产生相 互影响与制约，增加事故诱发因素。 9 、基坑工程造价较高，但又是临时性工程，一般不愿投入较多资金。可是， 一旦出现事故，处理十分困难，造成的经济损失和社会影响往往十分严重。 1 0 、基坑工程施工周期长，从开挖到完成地面以下的全部隐蔽工程，常需经 历多次降雨、周边堆载、振动、施工失当等许多不利条件，其安全度的随机性较 大，事故的发生往往具有突发性。 1 2 地下水渗流对深基坑工程的影响 目前我国深基坑工程多在开放沿海地区，往往遇到较厚软土层，地下水埋深 较浅，其分布状况又有较大的地域特性。在软土地区进行基坑开挖，土体强度低， 模量小，容易发生较大变形甚至整体失稳。而且其强度与变形特性具有时间和空 间效应，给分析和计算带来较大困难。高地下水位，形成的渗流对基坑工程的稳 定和变形有很大影响。尤其在降雨补给期间，渗流场的突然改变可能诱发基坑土 体及支护体系的较大变形甚至突然垮塌的工程事故。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 1 基坑工程中地下水的不良作用 地下水在基坑工程实施过程中的危害主要表现为流沙、管涌和基坑的底鼓， 而且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。 在天津地区，粉质粘士和薄层粉砂夹层或互层现象严重，且埋藏深度正是深基坑 工程涉及的范围，在这些地区通过降低地下水位避免可能产生的工程危害已引起 普遍的重视。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均不容忽视。 ( 1 ) 流沙 流沙是指土的松散颗粒被地下饱和后，由于水头差的存在，动水压力即会使 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。流沙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透速度的水流作用下，其细小颗粒被冲走，土中的空隙 逐渐增大，慢慢形成一种能穿越地基的细管状渗流通道，从而淘空地基或坝体， 使之变形、失稳，此现象即为管涌。 ( 3 ) 基坑底的突涌 当基坑下有承压水存在，即上述第二种情况出现时，开挖基坑减小了含水层 上覆不透水层的厚度，当它减小到一定程度时，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。 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 2 2 土水压力的计算 ( 1 ) 经典土压力理论的应用 改革开放以后，我国科技界对基坑工程土压力作了大量的试验与研究，目前 的情况是：像上海、天津等地的软土地基中，经典土压力理论的计算结果比较符 合实际；像北京等地的非饱和土，土压力计算也还是应用经典土压力理论和常规 试验方法测定的强度指标，但计算结果与实际出入往往很大，对地下水位深、含 天津大学硕十学位论文 第一章绪论 水量低的土体，显得过于保守。 ( 2 ) 水土压力的分算与合算 目前，我国的专家对透水性强的砂土和碎石土按水土压力分算，基本上达成 共识，而对透水性弱的粉土和粘性土的水土压力问题，认识还远远不够。 从土的有效应力理论出发，水土分算的根据比较充分，但实际操作困难比较 大。因为水土分算时要采用土的有效强度指标c ，而测定这两个指标难度 比较大，一般勘察单位难以提供，即使提供，也未必可靠。水土合算在理论上存 在缺陷，但实施比较容易，加上一定的经验修正，较接近实际情况。 ( 3 ) 土的强度参数取值的实验方法 由于土的强度参数取值不能准确、全面的反映实际土性，从而影响土压力计 算的正确性。同一个参数，不同的试验仪器( - - 轴或直剪) 与试验方法得到不同 的结果，其数值相差很大而且，土的强度在施工期间实际上是变化的，不一定 是一个值，试验方法原则上尽可能与现场实际受力情况及排水条件一致。 因此，试验方法应考虑基坑降水否。