悬挂式止水帷幕室内模型试验研究

为了准确揭示设置悬挂式止水帷幕条件下基坑的控水规律,采用自行设计研制的模型试验箱开展了室内地下水渗流模型试验,研究帷幕插入深度对基坑内涌水量、降水影响半径、基坑外水位降深和地表沉降的影响.试验结果表明:以基坑内涌水量、基坑外水位降深和地面沉降为评价指标,帷幕插入深度在90~100cm之间,悬挂式止水帷幕的控水效果较好;以降水影响半径为评价指标,帷幕插入深度在80~90cm之间,悬挂式止水帷幕的控水效果较好;坑内与坑外水头损失占总水头损失的比值接近1∶1,帷幕底部小范围内的水头损失占比很小,受帷幕插入深度的影响也比较小.试验结果可为悬挂式止水帷幕的基坑降水设计提供参考依据.     

悬挂式止水帷幕基坑控水优化方法

基于地下水渗流连续性原理并结合达西定律,推导出了止水帷幕在不同插入深度下的圆形基坑涌水量计算公式.在此基础上,借鉴我国船舶工程中广泛采用的阻力系数法,提出了考虑悬挂式止水帷幕的地表沉降量计算方法.最后综合涌水量和地面沉降计算方法,以控水成本为目标,以基坑涌水量和坑外地面沉降量为约束条件,建立了一套完整的兼顾基坑设计安全性和经济性的悬挂式止水帷幕基坑控水设计优化方法,并以北京市通州区某工程场地为例,对所建立的控水优化方法进行了具体应用.     

流固耦合下隔水帷幕对深基坑的变形特性研究

本文以某软土区止水帷幕深基坑监测为背景，使用COMSOL Multiphysics对基坑分层建模并建立二维渗流-固结耦合模型，研究流固耦合模型在软土地区基坑数值模拟的可行性，基坑渗流模型的建模方法，并分析不同隔水帷幕建模方法对基坑水平位移及坑外地表沉降的影响.研究表明：COMSOL Multiphysics模拟基坑变形数值与实际监测数值较吻合，降水渗流作用对基坑变形具有很大影响.止水帷幕对于减少坑外水位下降和控制地表沉降有显著作用.设置隔水帷幕后，地面沉降量减小，而缺点是导致围护结构变形增大.最后模拟了不同深度隔水帷幕对坑外地表沉降的影响，认为隔水帷幕对坑外沉降改变量有先增大后减小的规律，深度过小或者过大对沉降量的控制效果不好.弱透水层交界处有沉降改变量的极大值，弱透水层处沉降量改变量有明显骤减.     

基坑开挖降水地表沉降计算

基于竖向渗流假定和有效应力原理研究了基坑开挖降水引起的坑内外土中应力变化及周围地表沉降计算方法,推导了竖向有效应力和沉降计算公式。分析表明,地面沉降的大小取决于坑外降水深度和坑内外水头差,也与土层的渗透性密切有关;加固坑底土层并使其渗透性降低能有效地减少坑外地表沉降。     

基坑降水效应的室内试验研究

为了研究墙井作用下基坑降水引起的水位变化,采用相似材料模拟弱透水层,并通过改变止水帷幕插入承压含水层深度与抽水井过滤段长度分析基坑降水引起的水位变化。研究结果表明:在基坑降水过程中,抽水井过滤段长度和止水帷幕插入承压含水层的深度都会影响到含水层的水位变化;坑内外观测井的水头差(Δh)随着止水帷幕插入含水层深度的增大而增大;抽水井过滤段长度与含水层厚度之比(l′)约为33%时,止水帷幕插入深度与含水层厚度之比(d′)大于73.0%,止水帷幕的挡水效果较好;Δh随着l′的增加而减小,当d′约为50%时,为发挥止水帷幕的挡水效果,Δl应小于63.0%。     

富水深基坑降水引起的地表沉降预测

随着城市轨道交通的发展,富水地区地铁深基坑降水引发的工程问题时有发生,引起广泛关注。传统算法计算地基沉降只考虑降水前后土体自重应力的变化。在此基础上进一步考虑渗流动水压力引起的有效应力变化和止水帷幕对土体沉降的约束影响,提出一种简化的计算降水引起基坑外地表沉降的方法。并结合实际工程对该方法进行验证。结果表明:考虑地下水渗透力的影响使降水后土体有效应力较不考虑渗流时增加5%左右,地下水渗流对土体有效应力的影响不可忽略。止水帷幕对土体沉降的约束影响在距支护结构1倍降水深度范围内,计算该范围内土体沉降需将止水帷幕影响考虑在内。同时考虑降水前后自重应力变化、渗透力影响、止水帷幕约束这三者的共同作用,得出的理论计算结果与实测值误差在12%以内,验证了计算方法的有效性。     

