（岩土工程专业论文）降水影响基坑工程的试验研究与数值模拟.pdf

摘要 摘要 卜海地区深基坑工程往往受到地下水的影响，很多基坑工程事故都是由于 地。卜水的影响引起的，必须给予足够重视。本文通过一系列试验以及数值模拟， 对基坑降水引起周围土体参数变化情况、基坑工程变形渗流应力耦合有限元分 析和土体参数对基坑变形的影响等问题进行了系统的研究，主要内容包括以下 几方面： l 、简要介绍了研究基坑变形的基奉方法，渗流以及渗流应力耦合有限元理 论的发展，指出基坑变形分析中考虑地下水及其渗流效应的必要性。 2 、通过一次固结恢复土体原始应力状态、次固结模拟基坑降水的方法， 结合土工试验研究了基坑降水对土体剪切强度指标、渗透系数、压缩模量以及 侧压力系数等参数的影响； 3 、介绍了渗流应力耦合有限元分析基本理论，结合丁程实例建立了考虑土 体、围护结构和水平支撑体系共同作用的平面有限元模型，土体采用修正剑桥 模型，考虑墙体与土体的接触效应和渗流应力耦合效应，进而实现了对基坑开 挖过程的模拟，并进一步分析了基坑工程地墙位移、基坑地表沉降和坑底回弹 情况，对比了渗流应力耦合有限元分析与不考虑耦合情况下基坑变形情况。 4 、结合试验部分的结论，采用前面提到的有限元模型，分析了土体参数m 、 侧压力系数以及渗透系数对基坑工程地墙位移、基坑地表沉降和坑底回弹的影 响。 最后，关于进一步的工作进行了简要的讨论。 关键词：基坑，降水，土工试验、耦合分析、有限元 a b s t r a c t a b s t r a c t d e e pe x c a v a t i o ni ns h a n g h a ii so f t e na f f e c t e db yg r o u n d w a t e r , w h i c h r e s u l t si n m a n ya c c i d e n t s ，s oc l o s ea t t e n t i o nm u s tb ep a i dt oi t t h ep a p e rc a r r i e s o ns y s t e m a t i c s t u d yo i lt h ec h a n g eo f t h es o i lp a r a m e t e rc a u s e db yd e w a t e r i n g ，t h es e e p a g e 。s t r e s s c o u p i e df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so ff o u n d a t i o np i td e f o r m a t i o na n dt h ee f f e c t so n t h e e x c a v a t i o nd e f o r m a t i o no ft h e s o i l p a r a m e t e r , t h e m a i nc o n t e n t si n c l u d et h e f o l l o w i n g ： 1 t h ep a p e ri n t r o d u c e st h eb a s i cm e t h o do nt h es t u d yo ff o u n d a t i o np i t d e f o r m a t i o n ，t h ed e v e l o p m e n to fs e e p a g ea n ds e e p a g e s t r e s sc o u p l e df i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ，a n dt h e np o i n t so u tt h a ti t i sn e c e s s a r yt oc o n s i d e rt h eg r o u n d w a t e ra n di t s s e e p a g ee f f e c ti nt h ea n a l y s i so f f o u n d a t i o np i td e f o r m a t i o n 2 b yr e s t o r i n gt h ei n i t i a ls t r e s st h r o u g hp r i m a r yc o n s o l i d a t i o na n ds i m u l a t i n g t h ed e w a t e r i n gt h r o u g hs e c o n d a r yc o n s o l i d a t i o n ，t h ep a p e rs t u d i e st h ee f f e c t s o f d e w a t e r i n go nt h es o i lp a r a m e t e r s ，s u c ha ss h e a r i n gs t r e n