当基坑降水时，对粘性土就是排水固结 过程，试验方法应采用固结排水( c d ) 或固结不排水剪( c u ) ，但对淤泥质土， 由于处于饱和状态，不能排水固结，则宜采用三轴不排水剪；从应力路径考虑， 对粘性土，特别是老粘性土，无论降水与否，宜用c u 试验，对淤泥质土宜用u u 试验，对粘质粉土、粉质粘土、粉土宜用c u 或c d 试验。重要工程不宜采用直剪 试验。 另外，土的强度参数测定方法应当与土压力计算方法相配套。例如，水土压 力合算时，需要的是总应力法的c ，妒，而水土压力分算时则为有效应力的c ， 妒。三轴试验应力条件明确，易于控制排水，又是国际上通用的方法，应当提 倡以三轴试验为标准方法。 总之，每一种土压力理论的简化假设，使它具有一定的局限性，不能概括土 体的全部复杂性质；同时，尽管计算技术比较先进，而强度参数的测定精度大大 限制了计算结果准确程度。 1 2 3 承压水引发的问题 承压水一般分布于松散地层，埋藏于场地下部。水头随场地位置而变化，一 般不受当地气候因素的影响，场地内的水头保持相对稳定；水量由含水层或含水 结构的性质、渗透性等决定。承压水由于其埋深大、水头高、水量大等原因，对 深基坑工程底板及深基坑施工危害较大。当含有承压水层时，随着开挖深度越来 越大，基底下部不透水层厚度越来越薄，承压水有可能顶破坑底而发生突涌、隆 起，造成基坑围护结构失稳，最终酿成严重的堆坑工程事故。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 研究现状及本文工作 1 3 1 研究现状 基坑工程中的地下水问题越来越引起岩土工作者的重视。在地下水位较高而 开挖较深的工程中，渗流问题是非常突出的。由渗流引发的周围地表沉降，土体 渗透破坏，结构变形增大，结构整体稳定性降低等对基坑工程的安全性造成极大 威胁。 在基坑工程手册里对在基坑开挖深度范围内存在地下水时，作用于围护结构 上的侧压力计算的规定为： ( 1 ) 对砂土和粉土等无粘性士按水土分算原则计算，即作用于维护结构上 的侧压力等于土压力与静水压力之和。地下水位以下的土压力采用浮容重，和有 效应力抗减强度指标值c 和计算； ( 2 ) 对粘性土宜根据工程经验按水土分算或水土合算原则计算。水土合算 时，地下水位以下的土压力采用饱和容重r 。和总应力强度指标c 和矿计算。一般 在粘性土孔隙比e 较大或水平向渗透系数k 较大时采用水土分算。 当地下水有稳定渗流时，水土分算的土压力按如下原则计算： ( 1 ) 用流网法分析，计算作用于围护结构上的土压力； ( 2 ) 在主动土压力侧考虑水压力。基坑开挖面以上按静水压力计算，基坑 开挖面至围护结构底，取基坑底面处的静水压力直线降为零的三角形分布。 关于渗流力的计算，对于板桩的土压力计算可采用简化的处理方法，假设渗 透力沿桩长均匀分布。也可以通过经验绘制流网再推求水压力、土压力分布。早 在1 9 7 5 年，l o u i s 和d e s s e n n e 等人就提出渗流与岩土体共同作用的概念【1 1 。但 是将其作用于实际： 程的实例较少，我国学者沈珠江提出了在土石坝工程中考虑 渗流作用的计算方法1 2 1 0 李广信教授通过剪力分析指出了在基坑工程的土压力计 算中考虑渗流作用的重要意义1 3 1 。魏汝龙教授在土压力计算中考虑渗流力的方面 做了大量工作i 。高俊合博士考虑了固结变形及渗流效应的耦合作用，分析基坑 工程支护结构位移1 5 l 。更精确的计算则必须借助于数值计算方法。目前常用的方 法有有限元方法、差分方法和边界元方法等，但是差分方法和边界元方法难以处 理不均匀介质的情况，因而，有限元方法是比较理想的选择。 目前对承压水的研究较少，对承压水的作用尚无合适的算法。文献【1 5 】考虑 上覆土层重量与滞水层水压及承压水的水压力平衡，给出基底抗突涌安全验算公 式；文献 1 6 贝j j 给日 了解决承压水引起基坑突涌的措施；文献【3 0 】在基坑边坡的 稳定分析中不仪考虑了潜水渗流的作用，还把承压水层作为整体渗流场的一部 天津大学硕士学位论文第一章绪论 分，指出在基坑设计的各项验算中，将整体渗流场分开，取其部分进行计算。这 些方法都必须与实际的场地条件相结合。 