（地质工程专业论文）润扬长江大桥南锚深基坑降水及周边沉降控制研究.pdf

摘要 摘要 本文首先在前人研究的基础上，对基坑工程的研究现状以及引起的对周围环 境的影响作了较为详细的论述，并着重对基坑工程降水产生的不良现象进行分 析。 针对润扬长江公路大桥南锚场地地质、水文地质条件提出了双层结构地下水 运动的数学模型和计算方法，该方法可以实时计算出各分层的地下水位，实现了 各分层沉降计算与控制研究；建立了土层非线性物理力学参数与水文地质参数之 间的内在联系，客观地描述土层降水固结过程中孔隙度、渗透系数和贮水率 等参数非线性变化过程。计算成果较好地刻画了基坑井群的实施过程中含水层、 弱透水层水头、参数的时空变化规律。 润扬长江公路大桥南锚基坑工程降水计算表明，双层结构模型为深基坑降水 与沉降的非线性耦合计算，基坑土体变形预测、控制，工程施工和设计提供了新 的计算分析途经。 关键词：深基坑双层结构模型沉降控制耦合计算 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h i s p a p e r ，t h e e f f e c t so nt h e s u r r o u n d i n g s o ft h ef o u n d a t i o n p i t ( f p ) e n g i n e e r i n g ，o rc a l l e dd e e pe x c a v a t i o n ( d e ) e n g i n e e r i n g ，i sf i r s t l yd i s c u s s e di n d e t a i l s ，b a s e do nt h ew o r ko ff o r m e rr e s e a r c h t h eb a dp h e n o m e n ac a u s e db yp i t d e w a t e ra r ee m p h a t i c a l l ya n a l y z e di nt h i sp a p e r i nv i e wo fg e o l o g i c a la n d h y d r o - g e o l o g i c a l s i t u a t i o n so ft h es o u t ha n c h o r r u n y a n gy a n g t z e r i v e rh i g h w a y b r i d g e ，t h ep a p e rb r i n gf o r w a r dm a t h e m a t i c a lm o d e l a n dc a l c u l a t i o nm e t h o do fd o u b l ed e c ks t r u c t u r eg r o u n d w a t e r , w h i c hc a nb eu s e dt o l i v e l y c a l c u l a t e e v e r yl a y e r s w a t e rt a b l e ，s ot h a tw ec a l lr e a l i z e e v e r yl a y e r s s e t t l e m e n tc a l c u l a t i o na n dc o n t r o l ；e s t a b l i s ht h ei n t e rr e l a t i o n s h i pb e t w e e nn o n l i n e a r p l a y s i c a l - - m e c h a n i c sp a r a m e t e ra n dh y d r o - g e o l o g i c a lp a r a m e t e r , o b j e c t i v e l yd e s c r i b e t h en o n l i n e a