深基坑边降水边开挖的变形特性研究

论文摘要

在地下水位较高的地区进行深基坑施工时,必须在开挖之前进行降水,控制地下水位便于施工并保证基坑的稳定性。深基坑的降水、开挖、支护,改变了土体中原有的渗流场和应力场,两者共同作用,影响基坑的变形与受力情况。实践表明,基坑降水对基坑变形有较大影响,但目前的深基坑研究中大都只单独分析基坑降水的渗流问题或基坑开挖的变形问题,不能真实的反应深基坑的变形特性。对深基坑边降水边开挖的全过程进行分析,并对土体和围护结构的变形特性进行分析具有现实意义。基于Biot固结理论并应用有限元软件,提出了考虑流固耦合的基坑计算方法。运用基坑降水开挖的基本算例分别介绍了流固耦合的稳态分析和瞬态分析两种方法。通过瞬态分析法的参数研究发现:水位降深随井点数和流量荷载的增加呈线性增长,随着土层渗透系数的增大而减小;土层渗透系数越大,达到降水要求所需的流量荷载也越大,渗透系数越小,地下水渗流越早稳定,水位降深达到降深要求所需的时间越短。将稳态分析的流固耦合有限元模型应用于上海世博500kV地下变电站基坑计算中。通过对深基坑变形特性研究发现,降水期间土体均产生向下的沉降,开挖期间坑内土体向上回弹,坑外土体向下沉降。该工程采用坑内降水的方法,基坑降水开挖引起的坑外土体变形较小。通过计算值与实测值的对比验证了稳态分析方法在此类降水情况较简单的基坑工程计算中的合理性和正确性。将瞬态分析的流固耦合有限元模型应用于上海虹桥枢纽多级梯次基坑计算中,参照设计方案,对降水、开挖、支护等一系列工况进行模拟。该工程采用多级梯次围护和降水方案,坑内外降水相结合,采用设定单井流量荷载和降水时间的方法实现基坑降水。通过对基坑降水开挖过程中土体变形和孔压的分析发现,降水开挖对周边环境和围护结构的影响较大,基坑变形是渗流场和应力场共同作用的结果。通过计算结果和现场实测数据的对比,验证了瞬态分析方法在此类复杂基坑计算中的合理性和正确性,具有一定的理论意义和实用价值。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 深基坑降水技术研究现状
• 1.2.2 深基坑渗流问题研究现状
• 1.2.3 深基坑开挖研究现状
• 1.2.4 深基坑工程流固耦合分析现状
• 1.3 本文研究内容
• 第二章 基坑工程流固耦合有限元分析
• 2.1 引言
• 2.2 有限元基本理论
• 2.3 流固耦合分析理论
• 2.3.1 二维非稳定渗流方程
• 2.3.2 Biot 固结理论
• 2.4 ABAQUS 中基坑的流固耦合分析
• 2.4.1 ABAQUS 中流固耦合分析的理论模型
• 2.4.2 ABAQUS 中流固耦合分析的几个关键问题
• 2.5 基本算例
• 2.5.1 基本假定
• 2.5.2 基本模型与计算参数
• 2.5.3 基于稳态分析的有限元模型
• 2.5.4 基于瞬态分析的有限元模型
• 2.5.5 参数分析
• 2.6 本章小结
• 第三章 稳态分析方法的工程应用
• 3.1 工程概况
• 3.1.1 工程背景
• 3.1.2 工程地质条件
• 3.1.3 水文地质条件
• 3.2 分析方法
• 3.3 抽水试验反分析
• 3.3.1 抽水试验概况
• 3.3.2 抽水试验数值模拟
• 3.4 基坑降水开挖稳态分析
• 3.4.1 有限元模型
• 3.4.2 计算步骤
• 3.4.3 计算结果
• 3.5 本章小结
• 第四章 瞬态分析方法的工程应用
• 4.1 工程概况
• 4.1.1 工程背景
• 4.1.2 工程地质条件
• 4.1.3 水文地质条件
• 4.2 分析方法
• 4.3 抽水试验反分析
• 4.3.1 抽水试验概况
• 4.3.2 抽水试验数值模拟
• 4.4 大面积多级梯次降水开挖稳态分析
• 4.4.1 有限元模型
• 4.4.2 计算步骤
• 4.4.3 计算结果
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 主要结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文