本科毕业设计（论文）开题报告深基坑降水引起地面沉陷规律研究

辽宁工程技术大学本科毕业设计（论文）开题报告题目深基坑降水引起地面沉陷规律研究指导教师院（系、部）力学与工程学院专业班级学号姓名日期一、选题的目的、意义和研究现状一选题的目的和意义近年来，随着城市工程建设的发展，地下空间已在世界各大城市中得到了广泛的开发与应用。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等。特别是90年代以来，地下空间开发利用的规模、深度和广度日益增加，使基坑工程向大面积、大深度的趋势发展。基坑工程因而已成为当前岩土界十分关注的热点，也是技术复杂、综合性强的难点。因而深基坑降水已成为建筑工程地下部分施工中的重要环节。它不但为基坑提供安全和干燥的施工环境，而且增加了土层的稳定性、防止边坡开裂和崩塌、防止挖方底部的土体隆起或翻浆，保证工程顺利的进行。基坑施工过程中，对于开挖深度位于地下水位以下的基坑先进行降水，其应用的土力学原理是使疏干区内土体的孔隙水压力消散、有效应力增加从而提高土体的固结程度、增加土体强度、减小坑后水压力、提高边坡和坑壁稳定性、消除地下水渗透力的破坏影响，保证基坑在干作业条件下施工。但降低基坑地下水位后，势必引起基坑周围一定范围内的地下水位变化以及应力场的改变，从而诱发周围土体的变形和地表的附加沉降，对基坑及其周围建筑物等造成不利影响，甚至出现基坑坍塌、周围构筑物倒塌、地下管线破裂等工程事故。目前国内外对基坑变形估算和沉降预测也有较多的研究，但都集中在淤泥质黏土、粉质粘土等软土，对于某些地区砂性土厚度很大、粘性土分布不连续的类似情况开展的研究也十分有限。针对深基坑工程对周围环境的影响问题，许多研究人员对对此进行了大量的研究，并得出了一些有益的成果。但目前对此类问题的研究，多是针对经济发达的上海、北京等一线城市的深基坑工程所进行的，而对其他欠发达地区这方面的研究几乎还处于空白。实际基坑工程的区域性很强，与其场地的工程地质环境、基坑相邻建筑物、构筑物和市政地下管线的位置、抵御变形的能力、重要性，以及周围场地条件有关。因此，对于不同的复杂特殊的工程环境状况，基坑工程的区域性以及其强烈的个性特点，使得现有的理论研究成果，很难通用于不同地区的各类基坑工程问题。基坑工程的方案设计和施工，应结合不同地区的具体情况进行。简单的套用经验来指导基坑的施工，往往脱离实际情况，不能满足工程建设的要求。深基坑开挖施工过程中，土体参数会发生较为明显的动态变化，尤其是在软土地区进行的深基坑降水过程，会有效提高土体的物理力学性能。大量的研究和实践也已经表明，土体参数的变化对基坑地表沉陷的影响较大，研究土体参数变化对基坑变形的影响规律是十分有必要的。鉴于土体参数在施工过程中的动态变化，在计算分析基坑变形问题时，若直接采用土木参数初始值，往往和实际情况不符，使得基坑工程变形和稳定计算偏于保守。因而，对于一些较复杂的深基坑工程的设计和施工，在确定主要的土体物理性质时，应当结合原位测试实验和工程实践经验，对一些土体参数进行适当的调整。近年来，针对土体性质的动态变化问题，借助现场监测数据和反分析法来进行研究，一直是深基坑工程问题研究的热点。建筑与市政降水工程技术规范JGJ/T11198，对降水工程设计规定应对降水工程设计进行多方案比对分析，然后选择最优降水方案，对基坑降水工程设计应重视工程周围环境问题，防止对工程环境产生不良影响。为确保基坑工程及其周围环境的安全，有必要探讨有关基坑工程降水对其周围地表沉降影响的机理、地面沉降的计算，即在降水技术方案实施前对降水方案预先进行合理的预测分析以及提前备案有效的防治措施，具有重要的工程实际意义。深基坑降水引起周围地表沉陷规律研究具有十分重要的意义。