基于降水開挖耦合固結(jié)理論的深基坑環(huán)境影響分析.pdf

1、城市地下空間開發(fā)涉及大量深基坑工程。在含有承壓水的地層中進(jìn)行基坑開挖時，一般需要進(jìn)行承壓水降水施工，降水和開挖的耦合作用對深基坑的正常施工和安全提出了新課題?？紤]到深基坑工程在地下空間開發(fā)中的普遍性，對基坑降水開挖耦合作用引起的環(huán)境影響進(jìn)行深入研究，揭示水位變化和地層變形的規(guī)律并提出相應(yīng)的施工建議具有非常重要的實際意義。
　　本文以降水固結(jié)理論為切入點，對基坑降水開挖耦合作用下水位變化、地層變形和結(jié)構(gòu)物變形的特征和規(guī)律進(jìn)行了研究。

2、首先提出了考慮開挖耦合作用的降水固結(jié)理論并進(jìn)行了驗證；探討了止水結(jié)構(gòu)影響下坑內(nèi)降水引起的水位變化和土層變形特征，分析了參數(shù)影響規(guī)律；然后研究了降水開挖耦合作用下基坑的水位和地層變形響應(yīng)，并分析了耦合作用、本構(gòu)模型及降水開挖方式對結(jié)果的影響；最后結(jié)合兩個基坑工程實例驗證了本文提出的理論在實際應(yīng)用中的適用性和可靠性。本文主要內(nèi)容和結(jié)論包括：
　　(1)提出了考慮開挖耦合作用的降水固結(jié)理論并進(jìn)行了驗證。通過在滲流方程內(nèi)嵌入孔隙水壓縮項、

3、采用邊界降水代替點降水、施加應(yīng)力釋放荷載和設(shè)置零孔壓邊界等措施對已有理論進(jìn)行改進(jìn)，提出了考慮開挖耦合作用的降水固結(jié)理論并進(jìn)行數(shù)值實現(xiàn)。將本文理論的數(shù)值解與經(jīng)典解析解和現(xiàn)場抽水試驗數(shù)據(jù)分別進(jìn)行了對比，驗證了該理論的合理性和可靠性。
　　(2)利用提出的理論，對止水結(jié)構(gòu)影響下坑內(nèi)單井和群井降水進(jìn)行了數(shù)值模擬，提出并采用了降水效率fh和坑外沉降系數(shù) fδ兩個指標(biāo)來評價坑內(nèi)降水效果和地表沉降，詳細(xì)分析了不同參數(shù)的影響規(guī)律。單井分析表明：有

4、墻時坑內(nèi)外降深和地表沉降均呈現(xiàn)不連續(xù)，且與無墻時相比，fh偏大而fδ偏??；最大地層沉降出現(xiàn)在承壓層頂部。參數(shù)影響的規(guī)律為：增大止水結(jié)構(gòu)遮擋比時，fh增大而fδ減小；增大井濾管長度和井與止水結(jié)構(gòu)的距離時，fh與fδ均增大；濾管按承壓層中央、底部、頂部的順序進(jìn)行埋置時，fδ逐漸減??；抽水流量和滲透系數(shù)對fh和fδ幾乎不產(chǎn)生影響。以fh和fδ評價參數(shù)影響程度，從高至低排序為：止水結(jié)構(gòu)遮擋比，濾管長度，井與止水結(jié)構(gòu)距離，濾管埋置位置，抽水流量，

5、滲透系數(shù)。群井分析表明：群井降水時，fh和fδ分別為單井時的2.5倍和2.2倍；相比于中央布置和四周布置，群井采用均勻布置時最優(yōu)，可使fh最大而fδ最??；增加降水井?dāng)?shù)目將使fh和fδ同時增大。
　　(3)對基坑降水開挖耦合作用引起的環(huán)境影響進(jìn)行了數(shù)值模擬，對比分析了與非耦合計算結(jié)果的差異，研究了不同本構(gòu)模型和降水開挖方式的影響，最后定量評價了管井降壓效果。結(jié)果表明，耦合作用下水位主要受降水工序影響。地層變形規(guī)律為：最大地表沉降在墻

6、后0.55De處(De為開挖深度)；降水前開挖、降水和后續(xù)降水開挖引起的沉降分別占7.8%，51.7%和40.5%；隨降水時間延長，土層壓縮范圍從承壓層向上覆土層擴(kuò)展。墻體變形規(guī)律為：最大側(cè)移值約0.23%De，其中開挖和降水引起的側(cè)移比例為92.3%和7.7%。相比于耦合分析，非耦合分析預(yù)測的地表沉降、地層沉降和墻體側(cè)移分別被低估了約20%，9%和31.6%，但坑底隆起被高估了約9.7%，即非耦合分析偏于危險。分析本構(gòu)模型的影響發(fā)現(xiàn)：

7、水位不受本構(gòu)模型影響；線彈性模型結(jié)果偏小，適用于初步分析；摩爾-庫倫模型適用于詳細(xì)分析；修正劍橋模型結(jié)果保守，適用于重要工程。分析降水開挖方式的影響發(fā)現(xiàn)：多次降水開挖方式可使變形緩慢增大，應(yīng)盡量采用。分析管井降壓效果發(fā)現(xiàn)：坑底隆起隨降深增大而減小，降深增大至一定程度以后隆起基本不變。
　　(4)對兩個基坑工程實例進(jìn)行降水開挖的數(shù)值模擬，并評價了本文提出的理論在實際應(yīng)用時的適用性和可靠性。對于虹橋樞紐基坑工程，水位和地表沉降的計算值