r c h a n g ep r o c e s s o ft h e p o r o s i t y , h y d r a u l i cc o n d u c t i v i t y , s p e c i f i c s t o r a t i v i t y i nt h ep r o c e s so fs o i ld e w a t e ra n dc o n c r e t i o n t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t e f f e c t i v e l yi n d i c a t e t h ec h a n g er u l ew i t ht h et i m ea n ds p a c eo fw a t e rt a b l eo ft h e a q u i f e r , s o f td a n ka q u i f e r ，p a r a m e t e ri np r o c e s so f w e l l sw o r ki nt h e p i t t h ed e w a t e rc a l c u l a t i o nr e s u l to ft h es o u t ha n c h o ro fr u n y a n gy a n g t z er i v e r h i g h w a yb r i d g e ss h o w s t h a tt h ed o u b l ed e c ks t r u c t u r em o d e lp r o v i d ean e wm e t h o d t ot h en o nl i n e a rc o u p l i n gc a l c u l a t i o no fd e e pf o u n d a t i o np i td e w a t e ra n ds e t t l e m e n t ， f o r e c a s ta n dc o n t r o lt h ed i s t o r t i o no ft h es o i li nt h ep i t ，e n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o na n d d e s i g n k e yw o r d s ：d e e p f o u n d a t i o n p i t s e t t l e m e n tc o n t r o l d o u b l ed e c ks t r u c t u r em o d e l c o u p l i n g c a l c u l a t i o n i i 第一章绪论 第一章绪论 随着国民经济和城市建设的迅速发展，近年来我国的城市化建设进入了一个 新的发展时期，城市的数量、规模以及城市人口都有了巨大的增长。同时作为城 市化的产物之一高层建筑不仅在数量上越来越多，而且在高度上也越来越 高，这使得相应的基坑工程向大、深的趋势发展，成为岩土工程界关注的热点之 一。由于基坑是一项融结构设计与岩土工程为一体，具有技术复杂、综合性强等 特点的工程，故而产生了许多问题，甚至发生严重的工程事故，造成重大经济损 失和恶劣的社会影响。同时通过对成功和失败的工程实践总结和分析，也积累了 丰富的经验，促进了基坑工程理论的发展。 基坑的开挖势必引起基坑周围土体内地下水位的变化和应力场的改变而导 致周围土体的变形，基坑工程对周围环境不可避免地产生不同程度的影响。基坑 工程环境效应总的来说包括维护结构、工程桩施工、降低地下水位、土方开挖等 对周围环境的影响，主要表现在以下几个方面“3 ： 1 基坑开挖引起维护结构变形及降低地下水造成基坑四周地面产生沉降、不 均匀沉降和水平位移，导致影响相临建筑物及市政管线正常使用，甚至破坏。 2 维护结构和工程桩若采用挤土桩或部分挤土桩，挤土效应将对临近建筑物 及市政管线产生不良影响。 