止水帷幕对开挖后降水引发深基坑渗流场变化的控制效果

利用室内模型与ABAQUS有限元软件分析潜水砂土基坑降水和开挖工况下止水帷幕插入深度对坑外水位降深的变形机理和规律。根据试验结果与数值模拟结果,对止水帷幕插入比和相应的基坑内外水头差进行拟合分析,并对Boltzmann拟合方程进行求导。结果表明:1)水头差Δh随着止水帷幕插入比d的增加而增加,Δh与d之间的关系符合Boltzmann拟合曲线,曲线可被划分为初始缓变、中期剧变和末期缓变三个阶段;2)室内试验与值模拟结果d有效值分别为80%、67.4%,对所得有效值d进行修正,修正系数为1.14;3)当插入比大于等于有效值时,墙体内外水头差较大,能有效发挥其阻水效果。     

富水圆砾地层局部止水帷幕作用下基坑开挖变形数值分析

富水地层中的基坑止水与降水是基坑工程的重难点,大量降水易造成地表不均匀沉降。本文依托甘肃省某基坑工程利用数值模拟和现场实测的方法,研究了富水圆砾地层下排桩-旋喷桩局部止水帷幕对基坑变形的影响。在验证模型计算准确性的基础上,分析了局部有无旋喷桩、旋喷桩嵌入深度对基坑渗流与变形的影响、传统与局部止水帷幕对限制基坑变形的差异。结果表明,排桩-旋喷桩局部止水帷幕可以延长地下水渗流路径,降低渗流速度,同时分担了部分土压力,对限制地表沉降和桩身水平位移都起到了积极的作用;旋喷桩嵌入深度越深止水效果越好,并能够限制地表沉降与桩身水平位移,但超过一定深度对限制地表沉降与桩身水平位移不明显;传统止水帷幕对限制地表沉降最好,但对限制桩身水平位移效果不明显。     

侧摩阻力约束下降水引起的地面沉降估算方法

将用于桩体负摩阻力分析的剪切位移法引入基坑降水引起的地面沉降计算中,研究了降水过程中止水帷幕与土体交界处的侧摩阻力对土体沉降的约束机制,以及侧摩阻力在土体中水平方向的传递规律,推导了侧摩阻力对土体沉降的约束位移,提出了考虑侧摩阻力影响的地面沉降量估算方法.实例分析结果表明：侧摩阻力对土体沉降的约束作用主要局限于距止水帷幕18 m的范围内;在土体与止水帷幕交界处,侧摩阻力对土体沉降的约束作用最显著;所提出的考虑侧摩阻力作用的地面沉降计算方法能够很好地预测降水期间地表沉降量的分布.     

基于随机介质理论基坑降水引起地表沉降计算

针对基坑降水引起周边土层沉降问题,考虑到土体重度的变化和渗流力的影响,提出了一种以随机介质理论计算地表沉降量的方法。利用降水漏斗曲线对降水周边土层进行划分,基于有效应力原理和固结理论分析了降水前后土体重度和渗流有效应力的变化及微小土单元体压缩量,并通过随机介质理论计算基坑周围地表沉降量。以某基坑降水施工为背景,结合理论分析表明:计算方法得到的地表沉降分布与实测值整体上较为接近,在1.5倍开挖深度范围内精度较高,同时降水引起地面沉降也较大,1倍开挖深度处地面沉降最大值,约为25.53 mm;基坑降水引起周围土体重度的变化是影响地面沉降得主要因素,渗流力影响仅为15%。研究内容可为估算基坑降水引起地表沉降量提供参考依据。     

悬挂式止水帷幕基坑降水开挖对临近高铁桥墩影响

当含水层深厚时,基坑工程中常采用悬挂式止水帷幕,此时止水帷幕深度对基坑降水开挖引起的周边地表和建筑物变形有着重要影响。为了研究不同止水帷幕深度条件下基坑降水开挖对临近高铁桥墩变形的影响,采用三维有限元软件,对苏州某地铁车站基坑降水开挖过程进行数值模拟。结果表明:随着止水帷幕深度增加,临近基坑的高架桥墩沉降量逐渐减小,当止水帷幕深度41、91 m时,距基坑42.5 m处的高铁高架桥墩沉降量分别为31.88、4.18 mm;在悬挂式止水帷幕条件下,止水帷幕深度大于91 m才能满足基坑降水对临近高铁桥墩的沉降控制要求(≤5 mm)。     