g t hi n d e x e s ，c o e f f i c i e n to f p e r m e a b i l i t y 、m o d u l u s o fc o m p r e s s i b ili t ya n dl a t e r a lp r e s s u r ec o e f f i c i e n t 3 t h es e e p a g e s t r e s sc o u p l e df i n i t ee l e m e n tt h e o r yi si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r ， c o m b i n e dw i t he n g i n e e r i n ge x a m p l e s ，i ti sp r o p o s e dt h ep l a n ef i n i t ee l e m e n tm o d e l c o n s i d e d n gt h es o il ，r e t a i n i n g s t r u c t u r ea n dh o r i z o n t a lb r a c i n gs y s t e m ，m o d i f i e d c a m b r i d g em o d e li su s e d ，a n di t t a k e st h es o i lc o n t a c te f f e c t sa n ds e e p a g e 。s t r e s s c o u p i e de f f e c t si n t oc o n s i d e r a t i o n ，s oa s t or e a l i z et h es i m u l a t i o no fe x c a v a t i o n p r o c e s s ，t h e naf u r t h e ra n a l y s i si s m a d eo nt h ed i s p l a c e m e n to fd i a p h r a g mw a l l 、 g r o u n ds e t t l e m e n ta n db o t t o mh e a v ei nf o u n d a t i o np i t a tl a s ti t m a k e sac o m p a r i s o n o nt h e e x c a v a t i o nd e f o r m a t i o nu s i n gs e e p a g e s t r e s sc o u p l e df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i st o t h ec o n d i t i o nw h i c hd o e sn o tc o n s i d e ri t 4 a c c o r d i n gt ot h ec o n c l u s i o no ft h ee x p e r i m e n tp a r t ，t h i sp a p e rm a k e sa n a n a l y s i so nt h es o i lp a r a m e t e rm ，l a t e r a lp r e s s u r ec o e f f i c i e n ta n dt h ee f f e c t so nt h e d i s p l a c e m e n to fd i a p h r a g mw a ll ，g r o u n ds e t t l e m e n ta n db o t t o mh e a v ei n f o u n d a t i o n p i t , u s i n gt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e im e n t i o n e db e f o r e a b s t r a c t f i n a l l y 。ab r i e f d i s c u s s i o ni sc a r r i e do u to nt h ef u r t h e rr e s e a r c h k e yw o r d s ：f o u n d a t i o np i t ，d e w a t e r i n g ，s o i lt e s t ，c o u p l e da n a l y s i s ，f e m 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：涨、3 。佑 矽叩年弓月彬日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：殆，f 够 1 年乡月访日 第l 章绪论 1 1 研究背景和意义 第1 章绪论 随着城市建设的发展，地卜空问的大力开发，大规模的高层建筑地下室、 地下商场的建设和大规模的j l ，政工程如地下停车场、大型地铁车站、地下变电 站、大型排水及污水处理系统等的施工都面临深基坑工程。