二研究现状深基坑施工常需要挖掘到地下水位以下的含水层中，为了防止边坡的塌陷和涌流，并保证施工过程中处于疏干和坚硬的工作条件下进行开挖，基坑开挖前需把地下水位降低到边坡面和坑底以下。当基坑开挖遇到承压含水层时，若不对承压含水层进行减压，地下水渗流就很容易使基底破坏，同时还伴随着发生坑底的隆胀和坑底土的流失现象。根据基坑的尺寸和深度、地质条件和土的特性，地下水可用各种降水方法控制。目前常见的有明沟加集水井排降法、轻型井点法、电渗井点法、喷射井点法、管井井点法和深井井点法等。国外的基坑降水技术应用较早，早在1896年德国建造地下铁道时就开始使用基坑降水的方法来降低地下水位。随后世界各国在建隧道、市政工程、水坝等工程中分别采用了不同的降水方法。目前承压水控制是国外深基坑工程的重要风险点之一。针对不同地质情况，国外一般采取单独或组合隔断、降水的方法，粗砂/砾石层中一般辅以回灌措施。位于日本东京的新丰洲5OOKV地下变电站就采用了加深围护结构以隔断承压含水层的办法进行止水，基坑开挖深度292M，地连墙深度达70M。目前国外在降水方面采用“隔、降、灌”相结合的方法，其隔水措施包括加深围护结构切断补给源，或坑底深层地基加固使之成为“人造隔水层”，同时辅以降水措施，使得降水获得较好的效果，另外采用回灌的方法减小了降水的环境影响。国内井点降水方法是新中国成立后逐步发展起来的，随着国家基本建设的发展和国民经济水平的提高逐步完善提高。在上世纪五十年代，深基坑技术尚不发达，大深度地下结构主要采取沉井等方法施工，降水只作为辅助工艺来发展，这一阶段降水的对象以潜水为主，一些重大工程中采用了轻型井点和喷射井点方法进行降水，并取得了较好的成果。上世纪八十年代开始到九十年代中期，深基坑工程逐渐增多，这一时期积累了众多现场实测数据，获得了一系列的研究成果，初步掌握了基坑内外布置井点降水时渗流场分布规律和降水是周围地层沉降的趋势。同时施工中开始遇到承压水控制问题，上海地区1985年浦东煤气厂过江管工作井工程中发生了首次承压水事故。从上世纪九十年代中期到目前，工程界对降水诱发周围地层沉降控制给予了更多的关注，逐步认识到城市施工中，控制水头压力的同时必须致力降水诱发的地层沉降，逐步建立“以水位控制为前提、以沉降控制为核心”的地下水综合治理体系，以保证大规模地下空间开发过程中城市功能的正常运作和社会生活的安定。目前国内外针对深基坑计算的研究主要着重于基坑开挖方面的计算和分析。1969年PECK在第七届国际岩土力学与基础工程会议上首次发表了关于基坑开挖研究现状比较全面深入的报告，对于理解影响深开挖支护系统变形行为的因素具有里程碑式的意义。1970年LAMBE对基坑开挖的设计和分析及其支护系统进行了研究，回顾了基坑开挖中影响土体位移的相关因素，还指出有限元方法和从工程案例中得到的经验是理解深开挖行为的两个最有效的途径。1976年GOLDBERG等人研究了墙体最大侧移、最大地表沉降及沉降分布形态，并将墙体变形和地表沉降分布形态与开挖深度及土层条件联系起来。1981年OROURKE分析了基坑开挖及其相关工程活动引起的土体变形，指出基坑开挖前期的工程活动如降水、围护结构施工、桩基施工等会对土体的变形产生影响。1990年CLOUGH据有关工程案例和前人的研究对深开挖引致的变形进行了较全面的研究。将变形分为两种，一种是基坑开挖和支撑的基本过程引起的变形；另一种则是由于相关的施工活动如墙体的施工、基础的施工或拆除等引起的变形。对所收集的工程资料的变形进行了总结，以有助于估计墙体的变形及地表的沉降；并指出在考虑引起变形的主要原因的情况下，能将变形的预测限制在较合理的范围内。上述研究对理解深基坑开挖的行为作出了重要的贡献，对指导深基坑的计算仍具有重要的参考价值。流固耦合力学是研究变形固体在流场作用下的各种行为以及固体变形对流场影响这二者相互作用的一门科学。