2023年滲流場耦合降水支護(hù)結(jié)構(gòu)

PAGEPAGE8滲流場耦合降水支護(hù)結(jié)構(gòu)深基坑工程中，降水和支護(hù)系統(tǒng)的研究日趨受到普遍的關(guān)注，尤其是沿海地區(qū)，例如長江三角洲第四紀(jì)松散沉積層地區(qū)［1］。深基坑降水過程實(shí)際是滲流場和應(yīng)力場相互耦合的過程，關(guān)于土體和流體相互作用的研究最早見于太沙基對(duì)地面沉降的研究，提出了著名的有效應(yīng)力原理，并建立了一維固結(jié)模型，之后比奧在此根底上建立了較為完善的三維固結(jié)理論，Verrujit進(jìn)一步開展了多相飽和滲流與孔隙介質(zhì)耦合的理論模型，在連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的系統(tǒng)框架內(nèi)建立了Euler型多相流體運(yùn)移和變形孔隙介質(zhì)耦合問題的理論模型［2］。基于上述根本理論，目前關(guān)于深基坑降水過程提出了許多計(jì)算模型，主要有水土分算模型、局部耦合模型和基于比奧固結(jié)理論的全耦合模型［2］。比奧固結(jié)理論從較嚴(yán)格的固結(jié)機(jī)制出發(fā)推導(dǎo)了準(zhǔn)確反映孔隙水壓力消散與土骨架變形相互關(guān)系的三維固結(jié)方程，運(yùn)用基于比奧固結(jié)理論可將滲流模型與土力學(xué)分析模型有機(jī)的結(jié)合起來，對(duì)基坑降水進(jìn)行滲流與應(yīng)力耦合的分析。然而深基坑在降水作用下支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的位移研究由于受到土質(zhì)條件、基坑深度、周邊環(huán)境、施工方法和支護(hù)結(jié)構(gòu)體系參數(shù)等因素的影響，理論與應(yīng)用無法同步，工程應(yīng)用也尚不明確，故大多數(shù)工程中均未考慮深基坑降水作用下支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移問題，從而引起了許多工程事故。1水土全耦合模型假定飽和土體中土骨架變形為線彈性和微小變形、地下水滲流符合達(dá)西定律，且不可壓縮或微壓縮，取以x、y為同一水平面的直角坐標(biāo)系，z方向向上為正，那么三維比奧固結(jié)方程如下［3～7］:式中:G為剪切模量，ν為泊松比，wx、wy、wz分別為x、y、z方向上的位移分量，u為孔隙水壓力，kx、ky、kz分別為x、y、z方向上的滲透系數(shù)，γ為土的重度，γw為水的重度，Ω為研究區(qū)域。1.1定解條件1.1.1初始條件地應(yīng)力初始條件:采用土體的自重應(yīng)力估算土體的初始應(yīng)力:1.1.2邊界條件孔隙水壓力邊界條件Γ:屬于混合邊界，式中μ為土體給水度，θ為自由面外法線方向與垂線的交角，q為通過自由面邊界Γ3的單位面積流量。2摩爾-庫侖線性模型彈塑性摩爾-庫侖模型包括5個(gè)參數(shù)，表示土體彈性的楊氏模量E和泊松比ν，表示土體塑性的內(nèi)摩擦角φ和黏聚力c，以及剪脹角ψ。摩爾-庫侖模型描述了對(duì)巖土行為的一種“一階〞近似。摩爾-庫侖的屈服條件為如下形式［8］:式中:I1為應(yīng)力張量第一不變量;J2為應(yīng)力偏量第二不變量;θ為洛德角;C、φ為土的強(qiáng)度參數(shù)。對(duì)于非飽和土體，孔隙水壓力uw=Sγwh，聯(lián)立土體平衡方程及廣義有效應(yīng)力原理，那么得到應(yīng)力場控制方程為3工程實(shí)例3.1工程概況擬建工程良志嘉年華二期工程位于蘭州市城關(guān)區(qū)內(nèi)，基坑開挖深度約15m，基坑周長約為820m，面積約為32025m2，地下室設(shè)地下車庫。