3 基坑开挖土方运输可能对周围交通运输产生不良影响。 4 视施工机械和工艺情况可能对周围环境产生施工噪音污染和环境卫生污 染，如泥浆处理不当引起。 5 因设计、施工不当或其它原因造成维护体系破坏，导致相临建筑物及市政 管线破坏。 只要合理设计、正确施工、实时监测、信息化施工，维护体系破坏是可以避 免的：对噪音和环境卫生污染，交通运输影响采取适当措旋均可以减小到一定程 度。 采用合理的施工顺序、施工速度可以减少挤土桩和部分挤土桩的挤土效应， 申请硕上学位论文 必要时还可以通过在周围采取钻孔取土、设置沙井等措施减少挤土效应对周围环 境造成的不良影响。 而由基坑开挖引起的维护结构变形及降低地下水造成基坑周围地面产生沉 降、不均匀沉降、变形及水平位移是基坑工程环境效应的主要方面。 在基坑开挖施工时需要干作业环境，而基坑底板往往在地下水位以下，解决 的方法多种多样，可分为集水明排、降水、截、堵防渗。另外，如果基坑工程中 地下水处理控制不当不仅会导致坑内大量集水威胁基坑的稳定，还可能会造成坑 底冒水、流沙、突涌及潜蚀等。地下水控制方法中以集水明排最经济，但适用的 条件非常有限，仅限于水深度小、水量不大的上层滞水或潜水。 截、堵防渗法适用条件广泛，形式多样，包括周边落底式隔水帷幕、单面或 几面隔水等。但该种方法有以下几种问题：对于采用桩封堵的，由于孔深较大， 孔与孔之间的搭接较难达到设计标准，地下水会向基坑渗漏：施工周期长； 费用极其昂贵，特别是封底隔水帷幕；在基坑底下有承压水且水头较高时，为 保证基坑底板的安全，在采用隔水帷幕的同时还是要降低地下水位，如上海和武 汉的地层中都有较高的承压水头，往往需要采用深井降低承压水水头。所以截、 堵防渗法的合理性、有效性和实用性值得三思。 井点降水法却具有既经济又实用的优点，且降水旖工技术成熟、简单，广泛 为人们所接受。另外降水有利于提高土体的强度；可以减少坑内地下水的浮托力； 还可以降低作用于支护结构上的主动土压力( 静水压力) ，钱征等人对某工程基 坑研究后发现，降水后的支护结构的弯矩和支撑力分别为不降水的5 5 $ u5 6 ， 降水效果非常明显”1 。因此基坑降水既方便施工又加强基坑的安全与稳定性。 1 2 基坑降水研究现状 基坑降水技术早在1 8 9 6 年德国建造柏林地下铁道时就开始采用。随后世界 各国在建水坝、水电站泵站、隧道、高层建筑的地下室、市政工程等工程中分别 采用了不同的降水方法。 在我国，井点降水方法是新中国成立后才逐步发展起来的，早在五、六十年 代，在东北重工业基地建设、鞍山钢铁公司、包头钢铁公司、太原钢铁公司等重 大工程项目建设中，采用了轻型井点、喷射井点降水取得良好的降水效果。我国 2 第一章绪论 沿海一带如上海、天津、广州等地先后广泛地应用管井降水并取得成功。进入二 十世纪八十年代以后，建筑与市政工程迅速发展，特别是高层建筑发展非常快， 这些高层建筑都有一至二层地下室，个别的有三层地下室，这些地下室的基坑开 挖都需要进行基坑降水，极大地促进了基坑降水技术的发展。 1 2 ，1 基坑降水的基本方法 通过总结前人的经验与广大工程技术人员的实践，基坑降水方法除了集水明 排方法外，目前仅井点降水技术方法就有很多。集水明排适用于不易产生流砂、 流土、潜蚀、管涌、掏空、塌陷等现象的粘性土、砂土、碎石土的地层。而常用 的井点降水法有：真空( 轻型) 井点、喷射井点、电渗井点、管井、辐射井( 水 平并点) 及引渗井、大口并等。各种降水方法各有特点，其适用范围如表i ，1 所 示“。 