基坑工程是个复 杂的工程，特别是在软上地区，它涉及到岩土工程、结构工程和施工技术等； 且影响基坑工程的不确定性因素很多，因此深基坑工程是项风险性很大的工 程。基坑支护结构除满足自身强度要求外，还须满足变形要求，基坑周边十体 的变形应控制在允许范围之内，保证基坑周围的建( 构) 筑物和管线的正常使 用要求，这使得基坑工程的设计及施工重点从强度控制转向变形控制。 目前，大多采用有限元法对基坑变形进行预测，主要有杆系有限元( 即弹 性地基梁法) 和连续介质有限元法。由于杆系有限元法仅可得到支护结构自身 的内力、位移及支撑轴力，不能得出周围土体的变形情况，因而也无法反映基 坑开挖对周围环境的影响程度，因此连续介质有限元法成为主流发展方向。它 不仅可以从整体上得出支护结构及周围土体的应力和变形状况，而且可以得出 塑性区的分布，从而判断支护结构的整体稳定性，因而得到了广泛的发展和应 用。 同时，现在的基坑工程向着大、深、广的方向发展，工程实践中，往往遇 到地下水问题，很多t 程事故都是对地下水考虑不周引起的。目前丁程中往往 采取基坑降水的方法，来控制地下水影响。而对基坑工程变形计算往往采取静 止的方法，单纯的应用土压力原理进行水土合算或水土分算来分析，忽略了土 体中水的流动性，未考虑孔隙水渗流场的变化。虽然有限元分析开始考虑渗流 的影响，但往往采用土体初始参数进行计算，事实上，基坑开挖过程中降水引 起了土体物理力学性质的变化，凶而采用土体初始参数分析可能引起较大的误 差。如果处理不当，同样会引发工程事故，因而有必要对其进行研究。 第l 章绪论 1 2 国内外研究现状 1 2 1 基坑工程变形研究现状 基坑变形主要是围护结构的变形、墙后土体的位移和沉降、坑底土体的变 形以及立柱等的变形。国内外学者对它进行了大量的研究，目前常用的基坑变 形分析方法主要有竖向弹性地基梁法和连续介质有限元方法。 1 2 1 1 竖向弹性地基梁法 竖向平面弹性地基梁法以围护结构作为研究对象，坑内开挖面以上的内支 撑点用弹性支座模拟：坑外土体产生的主动土压力作为已知荷载作用在弹性地 基梁上；而坑内开挖面以下作用在围护墙面的弹性抗力以水平弹簧支座模拟。 该方法可根据基坑的施工过程分阶段进行计算，能较好地反映基坑开挖中土压 力的变化、加撑等多种复杂因素对围护结构受力的影响。由于竖向平面弹性地 基梁法简单并月积累了较多的工程经验，目前应用依然十分广泛。 t e r z a g h i 1 1 、p e c k 心基于柔性支护结构大量的土压力测试分别给出了表观 土压力图式，在基坑工程中得到了广泛应用，但它只可用于围护结构体系的内 力计算。 h a b b a r d l 3 j 通过实测资料总结了支护结构的受力及基坑周边十体的变化规 律，并给出了土压力的分布模式；上海市基坑工程规范考虑将竖向平面弹性地 基梁方法计算得到的水平支撑反力作用在由水平杆件组成的支撑系统上，采用 杆系有限元分析各杆件的内力和变形。 沈健【4 l 基丁- 甲面竖向弹性地基梁方法的思想提出了能考虑支撑系统和挡墙 共同作用的三维m 法，可应用于支护结构与主体地下结构柏结合的深基坑支护 结构变形和受力的整体分析。 但是，竖向平面弹性地基梁方法和由该方法发展而来的三维分析方法只能 分析支护结构的变形，无法分析墙后土体的沉降和坑底土体的隆起变形。要同 时分析支护结构与土体的变形，需采用考虑土与结构的共同作用的分析模型。 1 2 1 2 连续介质有限元法 第1 章绪论 连续介质有限元法考虑土体与支护结构共i 列作用，将土与支护结构作为一 个整体进行研究。它的核心是土的本构关系，深基坑工程分析时常用的土的模 型有弹性的、弹塑性、粘弹性、粘弹塑性等模型，如d u n c a n - - c h a n g 模型、剑 桥模型、l a d e - - d u n c a n 模型、k e l v i n - - v o i g t 模型等。下面介绍几种重要模型及 其应用情况： 1 d u n c a n - - c h a n g 模型 d u n c a n - - - c h a n g 模型是典型的非线性弹性模型，它采用双曲线描述上体应力 应变关系，表征了弹性模鼍和泊松比随着应力变化。由于其形式简单，参数易 定，目前应用非常广泛。 o u 5 1 采用此模型，提m 了，种分析基坑开挖的三维有限元方法：研究基坑 开挖的角部效应。 梅传书【6 1 土体采用此模型，桩土相互作用采用g o o d m a n 单元，编制了有限 元计算程序，模拟实际基坑开挖过程。 赵海燕【7 】土体采用此模型，墙土之间设置d e s a i 单元，编制三维有限元程序 分析不同网格划分对变形的影响。 但这种模型无法考虑第二主应力以及应力路径的影响，因而也有一定局限 性。 2 剑桥模型及其修正模型 剑桥模型是剑桥大学r o s e o e 、b u r l a n d 等人在正常固结粘土和弱超固结粘土 三轴试验成果的基础上建立的弹塑性应力应变关系模型。