1 3 2 本文要做的工作 本文将要在以下几个方面展开论述，并通过实例进行计算分析： 简单介绍有限元方法并讨论适用于基坑工程的有限元软件，介绍对本文选 用的p l a x i s 、g e o - s l o p e 有限元软件，选取适于模拟基坑开挖的 h a r d e n i n g - s o i l 本构模型，并分析模型的原理。 分析地下水渗流对基坑工程的影响和支护结构上主被动土压力的影响计 算，及考虑渗流力情况下的支护结构主、被动土压力分析； 利用有限元程序p l a x i s 结合实例针对不同的几种设计方法计算基坑的变 形受力，分析造成计算结果差异的原因，并针对计算结果指出设计中应注 意的问题； 针对天津地区承压水的复杂性，结合中铁四局华苑地铁站现场抽水试验结 果及分析，简单介绍抽水的原理及参数处理，指出抽水试验的必要性，并 对结果进行有限元的模拟对比和降水设计； 以天津在建项目计算承压水在基坑开挖过程可能引起的问题，指出合理的 计算控制方法，对比坑内外降水的效果。 天津大学硕士学位论文第二章有限元软件及土体本构模璎的选用 2 1 概述 第二章有限元软件及土体本构模型的选用 1 9 4 3 年c o u r a n t 首次提出有限单元法基本思想，但直到1 9 6 0 年后，随着电 子计算机的广泛应用和发展，有限单元法才得到了快速发展。1 9 6 6 年美国的 c l o u g h 和w o o d w a r d 在土坝分析中首先将有限单元法应用于土工计算。有限单元 法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个、且按一定方式相互连接在 一起的单元的组合体。利用在每一个单元内假设的近似函数来分片的表示全求解 域上待求的未知场函数，这一近似函数常由未知场函数或及其导数在单元的各个 结点的数值及其插值函数来表达，这样就将一个连续的无限自由度问题离散为一 个有限自由度问题。各结点上的数值求出后，可以通过插值函数来计算单元内场 函数的近似值，从而得到整个求解域上的近似解。 有限元法有明显的优点： ( 1 ) 利用有限元法，可以考虑土体变形协调的本构关系，因此不必引入假 定条件，保持严密的理论体系。 ( 2 ) 有限元可以运用于复杂的环境条件，并能模拟土体的施工过程，提供 了应力、变形的全部信息。 ( 3 ) 破坏面的形状或位置不需要事先假定。 本文将利用有限元法，分别对支护结构上的水土压力、位移变形、基坑开挖 引起的地面沉降、坑底隆起、应力分布、承压水引起的底板突涌及相应的降水等 方面进行计算。 2 2 有限元法的求解基本思路 所谓有限元法，就是用有限个单元体所构成的离散化结构，代替原来的连续 体结构，来分析应力、变形。这些单元体只在节点处有力的联系。 有限元法的基本出发点是将一个连续结构离散成有限个单元体，这些单元体 在节点处相互铰接，把荷载简化到节点上，计算在外荷载作用下各节点的位移， 进而计算各单元的应力和应变。最终用离散体的解答近似地替代连续体的解答。 天津大学硕士学位论文 第二章有限元软件及士体本构模型的选用 实际上这就是用一系列的线性问题的解来逐步逼近非线性问题的解。非线性问题 的解可以理解为一系列的线性问题的解进行迭代的结果。 有限元法的解题步骤是： 1 用虚拟的直线把原介质分割成有限个单元( 体) ，这些直线是单元的边界， 几条直线的交点称为单元的节点； z 假定各单元在节点处互相铰接，节点位移是基本的未知量； 3 选择一个函数，用单元的几个节点的位移唯一的表示单元内部任一点的 位移，此函数称为位移函数； 4 通过位移函数，用节点位移唯一地表示单元内任一点的应变。再利用广 义虎克定律( 针对弹性本构关系) ，用节点位移可唯一地表示单元内任一点的应 力； 5 利用能量原理，找到与单元内部应力状态等效的节点力。再利用单元应 力与节点位移的关系，建立等效节点力与节点位移的关系。这是有限单元法求解 应力问题的最重要的一步。 6 将每一单元承受的荷载，按照静力等效的原则移植到节点上。 