表1 t 降水技术方法适用范围 水文地质 方法名称土类渗透系数( m d )降水深度( m ) 特征 明排井( 沟)粘性土、砂土( 0 5 2上层滞水或 真空井点填土、糟土、粘性、单级 6 ，多级( 2 0水量不大韵 0 1 2 0 0 喷射井点 砂土 2 0潜水 电渗井点粉土、粘性土 5 含水丰富的 可溶岩、破碎带 潜水、承压 辐射井粘性土、砂土 0 1 0 ，0( 2 0 水、裂隙水 大口井 砂土、碎石土2 0 o 2 0 0 0 ( 2 0 潜埋井粘性土、砂土、沙砾 o 1 2 0 0 0 ，( z ，y ) - - o o ( 3 8 ) ( x ，y ，r ) = q ，r 0 ，( x ，y ) ( x o ，y o ) ( 3 9 ) 吣川= 篇nf 0 一川d ( 3 1 0 ) 式中：k 承压层渗透系数( m d ) ；m 承压层厚度( m ) ；卜承压层地下水 头( m ) ；国承压层单位时间单位面积的垂直补给量( m d ) ；a 承压层贮 水系数，在无压情况下为给水度；t 时间( d ) ：d _ - 研究的区域范围；h 。一 一为天然地下水头( m ) ；q 一降水井流量( m 3 o ) ；h 潜水层地下水头( m ) ；k 潜水层渗透系数( m d ) 。 对于上层潜水流地下水运动的控制方程为 篇胜卢百a h m 吣川ed(311) 对应定解条件为 初始条件h ( x ，y ，) = h o ，t = 0 ，( x ，y ) d ( 3 1 2 ) 申请硕士学位论文 h ( x ，y ，) = 砜，f = 0 ，( x ，y ) d ( 3 1 3 ) 边界条件h ( x ，y ，f ) = h o ， 0 ，( x ，y ) - - - 。 ( 3 1 4 ) h ( x ，y ，f ) = h o ，t 0 ，( x ，y ) _ 。 ( 3 1 5 ) 式中：上层潜水饱水层给水度。 3 3 2 3 有限元法原理 有限单元法( f e m ) 是适应电子计算机技术而发展起来的一种比较新颖和有 效的数值分析方法。其基本思想是离散化的观点，也就是说，把整个求算区域离 散成为有限个分段( 子域) ，而每一分段内运用变分法，即利用与原问题中微分 方程等价的变分原理，使原问题的微分方程组退化到代数联立方程组，从而使问 题归结为解线性方程组，由此得到数值解。有限元法现已广泛应用于许多工程问 题的数值分析和研究中，并且由于它的高精度、灵活易用及适用面广等优点，已 经成为一种强有力的数值分析工具。具体到水文地质问题中，也就是通过区域剖 分和插值方法将描述地下水流动的定解问题化为代数方程组求解。建立有限元方 程的依据不同，又分为迦辽金有限单元法和里兹法。单元的形状也有多种，如三 角形、四边形等。 3 3 2 4 计算步骤 1 根据定解问题，将求解的区域进行单元剖分( 本文用三角元) ； 2 确定各节点的编号及坐标，求出每个单元的形状系数； 3 分别计算各单元的系数矩阵 a 。、 b 。，并逐步累加，形成总系数矩阵 a 、 b ，代入边界条件，然后求解这一广义特征值问题。 3 3 3 解析法 3 3 3 1 概述 在简单的地质、水文地质条件和自然、工程边界条件下，深基坑降水的井点 的布设( 井距、井深、井径、滤水管设计或选用等) 是有科学理论依据和丰富的 工程实践经验的。 早在1 8 6 3 年j d u p u i t 就给出了地下水一维稳定流动和向水井的二维稳定流 第三章基坑降水预案设计与计算 动公式，即著名的d u p u i t 公式：1 9 3 5 年c v t h e i s 就提出了地下水向承压含 水层完整水井的非稳定井流公式，即著名的t h e i s 公式。“。d u p u i t 公式、t h e i s 公式及其各种各样的推广和简化解析式尽管只适合于理想、简单几何边界条件下 的均质各向同性的含水层，但由于这些公式形式简单、使用方便、概念清楚，至 今仍然被广泛应用于含水层水文地质参数的确定和降水方案的论证之中。 3 3 3 2 基于稳定井流理论的解析法 考虑到上层饱水层实际渗透性较下层小得多，近似为不透水层，下层视为承 压含水层，单一完整井稳定流d u p u i t 公式为 5 ：打。一日：里一1 n 墨 ( 3 1 6 ) ” 2 m o k ， 式中：k 承压含水层渗透系数( m d ) ：m 承压含水层厚度( i i 】) ；r 距抽 水井的径向距离( m ) ：s 距抽水井r 处的地下水头的降深( m ) ；h 。