它以状态屈服面为核 心，采用相关联流动法则；它只考虑p 和q 两个应力分量，忽略了第j 应力小 变量的影响；它的屈服轨迹为弹头形，后来又修正为椭圆形；它只反映剪缩， 而不能反映剪胀。 b o r j a ( 1 9 9 0 ) ( s l 采用修正剑桥模型进行平而应变、轴对称的考虑排水和不排 水数值试验，并分析了一个实际的基坑工程。 p o w r i e ( 1 9 9 1 ) 9 1 土体采用剑桥模型，采用有限元程序对影响基坑开挖行为 的土体、墙体及支撑刚度及侧压力系数进行分析。 o u ( 1 9 9 4 ) u 0 1 分别采用双曲线模型和修正剑桥模型来模拟砂士和粘十的本 构，提出了一种确定参数的合理方法，分析降水和丌挖过程中孔压消散对荩坑 变形的影响。 徐中华( 2 0 0 7 ) 1 1 1 1 采用弹颦件的修正剑桥模型模拟基坑开挖过程中土体的非 第1 章绪论 线性特性，基于而而接触模型实现了连续墙与土体之间的接触算法，用以真实 地模拟连续墙与土体的相互作用，进而实现了对基坑施工过程的仿真模拟。 3 m c 模型及其修正 m o h r - c o u l o m b 模型简称m c 模型。m o h r - c o u l o m b 准则是最早一类考虑静 水压力对材料强度产牛影响的破坏准则，符合岩土材料的屈服和破坏特性，至 今仍应用广泛。m c 模型的屈服面具有棱角奇异性，屈服函数沿曲面的外法线 方向导数不容易确定，在角锥顶点存在不连续的问题，应用于数值计算时会带 米较大困难。 m e n e t r e y 和w i n a m 对m c 模型进行了修正，修正模型在子午面上为双曲 线形状，而在_ 平面卜为分段椭网形状，没有角点，其流线光滑，可唯。定义 塑性流动的方向；允许材料具有各向同性硬化软化性状，更符合岩十材料的力 学特性。 p o t t s ( 1 9 8 4 ) 2 j 采用m c 模型来模拟土体，采用有限元法分析了土体的侧压 力系数对基坑变形的影响。 n g ( 1 9 9 5 ) 1 3 j 比较采用m c 模型和非线性的块串模型的区别，比较模拟和 不模拟墙体施工过程时的差别。 崔宏环( 2 0 0 6 ) 4 】运用a b a q u s 软件对双排桩支护基坑进行三维有限元分 析；土体采用m c 本构关系；不考虑桩土接触面；分析双排桩排距、桩体刚度、 冠梁n 0 度对变形的影响。 4 粘弹塑性模型 粘弹塑性模型是在应力应变关系中考虑时间影响的模型，它认为土体具有 流变性，包括蠕变特性、松弛特性、流动特性及长期强度等四个方面。例如k e l v i n v o i g t 模型、b u r g e r s 模型、b i n g h a m 模型以及一些非线性模型。 d c h e l m ( 2 0 0 0 ) 5 j 假设饱和粘性土为理想的枯性材料得出了当上下相邻含 水层孔隙水压力变化时粘土层一维同结方程解析。 傅艳华( 2 0 0 5 ) 1 1 6 1 采用以软土流变粘弹塑性模型( s s c 模型) 为基础的p l a x i s 有 限元软件，建立了考虑施工过程的基坑工程计算模型，在反分析获取s s c 模型参 数的基础上，开展了模型参数验证和基坑变形规律的研究。 吴小建( 2 0 0 6 ) 【l7 j 通过自十编制的饱和软基粘弹塑性三维有限元分析程序， 深入系统地研究了地基在堆载预压期问不同计算模型条件下地基的变形过程， 以及工程运营后的工后长期沉降差异沉降随时间的增长变化，并结合地基长期 第1 章绪论 变形规律，探索性地模拟分析了软基上跑道基层结构物长期工后附加弯鲥i 值的 变化。 1 2 2 渗流理论研究现状 深基坑工程往往受到地。卜水的影响，事实证明很多基坑工程事故都是由于 对地下水考虑不足引起的。国内外很多学者对地下水问题进行了大量的研究， 目前主要集中于地下水渗流分析。1 8 5 6 年，法国工程师达西通过试验提出了线 性渗透定律，为渗流理论的发展奠定了基础。18 8 9 年，h e 茹可夫斯基首先推 导了渗流的微分方程。此后，许多数学家和地下水动力科学t 作者对渗流数学 模型及其解析解法进行了广泛和深入的研究，并取得了一系列研究成果，渗流 理论得到了进。步的发展并逐步成熟完备。 c vt h e i s ( 1 9 3 5 ) 提出了地下水向承压水井的非稳定渗流公式，将热传导求解 技术应用到研究地下水运动规律的领域。 n e u m a ns p ( 1 9 7 4 ) 1 1 副进行了不同条件下地下水非稳定渗流运动的理论研 究，并各自推导出各种条件下地下水非稳定渗流运动的解析公式，这些基于求 解非稳定流的解析法不仅推广了t h e i s 公式，而且建立了地下水越流理论和潜水 含水层的非稳定流理论。 赤井浩一【l9 j 等日本学者采用了纽曼的数值模型和有限元法进行了试验与数 值计算，研究了考虑土水特征曲线吸湿与脱湿不i 司情形影响的饱和一非饱 和渗流，做了砂槽模型试验，用有限元方法对砂槽试验进行了数值模拟，而且 数值模拟的结果与砂槽模型试验结果比较接近。 