深基坑降水与地面沉降变形三维耦合数值模拟

以比奥固结理论为基础，考虑土体的非线性特征及土的渗透性随应力状态的动态变化，将地下水渗流场和土体应力场进行耦合，建立了深基坑降水与地面沉降变形的水土全耦合三维数学模型，并采用三维有限元数值分析方法，以上海市环球金融中心深基坑降水为例，模拟预测了基坑中心水位降至标高-23．4m时基坑周围地下水渗流场与地面沉降变形场的分布特征．结果表明，该模型稳定性好，收敛速度快，能模拟复杂三维地质体和整个基坑降水工程的结构。     

地铁车站不同工况减压降水对环境的影响

为了研究不同工况下基坑降水对周边地下水位变化和地表沉降的影响,采用"现场抽水试验—水文地质参数反演—数值模拟计算"的一体化手段,运用MIDAS/GTS数值分析软件,对苏州地铁4号线某车站基坑降水建立了三维有限元分析模型,模拟计算不同的降水方案设计下所产生的基坑外地下水位变化和地表沉降,并对其进行对比分析。结果表明,不同的降水施工工况对周围环境的影响大小不一,在进行降水设计时需对不同降水工况设计下的环境影响进行预测和评估,使降水对周围环境影响最小,以实现降水方案设计的最优化。     

富水地层深基坑施工诱发邻近建筑物变形分析： 以济南地铁R2线烈士陵园站深基坑为例

针对城市地铁车站深基坑开挖对邻近建筑物的影响，尤其是富水地层，深基坑施工会诱发邻近建筑物产生较大变形，严重危及既有建筑物正常使用。依托济南轨道交通R2线烈士陵园站深基坑工程，基于现场实测结果分析了围护桩体水平位移、地表沉降和建筑物沉降规律，采用三维数值计算与现场监测数据相互印证，分析了深基坑施工对邻近建筑物变形的影响，并探讨了不同因素对邻近建筑物变形的影响。结果表明：建筑物沉降是由坑外地表变形所造成的，基坑开挖和降水造成坑外建筑物沉降大致相当；减小钢支撑间距，能够降低建筑物的沉降和倾斜，但不宜过密；止水帷幕能够起到有效控制建筑物沉降的效果，随着止水帷幕深度增加到一定程度，控制效果降低。     

悬挂式止水帷幕深基坑分级降水开挖变形特性

在地下水丰富且发育有深厚的透水层的地区,考虑到施工难度以及经济性因素,深基坑的隔水设计往往采用悬挂式止水帷幕.基于佛山地铁某深基坑变形实测资料,采用ABAQUS建立三维流固耦合模型,考虑分级降水开挖的实际工况,研究开挖过程中悬挂式止水帷幕基坑的变形规律.结果 表明:地连墙变形在开挖的各个阶段均呈“中间变形量大,两侧变形量小”的鼓胀形.最大侧向位移点在开挖的各个阶段均位于开挖面附近,随开挖深度的增加呈下移趋势.地连墙墙顶位置容易朝着坑外发生变形.坑外地表沉降曲线呈“凹槽”形,随着开挖深度的增加,最大地表沉降点逐渐远离基坑.在基坑开挖过程中,软土层开挖扰动引起的地表沉降呈减小趋势,由坑内降水引起的地表沉降呈增加趋势,由降水引起的沉降可达总沉降量的一半以上.回灌前后坑外地表沉降分布规律基本一致,均呈“凹槽”形,采取回灌措施可在一定程度上控制悬挂式止水帷幕地表沉降变形.     

基于流固耦合效应的红砂岩地层深基坑围护结构变形特性分析

降水渗流引起的基坑变形问题十分复杂,采用流固耦合的数值方法,以兰州某地铁车站红砂岩深基坑为研究背景。对围护桩体水平位移、基坑内外土体竖向位移和水位变化进行现场监测,利用FLAC3D建立车站基坑降水开挖耦合模型,分析了围护结构的变形特性以及基坑内外土体竖向变形规律。结果表明围护桩体最大水平位移在0.5倍左右坑深处;基坑开挖对周围土体在0至2.5倍坑深范围内的沉降变形影响显著,最大沉降值发生在距离基坑边缘约0.55倍坑深;降水引起的基坑内外沉降随时间增加呈减小的趋势,降水与立柱桩联合作用使坑底隆起显著减小,基坑内外同时降水有利于解决红砂岩透水问题。考虑流固耦合的数值模拟与现场监测相结合预测兰州地区基坑变形更具科学性。