基坑工程非稳定渗流场的有限元分析

论文摘要

改革开放30年以来,我国经济发展迅速,城市基础设施建设取得了飞跃发展。随着城市的数量和规模越来越大,为解决目前普遍存在的城市人口膨胀、交通拥挤等一系列环境问题,积极开发地下空间已成为一种发展方向。大型建筑基坑,纵横交错的地下轨道交通和车站,大型地下停车场,地下商场等在国内各大城市不断出现,而且基坑的深度和面积还呈现不断加深加大的趋势,有些深基坑的开挖深度已经超过40米。虽然各地的承压含水层埋深各不相同,但是有些地区基坑开挖已经深入到承压含水层中,基坑开挖深度内,部分承压含水层已经被疏干,所以基坑降水已经不再是对浅部潜水疏干降水的问题,为了防止下部承压水冲毁基坑底板造成突涌,还必须认真关注下部承压含水层的降压问题。本文针对现在基坑工程中出现的降水、降压问题主要做了以下的工作:一、通过大型岩土工程有限元软件GEO-SLOPE中的渗流模块SEEP/W建立模型来模拟基坑非稳定渗流场,分别研究在潜水含水层中进行基坑降水的过程中,随着基坑内外水位的不断变化,渗透系数各向异性、土的分层、地下水流向、帷幕存在缺陷,帷幕插入深度等因素对止水帷幕下断面的流量、流速分布等渗流基本物理量的影响。二、使用SEEP/W模块建立模型模拟当基坑底板距离承压含水层较近时,采用减压井降低承压水水头时,随着减压时间的增加,考虑上层潜水含水层对承压含水层存在越流补给的影响,分别研究土的渗透系数各向异性、不同的承压水水头、土的渗透系数、止水帷幕插入深度等因素对止水帷幕下断面的流量、最大流速等渗流基本物理量的影响。通过模拟分析得到以下结论:一、在基坑降水过程中,使用止水帷幕可以有效的减小流入基坑的水量,并且随着帷幕深度的增加,基坑周围地下水自由面下降高度不断减小,从而可以有效的减小周边土体由于地下水位的下降而导致的土中应力的变化,减小对周围环境的影响。二、当没有做成完整的止水帷幕时,防渗体局部失效引起渗流场突变,在帷幕缺陷处水的流速和水力梯度均较大,在此处容易发生土体的破坏并进而引起发展性渗透破坏。在基坑降水工程中要意识到帷幕完整的重要性,保证止水帷幕的施工质量。三、考虑渗透系数的各向异性影响,当土的水平向渗透系数较大时,在帷幕下断面处其流速分布较均匀,水头等势线竖向变化比较强烈;当土的竖向较大时,水头等势线竖向变化平缓,在远离基坑的位置基本接近于直线,并且随着竖向渗透系数的增大,沿帷幕两侧的水流速度逐渐增大。四、如在基坑降水过程中存在地下水初始流动的情况,在上游帷幕下断面的流量比下游帷幕下断面的流量要大,且当上下游水位差较大时,在基坑降水的初始阶段,有一部分地下水会通过下游帷幕下断面流出。且在降水过程中下游帷幕外侧的地下水自由面下降高度较多。五、在减压井降低承压水水头的过程中,随着止水帷幕在承压含水层中插入深度的增大,帷幕下断面的流量逐渐减小,较大流速分布在帷幕底与减压井井底之间的区域,帷幕插入深度的增加对基坑外侧潜水含水层的自由面高程影响不明显。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的意义
• 1.1.1 引言
• 1.1.2 深基坑渗流的特点
• 1.1.3 基坑工程中地下水的不良水文地质现象
• 1.1.4 选题的重要性
• 1.2 地下水渗流研究的发展概况及基本方法
• 1.2.1 地下水渗流研究的发展概况
• 1.2.2 地下水渗流研究的基本方法
• 1.3 基坑降水止水的基本方法及其作用
• 1.3.1 堵截法
• 1.3.2 降水法
• 1.3.3 基坑降水的作用
• 1.4 基坑工程中渗流场分析的现状与不足
• 1.5 本文所做的主要工作
• 第二章 渗流分析的基础理论
• 2.1 关于渗流的几个基本概念
• 2.1.1 多孔介质及其基本性质
• 2.1.2 渗流水头、水力梯度和渗流量
• 2.1.3 渗透系数及导水系数
• 2.2 渗流基本定律
• 2.2.1 达西定律
• 2.2.2 达西定律的适用范围
• 2.3 渗流连续性微分方程
• 2.4 渗流的基本微分方程
• 2.5 基本微分方程的定解条件
• 2.5.1 边界条件
• 2.5.2 初始条件
• 第三章 渗流问题的有限元求解及软件介绍
• 3.1 有限单元法概述
• 3.2 二维渗流有限元法
• 3.2.1 基本微分方程式
• 3.2.2 变分有限元法计算公式
• 3.3 GEO-SLOPE 软件介绍
• 3.3.1 SEEP/W 模块简介
• 3.3.2 SEEP/W 模块的特点
• 3.3.3 SEEP/W 程序模块
• 3.3.4 SEEP/W 与其它GEO-SLOPE 应用模块的结合使用
• 3.3.5 SEEP/W 建立分析模型过程及其注意事项
• 第四章 潜水含水层中基坑降水的模拟分析
• 4.1 概述
• 4.2 止水帷幕的影响
• 4.3 渗透系数各向异性的影响
• 4.3.1 竖向渗透系数较大时的影响
• 4.3.2 水平渗透系数较大时的影响
• 4.3.3 对比分析渗透系数各向异性的影响
• 4.4 渗透系数的影响
• 4.5 土的分层的影响
• 4.6 地下水流向的影响
• 4.7 潜水含水层厚度的影响
• 4.8 帷幕缺陷的影响
• 4.9 小结
• 第五章 减压井降低承压水水头的模拟分析
• 5.1 概述
• 5.2 各参量对降低承压水水头时基坑渗流场的影响
• 5.2.1 承压水水头的影响
• 5.2.2 潜水含水层渗透系数各向异性的影响
• 5.2.3 承压含水层渗透系数各向异性的影响
• 5.2.4 相对隔水层渗透系数各向异性的影响
• 5.2.5 承压含水层渗透系数的影响
• 5.2.6 止水帷幕插入深度的影响
• 5.3 小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 论文结论
• 6.1.1 潜水含水层中基坑降水情况
• 6.1.2 减压井降低承压水水头情况
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文