p a p a g i a n n a k i s 和f r e d l u n d l ( 1 9 8 0 ) t 2 0 】用g a l e r k i n 加权余量原理推导了二维稳态 渗流的有限元形式：m i l l e r 提出了非饱和介质的渗透系数是含水量或水压力水头 的函数即k ( 0 ) 和k r ( h ) ，这种函数关系随多孔介质性质的变化而变化。这就为 d a r c y 定律应用于非饱和区域，进而同时对饱和区域和非饱和区域的渗流场进行 计算提供了基本的理论依据。 v a ng e n u c h t e n ( 1 9 8 4 ) 1 t m 提出了一个土体非饱和参数的表达式，在这个表达 式中存在未知的参数，可以根据土体的非饱和特征曲线k r - o 和o - h 来确定。这种 方法在实际的计算中应用比较广泛。 l a m 和f r e d l u n d ( 1 9 8 4 ，1 9 8 7 ) 1 2 2 1 1 2 3 l 应用饱和非饱和渗流分析程序t r a s e e 对 第1 亭绪论 一些渗流问题进行了求解；对饱和一非饱和土体的渗流问题作了较完整的论述， 把非饱和土壤水运动理论与非饱和土固结理论相结合，得到了岩土工程师使用 习惯的饱和非饱和渗流控制乃程，并运用二维有限元方法对复杂地下水流动 系统的几个暂态渗流实例问题进行了数值模拟。 r e n a l d o1 b o r j a ( 1 9 9 2 ) 1 2 4 j 片j 增量开挖法与自由面问题结合的方法来预测结构 的变化，通过“弱”的表达和“罚”问题的方法，对位移和孔隙应力放入同一 单元，分别内插，同时求解，通过这种方法对基坑开挖过程中孔隙水渗流对强 度和变形性状的影响进行了研究。 国内，魏汝龙( 1 9 9 8 ) 2 5 1 提出了一种考虑渗流力时计算上压力和水压力的方 法，并将它与几种不同的水土分算或水土合算的方法进行比较，认为如果挡墙 前后的水头差很大，且土的渗透性较好或基坑施工期较长，则计算十压力和水 压力时：卉= 考虑渗流力。 吴良骥( 1 9 8 5 ) 【2 6 1 、雷光耀( 1 9 9 8 ) 【2 7 】、张培3 ( 2 0 0 3 ) 2 8 1 等对饱和一非饱和岩土 非稳定渗流问题进行了有限元的分析研究，结合工程实例对堤坝饱和非饱和渗 流进行了数值模拟。 长江科学院张家发( 1 9 9 4 ，1 9 9 7 ) 2 9 】3 0 】提出了饱和非饱和稳定渗流场的数学模 型，并用赤井浩一的砂槽模型实验资料验证了该模型；探讨了土坝稳定渗流场 饱和非饱和渗流模型与传统的饱和渗流模型分析结果的区别。 吴梦喜( 1 9 9 9 ) 【3 1 1 、壹j - $ - ( 2 0 0 1 ，2 0 0 2 ) 3 2 1 f 3 3 】等对饱和非饱和土体非稳定渗流 作了数值分析，对一般的非饱和渗流有限元计算方法加以改进，提出了修正容 水度和加速迭代收敛技术的新方法，消除了饱和非饱和渗流计算中存在的 数值弥散现象，提高了收敛速度；同时还提出了一种逸出面处理新方法，并给 出了饱和非饱和渗流问题的计算的实例。 罗晓辉- ( 1 9 9 6 ) 3 4 1 对基坑渗流情况进行了二维、三维数值模拟；李广信( 1 9 9 8 ) 3 5 1 通过剪力分析指出了存基坑工程的土压力计算中考虑渗流作用的重要意义。 朱军( 2 0 0 1 ) 3 6 1 对饱和非饱和的渗流的有限元计算进行了比较系统的分析 和研究，提出了求解渗透流量的一种简单的方法。朱岳明( 2 0 0 3 ) 【37 j 等提出了 三维饱和非饱和渗流场求解及其逸出面边界条件处理方法；金生( 2 0 0 4 ) 1 3 8 1 利 用饱和非饱和渗流模型计算了坝体自由面渗流。 , 骈f t f f ( 2 0 0 s ) 3 9 l 运用潜水、承压水渗流理论和有限差分法，以及干湿单元、 预处理共扼梯度算法，对深基坑降水的三维非稳定渗流场的计算建模和降水疏 6 第1 审绪论 t 过程进行了数值模拟研究。 严弛( 2 0 0 7 ) 【4 0 】选用适合基坑开挖的h a r d e n i n g s o i l 本构模型，考虑深基坑 工程中坑内减压对基坑变形及稳定性等产生较大影响。 目前工程施上中也采取了一些措施来降低地_ 卜水影响，减少此类工程事故， 丰要有：对较深基坑进行专门的水文地质勘察；采用不透水的地下连续墙做围 护结构或者专门施工隔水帷幕；在深基坑范罔内采用降水施工，必要时进行回 灌减少周围土体沉降；对基坑底部进行加固，形成较坚固的抗承压水层；采取 化学注浆法沿围护结构底平面以上形成不透水加固土层；加大围护结构埋深， 使之隔断承压水层，减少基坑内外水力联系；此外还要进行实时监测，以便发 现问题及时解决。 1 2 3 渗流应力耦合理论研究现状 流固耦合力学是流体力学与固体力学交叉而生成的一门力学分支，流固耦 合的研究通常是将渗流力学与岩土力学结合起来，研究变形固体在流场作用下 的各种力学行为以及固体位移场对流场影响二者交互作用的一门学科，可应用 丁振动采油、水库诱发地震、地面沉降和煤层气渗流等。