7 在每一节点建立用节点位移表示的静力平衡方程，得到一个线性方程组， 求解方程组可以解得节点位移，从而得出每个单元的应力。 2 3 岩土工程有限元软件的介绍及选甩 目前应用于岩土工程的有限元软件很多，从功能强大的三维有限元软件 a n s y s 、a b a q u s 、a l g o r 、到专门针对岩土工程的软件f l a c 3 d ：从软件特点来看， a n s y s 主要针对金属模拟，特别是无法直接模拟渗流力对结构的影响。a b a q u s 是非线性最强大的有限元软件之一，但软件的前处理和土体孔隙水压力的设定方 面还有很多缺陷。f l a c 3 d ( f a s tl a r g r a n g i a l la n a l y s i so fc o n t i n u a ) 是采用有限元 差分法计算针对于岩石和土体工程的有限元软件，在地下工程中应用较多，但其 计算量大，比较耗时。 与三维有限元软件相比，针对岩土工程的二维有限元软件更为成熟。从欧洲 国家普遍应用的岩土工程设计软件p l a x i s 到北美应用较多的g e o s l o p e 都为许多 重大工程做过辅助设计，与实测值吻合较好，且积累了很多应用经验。 g e o s l o p e 是一个比较专业的岩土工程有限元软件，渗流和整体稳定计算方 法的多样性和专业性是其突出特点。这得益于它的理论奠基人f r e d l u n d 和 m o r g e n s t e m 。本文利用其渗流计算模块s e e p w 计算承压水影响下的基坑流场。 天律大学硕士学位论文 第二章有限元软件及土体本构模犁的选用 p l a x i s 研制开始于1 9 8 7 年。由荷兰的公共事业与水资源管理部委托d e l f t t e c h n i c a lu n i v e r s i t y ，初始目的是为了进行建立在软土上的河堤分析。此后， p l a x l s 一直不断发展，直到今天，已经成为一种功能强大的专门针对岩土工程 中变形与稳定计算的有限元分析软件。由于p l a x i s 的不断完善，其强大的功能可 以模拟不同地下水流场，不同的土层地质条件，不同的施工方法，尤其有专门针 对于基坑开挖所适用的模块和土体本构模型。因此，其针对本课题的分析结果是 科学可靠的。 2 4 土体本构模型 2 4 1 模型简介 土体的模型很多，不同的模型适用范围不尽相同，反映出土体的力学属性也 千差万别。虎克弹性定律，即各相同性弹性是一种最简单的应力应变关系。但 只通过输入弹性模量和泊松比，很难准确反映出土体的力学特征。 h a r d e n i n g - s o i l 模型是模拟土体属性的高级模型。对于m o h r - c o u l o m b 模型， 应力极限状态可以用摩擦角妒、粘滞力c 和膨胀角妒表示。然而，使用三个不同 刚度( 轴向加荷刚度e 矗、轴向卸荷刚度e 。及等相固结刚度o ) 来描述土体， 将更加准确。而且对于模拟基坑开挖，这种要求较准确反映加卸荷状态下土体 力学属性的工程中，选用h a r d e n i n g - s o i l 模型则更为必要。1 7 1 区别于m o h r - c o u l o m b 模型，h a r d e n i n g - s o i l 模型考虑了刚度的应力依赖性， 即随着力的增大，刚度也增大。因此，三个输入刚度与参考力有关，参考力通常 取1 0 0 k p a 。 对于压缩试验，美国提出了著名的压缩指数c ，并用于半对数坐标压缩定律。 对于极限状态土的力学性质，英国提出了i ne 压缩定律，及相关的参数a 。 在采用半对数压缩定律时，使用压缩指标c ，、a 。这最早可以追溯到1 9 2 5 年太沙基，并成为土力学的经典理论。1 0 年后，这个理论的通用性已经被o h d e 反驳，并提出更为通用的指数定律，即。一”。第二次世界大战中，o h d e 的德文著作大量遗失，后来指数定律由j a n b u 重新发现。指数定律符合大多数不 同类型的土体，试验表明，对于砂，适于取指数m 0 5 ，而软土适于取指数i n 1 。 当m = l 时，指数定律还原为半对数压缩定律。