濱海地區(qū)地下水位變化對地基及基坑滲流特性的影響研究.pdf

1、隨著我國建設(shè)海洋強(qiáng)國和大力發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)的戰(zhàn)略部署，濱海地區(qū)城市和新區(qū)的規(guī)劃與建設(shè)中涌現(xiàn)出了大量超高層建筑、地下空間開發(fā)綜合體、跨海（江）大橋和過海（江）隧道、重要海港等重大工程項(xiàng)目。濱海地區(qū)地下水蘊(yùn)藏豐富，具有隨海水波動(dòng)而動(dòng)態(tài)變化的特點(diǎn)，地下水位動(dòng)態(tài)變化導(dǎo)致地基和基坑工程周圍的滲流場變得更為復(fù)雜。地下水滲流對基坑的變形和穩(wěn)定性具有不利影響，復(fù)雜的滲流環(huán)境極可能引發(fā)圍護(hù)結(jié)構(gòu)破壞、管涌、失穩(wěn)等工程事故。因此，對地下水位動(dòng)態(tài)變化引起的地基或基

2、坑工程滲流和穩(wěn)定性等問題的研究具有重要的工程意義。
　　本文從地下水位變化引起的雙層和成層地基的孔壓響應(yīng)研究出發(fā)，逐步建立起坑外地下水位變化的基坑滲流分析模型，分別采用解析方法、有限元數(shù)值方法和模型試驗(yàn)方法，深入研究地下水位變化對基坑周圍的孔壓響應(yīng)、支護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)水土壓力變化及分布規(guī)律、基坑滲流破壞等方面的影響。進(jìn)一步地，對承壓水頭動(dòng)態(tài)變化作用的深基坑坑底弱透水性土層中的超靜孔壓響應(yīng)和基坑抗?jié)B流穩(wěn)定性展開了初步研究。
　　本文

3、主要工作和創(chuàng)新成果包括:
　　(1)開展地下水位變化產(chǎn)生的超靜孔壓在雙層地基中傳播的解析研究，采用Duhamel積分、分離變量法和傅里葉級數(shù)展開的方法分別求解了雙層地基底部為不透水或透水兩種不同邊界條件下地下水位簡諧變化和任意變化產(chǎn)生的超靜孔壓解析解。通過與已有文獻(xiàn)解答以及有限差分?jǐn)?shù)值解進(jìn)行對比，綜合驗(yàn)證了解祈求解結(jié)果的正確性。采用參數(shù)化分析方法，探討了無量綱影響因子、滲透系數(shù)比值、體積壓縮系數(shù)比值、土層厚度比值等四個(gè)主要影響因素

4、對地下水位變化引起土體中超靜孔壓分布的影響。
　　(2)綜合考慮土體滲流各向異性、壓縮性沿深度變化等因素，建立任意地下水位變化引起的成層地基土體孔壓響應(yīng)的控制方程和求解條件。選取并討論了常用的巖土工程有限元數(shù)值軟件對土體中孔壓傳遞問題研究的理論基礎(chǔ)、有限元數(shù)值分析原理以及數(shù)值解計(jì)算精度。選用了數(shù)值計(jì)算精度高的COMSOL Multiphysics有限元軟件開展地下水位任意變化引起的成層地基孔壓響應(yīng)的數(shù)值研究，討論并分析了地基土體滲

5、透各向異性、土體壓縮性沿深度變化和土體成層性對超靜孔壓分布的影響。
　　(3)采用基坑的一維簡化雙層地基模型，通過穩(wěn)定滲流條件下的靜孔壓和坑外地下水位變化引起的超靜孔壓疊加的方法求解基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)的總孔壓，進(jìn)一步求解得到基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)的豎向有效應(yīng)力、有效土壓力及總側(cè)壓力;求解了基坑底靠近支護(hù)結(jié)構(gòu)處的出逸比降，提出了基于非穩(wěn)定滲流理論的基坑坑底抗?jié)B流穩(wěn)定性的計(jì)算方法。通過與COMSOL Multiphysics有限元軟件的數(shù)值解

6、對比，驗(yàn)證了基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)的總孔壓分布解析解精度。通過算例計(jì)算，分析了地下水位動(dòng)態(tài)變化對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)的總孔壓、有效土壓力和總側(cè)壓力的影響;討論了基于非穩(wěn)定滲流理論求解的出逸比降解析解與傳統(tǒng)方法出逸比降解的異同，探討了考慮非穩(wěn)定滲流的基坑坑底抗?jié)B流穩(wěn)定性的計(jì)算方法及其工程應(yīng)用。
　　(4)研發(fā)了復(fù)雜地下水環(huán)境下的基坑開挖模型試驗(yàn)裝置，解決了試驗(yàn)中潛水位和承壓水頭動(dòng)態(tài)連續(xù)變化、以及基坑開挖過程的試驗(yàn)?zāi)M問題，為潛水位和承壓水頭動(dòng)

7、態(tài)變化等復(fù)雜地下水環(huán)境引起的基坑問題研究提供有效的試驗(yàn)手段。
　　(5)通過自主研制的模型試驗(yàn)箱和孔壓傳感器的標(biāo)定裝置，分別開展了坑外恒定水位條件下的基坑穩(wěn)定滲流模型試驗(yàn)和坑外水位動(dòng)態(tài)變化條件下的基坑非穩(wěn)定滲流模型試驗(yàn)，將兩組試驗(yàn)的結(jié)果分別與基坑一維簡化穩(wěn)定滲流的解析解、COMSOL三維有限元數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析，探討了坑外恒定水位條件下基坑穩(wěn)定滲流與坑外動(dòng)態(tài)變化水位條件下基坑非穩(wěn)定滲流引起的總孔壓響應(yīng)規(guī)律。
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