流同耦合力学的重要 特征是两相介质之间的交互作用，变形固体在流体荷载作用下会产生变形或运 动，而变形或运动又反过来影响流场的耦合现象。深基坑t 程往往受到渗流场 和应力场共同作用，凶而对其进行渗流应力耦合分析就是必须的。 耦合理论出现于本世纪5 0 年代，7 0 年代由w i t h e r p o o n 正式提出，后来完 善发展。国内外很多学者对其进行了不懈的研究。 b i o t ( 1 9 4 1 ，1 9 5 6 ) 1 4 1 】1 4 2 1 进一步研究了三向变形材料与孔隙压力的相互作用， 并在一些假设如材料为各向同性、线弹性小变形、孔隙流体是不可压缩的且充 满同体骨架的孔隙空间、而流体通过孔隙骨架的流动满足d a r c y 定律的基础1 - _ ， 以饱和土体的总应力和孔隙流体压力为状态变量，建立了比较完善的三维吲结 理论，奠定了流固耦合理论研究的基础。 b i o t ( 1 9 5 5 ) 1 4 3 1 将其理论推广到各向异性孔隙固体的弹性固结理论。假设孔 隙中流体是可压缩的粘性流体，文中对固体骨架应力与孔隙流体压力、固体骨 架变形与流体运动作了区别，并将d a r c y 定律表示为流体相对于固体骨架的运 动。 第1 章绪论 v e r r u i j t ( 19 6 9 ) 删发展了多相饱和渗流与孔隙介质耦合作用的理论模型，在连 续介质力学的系统框架内，建立了e u l e r 型多相流体运移和变形孔隙介质耦合问 题的理论模犁。 m c t i g u e ( 1 9 8 6 ) 4 5 1 将b i o t 理论应用于非等温条件下，流体在可变形多孔介质 中流动的耦合分析，建立了非等温条件下流、固、热耦合模型。 n o o r i s h a d ( 1 9 8 2 1 9 8 9 ) 1 4 6 1 1 4 7 1 以b l o t 固结理论为基础，把多孑l 弹性介质的本构 方程，推广到裂隙介质的非线性变形本构关系，提出裂隙渗流与应力的耦合分 析模型。 件彦卿( 1 9 9 5 ) 4 8 】等概括了裂隙岩体渗透性与应力之间的耦合关系，认为岩体 的渗透系数随应力与裂隙的作用关系i 面变化。 朱珍德( 1 9 9 9 ) 1 4 9 1 等基于能量互易定理并考虑裂隙扩展过程中的能量转换和 裂隙扩展过程中的相互作用，探讨了裂隙岩体在复杂应力状态下本构关系与损 伤演化方程，建立了多裂隙岩体渗流场与损伤场耦合分析模型，并对三峡永久 船闸高边坡稳定性进行分析。 罗晓辉( 1 9 9 7 ) 8 】对渗流场进行了稳定渗流与非稳定渗流有限元分析，将渗流 场的水力作用加到了应力场的分析中，对深基坑开挖过程中渗流场的变化规律 以及对应力场产生的影响进行了探讨。 盛金吕( 2 0 0 0 ) 【5 0 1 等川建立了三维裂隙岩体渗流弹塑性应力应变耦合模型，并 编制了相应的有限元程序。 杨天鸿( 2 0 0 1 ) 【5 i 】通过对经典b i o t 渗流力学做进一步的考察，讨论了耦合渗 流方程参数的物理意义，在b i o t 基本方程基础上，增加一个反应渗透系数和孔 隙变化率关系的耦合方程，引入渗流率突跳系数乏的概念，提出了损伤演化过 程渗流一应力耦合方程。 甲扬、白世伟、徐燕萍( 2 0 0 1 ) 5 2 1 等基于比奥同结理论，f ：将其扩展应用于 弹塑性分析领域，将渗流场水力作用与应力场祸合，并通过有限单元法模拟， 对深基坑开挖过程中渗流场与应力场的变化规律及其导致的基坑稳定问题进行 了研究和探讨。 李培超、孔祥言、卢德唐【5 3 1 等将基于多孔介质的有效应力原理引入流固耦 合渗流中，：j f ：根据平衡条件得出了应力场方程；分析了流同祸合渗流的物理特 性，建立起孔隙度和渗透率动态模型；依据流体力学连续性方程，考虑流固耦 合情形下多孔介质骨架变形特性和流体的可压缩性，得到了孔隙流体的连续性 8 第1 章绪论 方程，建立起了饱和多孔介质流固耦合渗流的数学模型，并与经典一维固结理 论进行了定性对比。 张伟( 2 0 0 4 ) i ”1 探讨了渗流场和应力场的相互作用的耦合机理，针对应力场对 十体孔隙率的影响、渗流场引起的应力场的变化等进行了量化的分析，探讨了 考虑应力场变化影响的渗透系数的计算方法；考虑渗流场和应力场的相互作用， 得到岩十介质渗流场和应力场耦合的数学模型，利用渗流场和心力场耦合的数 学模型和有限元方程，进行了稳定渗流场和应力场的耦合计算，并对位移场的 计算成果进行了分析。 李春忠( 2 0 0 6 ) 5 5 】基于渗流场与应力场耦合的有限元法理论，对九华山隧道基 坑工程降水渗流场进行了数值模拟，得到基坑降水渗流场的孔压、流速及水位 线分布情况，分析了降水对地表变形的影响，讨论了降水井井深及布置对水位 降深及基坑变形的影响，为基坑工程降水井设计方案提供了有益的指导。 张向霞( 2 0 0 6 ) 5 6 】根据由软岩渗流应力耦合试验得出的全应力应变试验曲 线，采用宏观维象学的方法并基于广义定律和渗流应力耦合的力学机理，通过 刚归分析建立了各向异性软岩渗流应力耦合本构模型，使本构模型能够直接体 现软岩强化阶段渗流与应力应变之间的耦合作用。 