1 8 1 h a r d e n i n g - s o i l 模型能准确地预测卸荷变形，而这是m o h r - c o u l o m b 模型无 法实现的。 天津大学硕士学位论文第二章有限元软件及土体本构模型的选用 与完全弹塑性模型相比，硬化塑性模型的屈服面在主应力空间上并不固定， 而是随着塑性应变向外膨胀。硬化分为两种类型，分别为剪应力作用下的硬化和 压应力作用下的硬化。剪应力作用下的硬化用于模拟初始偏应力产生的土体塑性 应变。压缩硬化用于模拟静水压力产生的塑性应变。两种硬化都包含在 h a r d e n i n g - s o i l 模型。 h a r d e n i n g - s o i l 模型是用于模拟包括软土和硬土等多种类型不同属性土体的 高级模型。其物理力学性质为：当施加初始偏应力时，土体表现出刚度降低，同 时又不可恢复的塑性应变发展。在三轴排水试验中，轴向应变和偏应力的关系可 以近似用双曲线描述。这种关系最早由k o n d n 嘣1 9 6 3 ) 提出1 9 l ，后来被用于著名 的双曲线模型( d u n c a n & c h a n g , 1 9 7 0 ) l 。然而，硬化模型对土体的模拟程度 超过了双曲线模型。首先，它采用了塑性理论，而不是弹性理论。其次，硬化模 型包括了剪胀角并引入了一个表示屈服面的帽子。该模型的几个基本特征如下： 根据指数定律，刚度依赖于应力状态 由初始偏荷载产生的塑性应变 由初始静水压力产生的塑性应变 弹性加卸荷模量 遵守莫尔一库仑破坏准则 输入参数f l i t 输入参数e 善 输入参数e 璺 输入参数五， ，。 输入参数c 、妒、妒 h a r d e n i n g - s o i l 模型一个基本的特点就是土体刚度的对应力状态的依赖性。 对于等相压缩情况下的应力、应变，模型默认的关系式为e o 一点爱p i p , 。) ”。 对于软土，比较理想的情况是取m = l 。在这种情况下，修正的压缩指数f 和等 相压缩模量之间的关系比较简单：e 焉一p 硝r ，其中f a ( 1 + e 。) ，p 一是 一个参考压力。这里我们考虑的等相压缩切线模量是在特定的参考压力_ p 一下切 线模量。因此，荷载刚度与修正后的压缩指数r 有关。 同样，卸荷再加荷模量与修正的回弹指数r 之间的关系为： 一3 p 一( 1 2 v 。) r 其中j r 一t c ( 1 + e o ) 。l n l 2 4 2 模型简介三轴排水试验中的双曲线关系 h a r d e n i n g - s o i l 模型公式的基本思想是在轴向荷载作用下竖向应变毛和偏应 力q q 一吧之间的双曲线关系。标准的固结排水三轴试验屈服曲线可以描述 为： 一s 1 ! 一j l当叮 口， (2一1)2e1 1 5 0 q q 。 1 1 天津大学硕士学位论文第二章有限元软件及土体本构模型的选用 吼为剪切强度极限值。关系图见2 - 1 。参数e 。是在初始荷载条件下取决于 围压的刚度模量，表达式如下： 即昭( 焉参) 。 五善是对应于参考约束 力p 一的一个参考刚度模量。 在p l a x i s 中，默认p 阿= 1 呦。实际刚度与三轴试验 的围压，即小主应力：有关。 须注意仃：是压为负，拉 为正。刚度对应力依赖程度由 指数m 确定，通过观察软粘 ( 2 - 2 ) 圈2 1 标准同结捧水三轴试验的应力一应变的双曲线关系 圉 土，指数应取1 0 。j a n b u ( 1 9 6 3 ) 提出i n 的值对于挪威砂和粉砂应取o 5 左右， 同时* c o ns o o s ( 1 9 8 0 ) 提出各种不同土取值在o 5 1 0 的范围内l 翊。 偏应力的破坏值日，和极限值日4 之间关系为： g ，一( c + 孵妒一吒, j 面2 s i n p q q l r i ( 2 - 3 ) 上式中q ，引自m o h r - c o u l o m b 破坏准则，它包括强度参数c 、妒。当口一q ， 满足破坏准则，土体出现塑性屈服。 