天然地 下水头( m ) ；h 距抽水井r 处的地下水头( m ) ；r 承压含水层抽水井的影响 半径( i n ) ；卜抽水井的流量( m 3 d ) 。 在相互影响的井群作用下，根据势叠加原理，任意一点的水位计算的d u p u i t 公式为 脚，= h o - 喜蒜i n 笋 ：日一j l l n 墨：( 3 1 7 ) 。2 ，r k m ，2 式中：= o 一一) 2 + ( y - y ，) 2 ，( x ，y ) 距坐标原点径向距离为r 的考察点所 在的位置，( x 。弘) 第i 口干扰井所在的位置，n 一井群总数。 若考虑上部越流补给，则在相互影响的井群作用下，根据势叠加原理，任意 一点的水位为 肌m 0 一喜啬i n 半 慨 式中：b 越流因素( m ) 。 若降水后，水头降至承压含水层隔水顶板以下，则在无压区有 申请硕士学位论文 争一q1 n 墨 智艇 3 3 3 3 基于非稳定井流理论的解析法 ( 3 i 9 ) 与稳定井流方法相似，考虑到上层饱水层实际渗透性较下层小得多，近似为 不透水层，下层视为承压含水层，单一完整井非稳定流t h e i s 公式为 其中 h ( ，) = 日。一i 岛矿 ) 帅，= f 方“= 淼 其近似j a c o b 表达式为 蚶= 风一晋t s 警 ( 3 2 0 ) ( 3 2 1 ) 在相互影响的井群作用下，根据势叠加原理，任意一点的水位计算的j a c o b 公式为 其中 坶力砜一冒号0 脚1 8 3 q l g 警，_ j 1 ， = 风一等喜培警 = 瓜j 了丽i 了 ( 3 2 2 ) 若考虑上部越流补给，则在相互影响的井群作用下，根据势叠加原理，任意 一点的水位为 其中 肿) = h o 一喜志脚，争1 1 日( ，) = 一若岳形( “，争 f z lw h 脚，分睁一嚆砂“象 ( 3 2 3 ) 第三章基坑降水预案设计与计算 3 4 预案计算模式与成果 3 4 1 双层结构有限元计算 据润扬长江公路大桥南锚碇场区实际水文地质条件可知，整体上饱水介质具 有明显的双层结构特点，微透水的第一饱水土层和中等透水的第二饱水土层其渗 透性远小于强透水的第三饱水土层。因此，第一饱水土层和第二饱水土层整体上 可视为上部潜水层，尽管其透水性微弱，无论是对于抽水，还是注水的流量问题 意义不大，但对于预测和控制由于井群大降水可能引起的基坑周边地面沉陷、开 裂、地基土层扰动等不良现象意义重大，不可忽略。第三饱水土层可视为下部承 压含水层。第四饱水岩层，一方面由于其透水性整体上远小于第三饱水土层，另 一方面其地下水运动无论是对于降水方案的整体效果，还是对预测和控制井群大 降水引起的基坑周边地面沉陷、开裂、地基土层扰动等不良现象等意义都不大， 因此整体上可视为相对隔水层。 根据研究区含水层水文地质特征，计算范围选取是以基坑中心为圆心、半径 为6 0 0 0 m 的区域，双层结构饱水层采用三角形单元割分，每层剖分成1 7 3 6 个节 点，3 4 0 0 个单元( 如图3 4 、3 5 ) 。这样研究区节点总数为3 4 7 2 ，单元总数为6 8 0 0 。 图3 4研究区单层平面剖分图 图3 5 基坑局部单层平面剖分图 按照基坑边外侧约5 0 m 的周边线上布设2 8 眼井，井间距离1 0 o 1 1 0 m ( 如 图3 1 ) 方案。设上层潜水层厚h m = 1 8 0 m ，渗透系数k ，= o 0 0 0 4 3 2 m d ，给水度 u k o 0 1 ：下层承压含水层厚h m = 1 0 0 m ，渗透系数k = 2 5 m d ，贮水系数 申请项士学位论文 1 = 0 0 0 0 8 ，给水度卢= 0 4 9 ，抽水前上层潜水层和下层承压含水层水位相同 h o = 0 0 m ，抽水后外边界水位始终h b = 0 0 m 不变，每口抽水井以流量q = 6 0 0 m 3 d 抽水。如果以o 0 m 高程为基准面，x ，y 为平面直角坐标，以有限元法计算抽水 后的水头分布。上层潜水层沿x 轴向，不同时间水头降深分布如图3 6 所示。