张永昌( 2 0 0 7 ) t 5 7 1 采用a b a q u s 有限元软件，模拟了深基坑开挖时逐级卸载及 基础施工时重新加载、基坑降水、支护等一系列工况，分析了渗流场和应力场 相互作用下基坑的变形机理，分析了耦合因素下支护桩墙和钢支撑的变形和机 理，对不同降深和不同开挖深度下的沉降机理进行了分析对渗流场分布和发展 性状依次进行了分析。 1 3 本文主要研究内容 本文在总结前人研究成果的基础上，通过试验和数值模拟研究和探讨了以 下三方面内容： 1 通过二次固结试验模拟基坑降水，并在此基础上通过基本土工试验研究 降水对土体剪切强度、渗透性、压缩件能以及静止侧压力系数的影响，以期在 基坑工程设计和施工过程中更恰当的选取土体参数，减小计算误差，保证工程 质量。 2 阐述了基坑开挖过程巾土体渗流理论和渗流应力耦合理论，并结合工程 9 第1 章绪论 实际建专土体、围护结构和水平支撑体系共同作用的平面有限元模型，采用渗 流应力耦合有限元理论分析基坑开挖过程中基坑变形情况，并与未考虑渗流情 况以及工程实测基坑变形情况进行对比，得到渗流对基坑变形的影响。 3 针对试验部分结论，采用上述有限元模型，分析基坑降水引起十体参数 变化对基坑变形的影响。 1 0 第2 章降水对基坑十体特性影响试验分析 第2 章降水对基坑土体特性影响试验分析 由于土的力学性质相当复杂，目前对木构关系的研究和计算参数的确定远 远落后于计算技术的发展，由于计算参数选择彳i 当所引起的误差往往远大于计 算方法本身的精度范h 司，因而愈来愈引起人们的普遍重视。对丁软土基坑丁程 的设计和施工而言，影响十体物理力学性质的因素有很多，本文则着重论述基 坑降水过程中降水对降水区软土层抗剪强度、压缩模量、渗透性以及静止侧压 力系数的影响。 软土基坑工程的降水措施必然会引起土体物理力学性质的变化，进而影响 其土体参数的正确选取，此时，在分析、计算和预测基坑工程的变形和稳定性 时仍然采用降水前的土体参数显然是欠考虑的。笔者通过对上海地区五层原状 土进行二次固结模拟降水，第次采用土体原始固结压力恢复土体原始自然状 态，第二次固结根据降水深度采用降水后固结压力模拟降水，两次固结时间均 为2 4 小时，进而在此基础上对土体进行三轴不同结不排水试验、同结试验、渗 透试验以及静止侧压力系数试验，得出- 十体参数值随降水变化而变化的规律。 2 1 剪切强度指标c 、由试验 2 1 1 试验方法 土体剪切强度指标c 、巾的测定采用g b 5 4 0 8 4 应变控制式三轴仪( 图2 1 ) 按照十工试验规范s l 2 3 7 _ 0 17 _ 19 9 9i 轴不固结不排水试验方法进行，具体试 验步骤如下。 ( 1 ) 十样的制备 本试验采用原状土土样。先用钢丝锯或削土刀取一稍大于规定尺寸的土柱， 放在切土盘的上、下圆盘之间，见图2 2 。再用钢丝锯或削土刀紧靠侧板，由上 而下细心切削，边切削边转动圆盘，直至上样的直径被切削到规定直径为止。 然按试样高度要求，削平卜下端，最终形成直径3 9 1 m m ，高度8 c m 的土梓。 筇2 章降水对基坑十体特性影响试验分析 阁21g b 5 4 0 8 4 应变控制a 。轴仪 罔2 2 切土仪 ( 2 ) 试样安装 1 ) 打开通底序的阀门，使仪器底座先水，并依孜放上透水打_ f 【| 滤纸，待气 泡排完后关闭底庳阀f j 。然后放上试样、湿滤纸及透水扳，试样周倒贴浸水的 滤纸条7 9 条，滤纸条似端与透水板连接。 2 ) 把已检查过的乳胶薄膜套在承膜筒上，两端翻起，爿 冼耳球从气嘴中不 断吸气，使乳胶膜紧贴丁简壁，小心将它寞在试样外面，然后让气嘴放气，使 橡皮膜紧贴在试样倒闭，崔 i 起橡皮膜两端，用橡皮筋将橡皮膜f 端扎紧在压力 室底座r 。 3 ) 用软刷子或双手自f 而r 轻轻按抚试样| 三i 排除试样与橡皮膜之问的气 泡。 4 ) 打开排气闻，使试样帽中充水，放在透水板r ，用橡皮嘲将橡皮膜上端 i 试样帽扎紧，降低排水管，使舒内水位十试样中心以f2 0 4 0 c m ，试验巾 调h 管内水位为2 5 ，l 政除试丰丫，橡皮z 删的泉水，关排水州。 5 ) 装上压力室罩，拧紧压力室罩密到螺帽，并使传j r 活塞与i 。样帽接触。 ( 3 ) 试样固结 向压力室施加试样的剧围压力，次固结2 4 h 恢复十体脒始应力状态，周 围压力的大小根据试样的覆盖压力而定见表21 ( 其余试验相同) ，般应等丁 和大于覆盖压力，一次固结2 4 h 幔拟降水根据降水深度崮结压力增 i1 0 h 其中h 为降水深度，具体数值见各层上试验结果统i r 表。 筇2 卓降水对基坑十休特性影响试验分目 是2j 试骑f 怍幕水参数 j ；。序 i 培名称坤冻r m )币鹰r k n m j k 至j ”，山fk p aj j 揣持色栅庙轴p 3灰丝淤泥质粉质计 扶巴淤抛质牯r 【 版邑辅十 ， 灰也牯质粉】 ( 4 ) 试样剪切 i ) 转动f 1 i | p i 于轮，使 l 摩与 ”旧_ _ 美触，选择鲍府变速牢，i ! e 蜉叫。 