g ，和吼之间的比为破坏比r ，r ， 一盯，) 中，彳减小为一6 ( q - - a ，) 。前期固结压力 p ，决定屈服帽子的大小。因此，在p ，和体积帽子应变s f 之间定义硬化法则： 一点( 笋) 倍 体积帽子应变是在等相压缩下产生的塑性体积应变。除了常量m 和p 可，还 有另一个模型常量卢。a 和卢都是帽子参数，但并不是直接输入的参数，而是关 系输入格式： 口一k ( 默认：k 一1 - s i n v ) 天津大学硕士学位论文第二章有限元软件及土体本构模型的选用 9 一磁( 默认：磁- e 嚣) k f 和磁可作为决定口和卢的量的输入参数。屈服面的形状在p 一虿平面 上是一个椭圆，见图2 - 5 c m p p p 圈2 - 5h a r d 蛐i 呜湖模型在p 一彳面上的屈服面弹性区将被拉伸分离方法减小 椭圆由两个值决定p ，和口，其中b 决定椭圆大小，a 决定椭圆形状。 当a 较大时，会导致m o h r - c o u l o m b 屈服线下的一个很陡的帽子；当口较小时， 帽子将更接近于p 轴。椭圆既是一个塑性面，也代表了塑性潜能。因此： i 一a 竖 一 a 盯 舯a 一与”劳 ( 2 - 1 9 ) a 的表达式来自屈服条件，一o 和( 2 1 8 ) 式中的彤。初始p ，由初始应力得 到。因此，p 。由超固结比( o c r ) 或超固结压力( p o p ) 计算得出。 为了能更加详细的了解屈服面，可以参考图2 5 和2 - 6 。图2 5 显示了简化 的屈服线，而图2 - 6 描述了主应力空间上的屈服面。剪应力轨迹和屈服帽子都有 着经典m o h r - c o u l o m b 破坏准则的六角锥形形状。实际上，剪力屈服轨迹可以扩 展到最终m o h r - c o u l o m b 屈服面。屈服面帽子是以前期固结压力p 。的函数扩展。 天津大学硕七学位论文 第二章有限元软件及土体本构模型的选用 圈2 - 6 无粘性土在h a r d e n i n g - s o i l 模型主应力空问上的整体屈服云圈 天津大学硕士学位论文 第三章地下水渗流对深基坑工程的影响 第三章地下水渗流对深基坑工程的影响 3 1 基坑支护结构上水土压力的分算与合算 随着我国大规模建筑基坑和地下工程的发展，支护结构设计计算中的许多问 题逐步凸现出来。支护结构上的水土压力计算得到越来越多的重视和讨论。在基 坑围护结构设计中，基坑开挖深度范围内存在地下水时，作用于围护结构上的侧 压力计算有：( 1 ) 水土压力合算法：即对地下水位以下的土压力采用饱和重度和 总应力抗剪强度指标计算。( 2 ) 水土压力分算法：分别计算有效土压力( 取有效抗 剪强度指标c 、，对地下水位以下的土取浮重y ) 和静水压力，然后叠加即得 土压力。对于各种水土压力计算方法的合理性、适用条件及抗剪强度指标的选取 问题，众多学者还存在着一定的分歧。目前，我国的专家“对透水性强的砂土 和碎石土按水土压力分算，基本上达成共识，而对透水性弱的粉土和粘性土的水 土压力问题，认识还远不够。从土的有效应力理论出发，水土分算的根据比较充 分，但实际操作困难比较大。因为测定c 、妒，这两个指标难度比较大，一般 勘察单位难以提供，即便提供，也未必可靠。水土合算在理论上存在缺陷，但实 施比较容易，加上一定的经验修正，较接近实际情况然而，在这种方法中或多 或少还存在一些问题，我们必须对此有足够的认识，才能在采用这种方法时做到 心中有数，以便恰当地协调工程的安全性和经济性 3 1 1 水土分算 水土分算是指水压力和土压力分开计算，即有效应力将在挡土结构上产生 土压力，而孔隙水压力“是各向等压的，故直接作用在挡土结构上。根据朗肯土 压力理论： p ：；盯剁属碗l t a n z ( 4 5 。一号) p ；一口群+ 2 c k 4 - c , r ；一t a n ( 4 5 。+ 詈) 一y 2 ；p 。；u r 。z ( 3 - 1 ) 式( 3 1 ) 为完全的水土分算。但由于实际工程中较难确定“和有效应力强度指 标c 和妒，往往采用一般形式的水土分算，即 天津大学硕士学位论文 第三章地下水渗流对深基坑工程的影响 胪蚝一2 c 厨_ t a n 2 ( 4 5 。