下 层承压含水层沿x 轴向，不同时间水头分布如图3 7 所示。 从图3 6 看出，上层潜水层沿x 轴向，同一时间水头降深随着x 的增大而减 小。在降水的初期( 降水1 5 天内) ，上层潜水层同一时间水头降深随着x 增大而 减小的变化幅度不是很大，持续降水5 0 天后，上层潜水层水头降深随着x 增大 而减小的变化幅度较大，且基坑外1 0 0 m 范围内的平均水头降深远大于坑外1 0 0 m 范围外的平均水头降深值。 1 00 0 80 0 60 0 oo o 00 02 0 00 04 0 00 06 0 00 0 x ( m ) 图3 6 沿x 轴向上层潜水层不同时间水头降深分布图 从图3 7 看出，下层承压含水层沿x 轴向，同一时间水头随着x 的增大而增 大。在降水的初期( 降水1 5 天内) ，下层承压含水层水头随时阔下降的速率较大， 降水1 5 天后水头随时间变化不明显，表明整体降落漏斗几乎处于稳定状态。基 第三章基坑降水预案设计与计算 坑底部水位均在一2 7 o m 以下，满足施工设计要求。 一 e 一 工 00 0 00 02 0 00 04 0 00 06 0 00 0 x ( m ) 图3 7沿x 轴向下层承压含水层不同时间水头分布图 从图3 6 和图3 7 比较可以看出。上层潜水层同一时间水头降深是随着下层 承压含水层的水头减小而增大的，但上层潜水层降深扩展的速度明显地迟后于下 层承压含水层的水头下降速度。在降水的初期( 降水1 5 天内) ，上层潜水层降深 随着时间变化的幅度较为缓慢，持续降水5 0 天后，上层潜水层降深随时间变化 的幅度明显增大。恰恰相反，在降水的初期( 降水1 5 天内) ，下层承压含水层水 头随时间下降的幅度最大，持续降水5 0 天后，下层承压含水层水头随时间下降 的速率趋缓，直至趋于稳定。 造成上述现象的内在原因有两个方面：其一，由于降水井设置在下层承压含 水层中，开始降水首先在下层承压含水层形成水头下降，并迅速发展，而上层潜 水层是在其水头与下层承压含水层水头形成差值时，才发生上层潜水层地下水向 下层承压含水层流动，从而导致上层潜水层水头下降，形成一定的降深，所以上 层潜水层降深扩展的速度迟后于下层承压含水层的水头下降速度。其二，由于上 层潜水层渗透性远小于下层承压含水层，在较小的水头差作用下，上层潜水层内 申请硕士学位论文 地下水运动缓慢，降水的初期当下层承压含水层水头与上层潜水层水头出现差值 没有达到足够大时，上层潜水层水头下降迟慢，只有当下层承压含水层水头与上 层潜水层水头差值足够大时，上层潜水层水头才趋于显著。因此，总体上上层潜 水层降深扩展的速度表现出明显地迟后于下层承压含水层的水头的下降速度。 34 2 解析法计算 3 。4 2 1 稳定流解析法计算 按照基坑边外侧约5 0 m 的周边线上分别布设2 8 眼、1 8 眼、1 4 眼井，相应 井间距离分别为1 0 o 1 1 ，0 m 、1 5 ，o 1 6 0 m 、2 0 o 2 1 0 m 方案。考虑到上层饱 水层实际渗透性较下层小得多，近似为不透水层，下层视为承压含水层，在相互 影响的井群作用下，根据势叠加原理，任意一点的水位在承压区按公式( 3 1 7 ) 计 算，而在无压区按公式( 3 1 9 ) 计算。 设下层承压含水层厚h m = 1 0 0 m ，渗透系数k = 2 5 m d ，抽水前下层承压含 水层水位h o = 0 o m ，影响半径r = 5 0 0 o m ，每口抽水井以流量q = 1 0 0 0 m 3 d 抽水。 经稳定流解析法计算不同布井数情况下沿x 轴向承压含水层水头分布如图3 8 。 从图中明显地反映出，在单井流量相同的情况下，井数越多，井间距越小，越有 利于基坑降水，基坑范围内的承压含水层水头分布也就越低。 4 0o o o 0 02 0 0 4 0 0 8 0 0 0 0 x ( m ) 图3 8 井数对承压含水层水头分布的影响 第三章基坑降水预案设计与计算 3 4 2 2 非稳定流解析法计算 按照基坑边外侧约5 0 m 的周边线上布设2 8 眼