粘土宜为每分钟应变0 0 5 0 r - 01 ，粉i 宜为每分钟应变0i - 05 。 2 ) 将测力汁、轴阳变形指示汁及孔隙水压力读数均调整至零。 3 j 启动 n 动机，合l 。离台器。丌始剪切，直至试样达到2 0 应变值为止。 埘于脆性破坏的试样将m 现峰值以峰值为破h 、点，塑性破坏，按麻变l5 为破坏点。 4 ) 试验结束，芙电动机，关各阀门，脱开离合器，将离台器调全粗付，转 动粗调手轮，将压力审降下，扣开排l 阀排除压力壹内的水，拆卸压力窜罩， 拆除试样，描述试样破坏形状如| f 12 3 、h2 4 。称试样质量，井测定含水率。 绘制应力差强度包线年兀1 擅力羞轴应变曲线如图2 5 。 圉2 3 粘性f 。破坏l 样躅2 4 粉性 破坏f 样 筇2 章降承对丛坑 体特性影响试验分析 e 强， 几i 五丁1 i i 一 【目2 5 臆力差张度包线和f 应力差轴向j * 变曲线 212 试验结果及分析 2 12 1 试验数据记录和结果整理 ( 1 ) t 层褐黄色粉质料- j 。 表2 2 ，层褐黄色粉质粘十蚺切强眨指标c 值 l ”j 黧 同含水车币膻fk n i m 。) c , l i q i t 仇 ( k p a ) 衲始剪衍钊始前卉 03 03 5o i3 32 j186 i 1 89 2 8 j 1 0 0 14 03 42 r 3 0 9 l 185 f 188 3 9 1 13 9 25 0 3 3 1 2 86 l193 l 1 98 4 5 i1 6 0 j ( 2 ) 层灰色淤泥质粉质粘土 表2 3 固展越也擀泥质粉质特十鲋切强j 蔓措标c i i 目愿岔水车e 膻l k n ，+ m ) | 砰水椿度( m )c u 划值 ( k p a ) 初始曲后初始蚰后 笫2 章降水对基坑十体特性影响试验分析 ( 3 ) 层狄色淤泥质粘十 表2 4 层灰色淤泥质粘土剪切强度指标c 值 怠k 率巧：艘( k n m 3 ) c 相 降水深度( m )罔压( k p a ) c ( k p a ) 初始剪后初始剪后对值 01 0 04 1 2 3 6 5 18 0 2 0 0 2 21 0 0 21 2 0 4 1 4 3 5 7 1 7 6 1 9 8 3 01 3 6 41 4 04 i 8 3 6 5 1 7 8 1 8 9 3 5 1 5 9 81 8 04 1 1 3 5 5 1 8 4 1 9 7 4 5 2 0 4 ( 4 ) 层狄色粘十 表2 5 l 层灰色粕十剪切盟度指标c 值 念弋率讴度( k n m 3 ) 降水深度( m ) 陶压( k p a )c ( k p a )c 相对值 初始剪后初始剪后 01 5 03 3 5 2 7 4 1 8 o 1 9 4 2 61 0 0 21 7 03 3 3 2 6 5 1 8 1 1 8 4 3 91 5 0 41 9 03 3 2 2 6 5 1 7 4 1 9 5 4 21 6 1 82 3 03 4 2 2 7 9 1 7 9 1 8 8 6 02 3 0 ( 5 ) ：层灰色粘质粉土 农2 6 2 层灰色釉质粉土剪切强度指标c 、由值 降水深度围扶 含7l ( 术重度( k n m 3 ) c 相由相 c ( k p a )由( o ) ( m )( k p a ) 初始剪后初始剪后 对值 对值 o 2 0 02 9 2 2 4 4 1 8 8 1 9 5 53 4 51 0 0 1 0 0 22 2 03 0 6 2 4 5 1 8 6 2 l 。l 63 5 61 2 0 1 0 3 4 2 4 0 3 0 3 2 5 0 1 8 4 1 8 9 7 3 6 5 1 4 0 1 0 5 8 2 8 0 3 1 1 2 5 9 l8 8 2 0 3 1 03 7 02 0 0 1 0 7 2 1 2 2 数据分析 根据以上试验结果可以绘制得到不同层十随降水深度c 、巾值变化曲线如图 2 6 、图2 7 所示。 1 5 筇2 牵降水对些坑十体特性影响试验分析 7 0 6 0 5 0 j4 0 曼 = 3 0 。_ - _ p _ - 降小深度( m ) 斟26 不i - i 上层c 值随j 峁水深卫增加娈化线 一 2 * 2468 | 聋水深度( m ) 罔27 2 崖炭色猫j 女粉土m 值随断水潍艘j 曾批娈化曲纯 由图2 6 、2 7 和表2 2 26 可见，每层f 坤e 强度指标c 值蟓始值基本符合e 海市i 体强胜指标范闸：何层卜1 体愠度指# j 、c 荆陋莉l 寄水深度的j 曾加洲m 抓增 大表现m 增长趋势，“层土最大降水渫地下增幅分别为6 0 、2 4 0 、1 0 4 、 13 0 、1 0 0 。其中国层、层土随降水深度增加增长幅度较大，其余几层士 前2 章降水对基坑十体特性影响试验丹析 增长趟许较缓；h 时可以看卅随着降水深度的增加c 值增长幅度减小。 另指标十值也肇术符合规范要求，对十粘性j 邢固结小排水试验+ 值蕈 本为零表格中小弭中独训。对干粉顺土十值也像c 值一样随前降水深度增 长趋势但增长缓慢，最大降水曲 度f 增幅为7 。 同时