一詈) 砟- 盯：巧+ 2 c 厄孓，一t a n 2 ( 4 5 。+ i c p ) o ：ir 皇；p 。i - r ，z ( 3 - 2 ) 式( 3 2 ) 中k 。和k ，分别为主动和被动土压力系数；z 为计算点至填土顶面 距离：只是包含静水压力( 包括渗流中的水压力) ，而将难以确定的超静孔压力 的影响包含在c 和妒中，根据应力路径的不同可采用固结不排水或不排水强度指 标。 3 1 2 水土合算 采用水土合算计算土压力时考虑土体自重的总应力吼，不再计及水压力影 响，即土压力中包含了水压力。公式为： p 。- o z g a 一2 c 厨。一t a n 2 ( 4 5 。一争 p ，- 呸k ，+ 知泓，一t a n 2 ( 4 5 。+ 争 o z y 。| z ；p w = 0 ( 3 3 ) 比较水土分算和合算的计算式( 3 1 ) 和式( 3 3 ) ，考虑到y 。yr + ，式 ( 3 3 ) 中相当于将各向相等的水压力凡也乘以土压力系数，这和式( 1 ) 显然是不 相同的。 3 1 3 粘性土的水土合算问题 目前，工程界多主张对砂土采用水土压力分算法，对粘性土采用水土压力合 算法。对前者的看法基本一致，但对后者就存在一些问题。 水土分算是基于有效应力原理，假设土体中颗粒是碎散的，孔隙水是完全连 通和可流动的。因此，水土分算应用于无粘性土无疑是正确的，但对于粘性土， 因颗粒表面存在着结合水膜，孔隙水压力是否等于静水压力，值得疑问。因此， 对粘性土也有采用水土合算的，并采用总应力强度指标，采用水土合算的其它原 因还在于，孔隙水压力的变化规律不易搞清，且有效应力强度指标难于测定。 但水土合算有其本身的理论缺陷。 在实际问题中，孔隙水压力“可以是静水压力、稳定渗流中的水压力或超静 孔隙水压力。有时将前两项统称为静水压力。狭义的“水土合算”通常只针对于 超静水压力。由于在实际问题中，超静水压力一般难于确定，所以采用与实际应 天津大学硕士学位论文 第三章地下水渗流对深基坑工程的影响 力路径和排水条件相近的试验确定强度指标在分析工程问题时使用固结不排水 或不排水强度指标，将超静孔隙水压力的影响包括在强度指标中。而在基坑支护 计算中的“水土合算”是对于饱和土体只用总应力口，计算主动或被动土压力， 而不再计及包括静水压力在内的一切孔隙水压力。认为土是碎散的，土中的孔隙 水连通时，这显然有悖于有效应力原理。因为静水压力是不应随排水条件变化的。 对于妒o 的粘性士，采用水土压力合算时，由于k 。s 1 , k 。苫1 ，水压力作为土 压力的一部分，在主动侧被减小，在被动侧被增大。使主动土压力偏小，被动土 压力偏大，而且误差甚大。此外，水土压力合算法还存在不能反映水位高低的区 别；不能考虑渗流效应等问题。 到目前为止，很少见到解释和分析水土合算方法的微观机理和试验验证方面 的工作。唯一的解释是认为开挖引起的负超静孔隙水压力不能准确计算与测定 晤“，这一负孔压是会减少支护结构上的总压力的，从而采用三轴固结不排水强 度指标计算土压力，同时将一切孔隙水压力均忽略。这种计算方法存在以下两个 问题： ( 1 ) 在基坑开挖过程中主要是由于a a ，减少而产生的负超静孔隙水压力，而 三轴不排水试验中则是由于( 吼一以) 增加而产生的孔压，而且一般是正孔压， 二者是完全不同的“。 ( 2 ) 静孔压与稳定渗流的孔压是容易确定的，它应当与采用的强度指标无关， 也不是用不排水的强度指标所能反映的。因而这种“水土合算”在概念上是非常 含糊的”。 因此，在对秸性土进行水土压力计算时，由于可能使支护结构压力减小的负 超孔压的存在，孔隙水压力的变化规律不易搞清并进行计算等原因，水土分算的 方法可能夸大了作用在支护结构上的水土压力，导致计算结果偏于安全，导致设 计的保守。而对粘性土进行水土合算时，没考虑到静水压力的等向性，而将其作 为土压力的一部分进行计算，导致计算结果偏于危险，应进行一定的修正。 3 2 渗流对基坑支护水土压力的影响 当基坑进行开挖时，为了保证施工安全和工程质量，一般尽量避免在水下作 业。当地下水