流固耦合力学的重要特征是两相介质之间的相互作用，变形固体在流体载荷作用下会产生变形或运动，变形或运动又反过来影响流体，从而改变流体载荷的分布和大小，正是这种相互作用将在不同条件下产生形形色色的流固藕合现象。在深基坑降水开挖过程中，应力场和渗流场都将随基坑的施工而变化，两场相互影响，相互作用。降水过程中渗流场发生变化，开挖过程中土体应力场也要发生变化。由于两场相互作用，渗流场的改变将影响应力场和位移场，同样应力场的改变也将影响渗流场和位移场。两场相互作用的结果实际上就是基坑及其周边环境土体变形，基坑周围环境土体的变形过程实际上就是孔隙水压力消散后的土体固结的过程。对于土体固结的研究，最早是1925年由太沙基TERZAGHI首先提出的饱和土体固结理论，即单向固结理论，通常认为在一维固结的情况下是精确的。BIOT固结方程，能有效模拟三维固结，被称为“真”三维固结理论，在很多领域的工程实践中得到应用发展。国外学者从事流固耦合研究较早，上世纪六十年代起，各国学者已注意到这种耦合分析在水坝工程及地下工程中应用。WARRAN和ROOT1963对水库水位变化中认识到渗透体积力对水库岸边再造的影响。DURAND和LOUIS等在分析ARNON大坝的基础工程中对水力场与应力场进行了耦合分析。到八十年代多场耦合的研究在很多领域得到了发展，如BARTON针对岩体的耦合作用进行了探讨；FINNO对有支护的基坑开挖进行了有限元的耦合分析。国内学者从事流固耦合方面的研究起步较晚，但也陆续开展了一些重要工作，但大多集中在复杂而不确定的裂隙岩体中的多场耦合分析，如陈平、张有天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；耿克勤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、剪应力及复杂应力条件下的流固藕合特性，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；高海鹰从工程观点出发，在对完整岩块的渗透系数忽略不计的条件下，助层面缝隙流运动规律和变分基本原理，建立了裂隙岩体渗流场和应力场耦合模型，提出了运用同一套单元网络对两场进行区域离散的观点；沈振中等则提出了坝基岩体粘弹性流固耦合分析模型，并对坝基开挖过程进行了模拟计算分析。对于土体中的多场耦合方法也有一些研究成果，如沈珠江首先将固结理论的有限单元法应用于土体固结分析，并采用有限单元法，对定常水流作用无支护基坑边坡进行了耦合分析；王媛以BIOT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；陈庆中、玛星梅等建立了应力场渗流场数学模型，并讨论了流场耦合问题的分析方法；考虑到岩土体的不均质性以及土体的地质沉积作用，杨林德、杨志锡等将饱和土体视为均质、连续的各向异性弹塑性多孔介质，根据虚位移原理推导出饱和土体内各向异性渗流直接耦合的有限元法计算公式，并针对直接耦合法所生成的病态方程采用MATLAB语言编写出平面条件下的计算程序，对各向异性弹性多孔介质中MANDEL效应进行了数值模拟分析。虽然目前对基坑流固耦合分析的研究己有不少成果，但还缺乏对基坑渗流场应力场耦合的实用模型，尤其是缺乏深基坑降水开挖过程中，考虑土体固结和介质渗透性质的改变，渗流、应力、位移的耦合作用以及由此产生的深基坑及周围土体变形的实用耦合模型。本文将在原有的流固耦合模型基础上，研究深基坑渗流场应力场耦合的实用计算方法，真正实现基坑的流固耦合分析。二、研究内容、技术路线一主要内容目前的基坑计算分析中通常忽略降水对围护结构和土体变形的影响，仅考虑开挖引起的土体的应力场和变形场的变化。然而在地下水位较高的地区进行深基坑开挖，渗流问题是突出存在的。