針對(duì)現(xiàn)場的實(shí)際情況，基坑采用單級(jí)復(fù)合土釘墻的支護(hù)措施;在此工程中，共計(jì)10排，其中第二排和第三排為預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)，其余均為土釘支護(hù)，土釘及錨桿水平間距1.1m，傾角均為10°，基坑圍護(hù)平面布置圖如圖1所示，基坑剖面圖如圖2所示。基坑所處地層復(fù)雜，簡化其三層，分別為雜填土、卵石層及強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，其物理力學(xué)特性如表1所示，地下水屬潛水類型，主要含水層為卵石層，水位埋深約為7.24m。3.2計(jì)算模型本文采用大型通用巖土工程有限元軟件PLAXIS對(duì)復(fù)合土釘支護(hù)進(jìn)行分析，該程序廣泛用于巖土工程的應(yīng)力-應(yīng)變、滲流分析及固結(jié)分析等領(lǐng)域。土體采用Mohr-Coulomb理想彈塑性模型;土釘采用土工柵格單元，此單元是具有軸向剛度而無彎曲剛度的細(xì)長形結(jié)構(gòu);錨桿自由段采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)錨桿單元，它具有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，此單元既可以承受拉力也可以受壓;錨桿錨固段采用與土釘類似的單元;土體與結(jié)構(gòu)物之間的界面用界面單元來處理，通過給界面選取適宜的界面強(qiáng)度折減因子來模擬土體強(qiáng)度與界面強(qiáng)度之間的關(guān)系，本文中按照土體強(qiáng)度參數(shù)折減65%而獲得。水壓通過指定地下水頭利用潛水位來生成水壓。3.3數(shù)值模擬結(jié)果與分析本工程的數(shù)值模擬主要為比擬在有降水作用下和未考慮地下水兩種情況下的支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的位移，為此，首先進(jìn)行了在未考慮地下水條件下的模擬，即不考慮孔隙水壓，地下水位線默認(rèn)為基坑底部。其次依據(jù)實(shí)際工程的地下水位線－7.24m，進(jìn)行了數(shù)值模擬，以便找到降水作用對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)體系位移的影響。依工程的特殊性和設(shè)計(jì)要求，共分為10施工步，即每一排錨桿或土釘定義為一個(gè)施工步。3.3.1整體位移場的分析圖5分別給出了未考慮地下水作用和考慮降水作用基坑的總位移云圖。由圖可見，在未考慮地下水對(duì)基坑總位移的影響時(shí)，坑后的位移很小，約為20～25mm。并且在卵石層位置處總位移更小。在考慮了降水作用的影響時(shí)，由結(jié)果顯示，極大的增加了坑后的總位移，約為22.5mm～37.5mm，這也不難解釋，眾所周知，土由土顆粒、水和氣三相組成，現(xiàn)由于降水的作用，減小了水所占的體積，宏觀表現(xiàn)為坑后土體的位移量增大。3.3.2側(cè)向水平位移的分析圖6分別給出了未考慮地下水作用和考慮降水作用基坑的水平位移云圖。由圖可見，未考慮地下水作用時(shí)，對(duì)基坑的水平位移影響較小，約為23.45mm，從圖6(a)可見，水平位移最大值發(fā)生在第4排和第5排土釘處，且在基坑底角部有較小的影響區(qū)，坑后土體的水平位移很小。而考慮了降水作用影響時(shí)，水平位移最大值為30.33mm，從圖6(b)可見，水平位移發(fā)生在第3、4和5排處，且水平位移的影響區(qū)有了很大的增加，尤其是在基坑底部處，坑后的水平位移影響區(qū)約40m?？梢娊邓饔脤?duì)基坑的水平位移的影響不可忽略。