开挖和降水是土体和支护结构强度和稳定性变化的共同诱因，而土体和支护结构强度和稳定性变化又对开挖和降水起控制和指导作用，它们相辅相成互相制约。因此在进行深基坑工程的变形分析时应该同时考虑基坑降水和开挖的过程，对基坑边降水边开挖的全过程进行模拟计算，这样就能更加真实的反应土体的变形特性。然而要同时考虑基坑开挖和降水的作用，就应该对渗流场和变形场进行耦合分析。针对深基坑边降水边开挖问题的研究热点，本文将从以下几个方面开展研究（1）简述深基坑降水引起地表沉陷规律研究的选题目的和意义以及目前国内外的研究现状，归纳总结基坑降水对周围环境的影响。另外本文将通过各种数据和实例来表明深基坑工程在现今工程领域中的重要性，以及深基坑工程分析、计算和预测的各种方法。（2）深基坑降水方法和支护方式。（3）固结理论和深基坑降水引起地表沉陷的机理分析，本文将会介绍深基坑降水引起地表沉陷的多方面原因，然后通过固结理论来分析深基坑降水引起地表沉陷的机理本质。（4）土体渗流场与应力场耦合计算基本理论，介绍比奥固结理论、应力场控制方程以及渗流场控制方程。接着通过引入边界条件和初始条件，推导出渗流场与应力场耦合关系式。（5）最后以阜新兴隆大家庭CBD公园项目深基坑工程为背景，针对工程的特点，应用基坑工程手册中相关的计算方法，对工程实例进行计算分析。首先大量工程实际的观测结果，按照规范对沉降计算中类似问题的处理方法，确定阜新地区沉降经验系数。然后模拟基坑降水开挖卸载及修筑围护结构时重新加载的工况，分析水位变化情况并研究降水开挖过程中围护结构和土的力学性状。最后通过对多次不同参数得到的结果进行分析，得出影响地表沉陷的主要规律。（6）论文的主要结论。二、技术路线基本原理降水技术沉降机理固结理论渗流场与应力场耦合计算分析工程实例分析计算论文的主要结论研究现状降水方案三、研究进度15周，毕业实习，收集资料；67周，对资料的整理和研究，完成开题报告；89周，了解固结理论和深基坑降水引起地面沉陷的机理分析；1011周，渗流场与变形场耦合计算方法；12周，工程实例计算分析；13周，形成论文初稿；14周，翻译一篇与与本论文有关的外文文献；15周，整理初稿；16周，提交论文成稿；1718周，论文答辩。四、主要参考文献1刘健航,侯学渊基坑工程手册M北京中国建筑工业出版社,19972赵志绪主编高层建筑施工手册M上海同济大学出版社,19915936033行业标准建筑与市政降水工程技术规范JGJ/T11198S北京中国建筑工业出版社,19994刘建航,侯学渊基坑工程手册M北京中国建筑工业出版社19975姚天强,石振华基坑降水手册M北京中国建筑工业出版社20066戚国彬日本一座500KV地下变电所机械化施工概况J供用电,19992507TERZAGHIKTHEORETICALSOILMECHANICSNEWYORKWILEY,19438DASBMADVANCEDSOILMECHANICSUSATAYLORANDFRANCIS,19983994539谢永利空间描述的二维有限变形固结理论J西安公路学院学报1994，VOL14N0461210杨代泉非饱和土二维广义固结非线性数值模拟J岩土工程学，1992，VOL14SUPPLEMENT21211沈珠江用有限单元法计算软土地基的固结变形J水利水运科技情报，1977，L72312殷宗泽等饱和粘土平面固结问题有限单元法J华东水利学院学报，1978，1718213孙钧等渗水膨胀钻弹塑性围岩压力隧洞的祸合蠕变效应J同济大学学报1981，114孙钧城市环境土工学M上海上海科技出版，200515李志平基坑降水引起的地面沉降分析D湖南中南大学硕士论文,200116刘峡南圆形基坑井点降水第一类渗流微分方程解析解J同济人学学报，1998，26283317姜晨光基坑工程理论与实践M北京化学工业出版社，200318川龚晓南软土地基固结有限元分析ID杭州浙