給出了隨著基坑深度的增加，基坑坡面水平位移的變化曲線，由圖可見，未考慮地下水作用時(shí)，基坑坡面的水平位移較小，約為23.45mm，而當(dāng)考慮了降水作用影響時(shí)，基坑坡面的水平位移明顯增加，約為30.33mm，從圖中還可以看出，土質(zhì)對(duì)水平位移影響也較大，圖中在卵石層部位出現(xiàn)了拐點(diǎn)，然后水平位移變化趨勢相比照擬平緩。3.3.3豎向位移的分析圖8分別給出了未考慮地下水作用和考慮降水作用影響時(shí)的基坑豎向位移云圖，由圖8(a)可以看出，基坑底面隆起量較大，而坑后的沉降較小，僅僅在地表荷載作用的范圍內(nèi)有所沉降，約為22.0mm，超出地表荷載之外沉降甚小，而由圖8(b)所示，基坑頂面整體有所沉降，在地表荷載作用范圍內(nèi)較大，約為28.16mm，這也是由降水引起的緣故。而考慮降水作用影響時(shí)隆起量較小，這是因?yàn)槁∑鹆恳痪植渴切遁d土體之后引起的基坑底面土體的回彈，當(dāng)存在降水作用時(shí)，水所占據(jù)的體積不會(huì)發(fā)生回彈，回彈量只能由土體來承當(dāng)，所以未考慮地下水作用影響時(shí)基坑底面的隆起量比考慮降水作用時(shí)的隆起量大。3.3.4土釘?shù)目偽灰品治鰣D10給出了各排土釘最大的總位移隨基坑深度的增加變化曲線，圖11和圖12分別給出了各排土釘最大水平位移和豎向位移變化曲線，由圖10可以看出，考慮降水作用影響時(shí)的土釘?shù)目偽灰票任纯紤]地下水時(shí)的總位移明顯增大，尤其是2～4排的土釘，總位移量幾乎增加了一倍左右，主要原因是此部位剛好處在卵石層部位，卵石層是主要的含水層，并具有較大的滲透系數(shù)，基于此，對(duì)土釘?shù)恼辰Y(jié)強(qiáng)度影響較小，圖11和圖12分別也反映出降水作用對(duì)土釘水平位移和豎向位移的影響，各排土釘?shù)奈灰屏孔兓厔莞疽恢隆Ｓ纱丝磥斫邓饔脤?duì)土釘總位移的影響不可忽略。4結(jié)論基于以上的分析研究，全面反映了在考慮降水作用和未考慮地下水作用兩種情況下復(fù)合土釘柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)體系位移的變化規(guī)律。研究得到如下的結(jié)論:(1)在考慮了降水作用時(shí)，基坑的總位移不僅僅包括滑動(dòng)面內(nèi)土體的位移，還包括坑后由于降水引起的位移，并且此位移不可忽略。(2)支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的位移不僅僅與降水措施、地下水埋藏的類型等因素有關(guān)，還與土質(zhì)狀況有關(guān)，在本文中，雜填土和卵石有很大的區(qū)別。(3)在降水作用下，引起支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移比豎向位移大，且引起的豎向位移能有效的減小基坑底面的隆起量。以上由搜集整理，更多關(guān)于“滲流場耦合降水支護(hù)結(jié)構(gòu)〞等建筑方面知識(shí)可以關(guān)注行業(yè)欄目。內(nèi)容總結(jié)

〔1〕滲流場耦合降水支護(hù)結(jié)構(gòu)

深基坑工程中，降水和支護(hù)系統(tǒng)的研究日趨受到普遍的關(guān)注，尤其是沿海地區(qū)，例如長江三角洲第四紀(jì)松散沉積層地區(qū)［1］

〔2〕摩爾-庫侖的屈服條件為如下形式［8］:式中:I1為應(yīng)力張量第一不變量

〔3〕3.2計(jì)算模型本文采用大型通用巖土工程有限元軟件PLAXIS對(duì)復(fù)合土釘支護(hù)進(jìn)行分析，該程序廣泛用于巖土工程的應(yīng)力-應(yīng)變、滲流分析及固結(jié)分析等領(lǐng)域

內(nèi)容總結(jié)

（1）