深基坑降水作用下遠場土層變形機理研究

《深基坑降水作用下遠場土層變形機理研究》是依託上海交通大學，由夏小和擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：深基坑降水作用下遠場土層變形機理研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：夏小和
• 依託單位：上海交通大學

項目摘要

大規模岩土工程活動已成為城市地面沉降的重要誘因，複雜地質條件下深基坑工程大面積降排水對地面沉降的加速作用日益突出。基坑臨時性降水的滲流變形不同步和止水帷幕的遮攔效應導致土層流固耦合作用複雜化，使得地面沉降的預測和控制更為困難。本項目針對深基坑引起的工程性地面沉降問題，採用模型試驗、現場測試和數值分析等方法研究基坑降水引起的遠場土層變形機理及分析方法。在研製室內降水模擬試驗系統的基礎上，通過模型試驗研究組合土層試樣在減壓降水作用下的變形回響特徵，確定合理的本構模型和參數；研究基於流固耦合理論的降排水數值模擬方法，結合模型試驗和現場測試，探討不同地層結構和止水形式下降排水的環境效應及其影響規律，揭示基坑降水過程中遠場土層受力變形和滲流回響機理，建立土層變形預測方法。研究成果對於闡明基坑降排水引起地面沉降災害及其控制機理具有重要意義，將為深基坑減壓降水引發地面沉降的防治措施研究提供理論基礎。

結題摘要

在富含地下水的地區進行地下空間開發時，需對地下水進行處理，特別是涉及承壓含水層時需進行減壓降水。降水會改變周邊土體的受力條件，影響土體的變形，給基坑的安全施工和環境保護提出新的難題。因此，研究深基坑中減壓降水引起的地下水滲流場及土體變形發展規律，並提出相應的環境保護措施具有重要意義。本項目針對沿海軟土地區基坑工程，採用模型試驗、現場測試和數值分析等方法，研究了深基坑減壓降排水引發土體變形與沉降機理。首先開展上海典型軟土室內試驗，獲得了典型土層的基本物理力學參數。採用改進的GDS三軸試驗儀對上海黏土土樣進行室內降壓回灌模擬試驗，研究降壓回灌的滲流作用對黏土滲透特性的影響規律。試驗通過設定圍壓和初始孔壓來控制土樣應力水平，利用反壓變化模擬孔隙水的降壓和回灌過程，測試土樣的滲流變化與變形，從而分析土樣孔隙比、滲透係數等參數的變化規律。基於典型土層變形室內試驗結果，推導出考慮降水影響的本構模型及參數，進一步提出了基於流固耦合理論的深基坑降水環境影響分析方法，開展了三維流固耦合數值分析，研究獲得了開挖降水耦合作用下地面沉降規律，揭示了基坑卸荷影響下減壓降水引起的坑外土體變形規律。研究發現，滲透係數在降壓階段因孔隙比減小而降低，並存在非線性關係；土體孔隙比在回灌階段逐漸增大，但滲透係數因堵塞效應而呈現進一步降低趨勢；可用e-lgk擬合曲線建立孔隙比與滲透係數之間的非線性關係。減壓降水會加劇坑外地表沉降，影響範圍超出了4倍最大開挖深度（簡稱為He）。卸荷影響下降水引起的地表沉降最大值出現在坑外2He處。坑外2He以外區域，降水引起地表沉降的分布與承壓含水層水頭降低分布特徵一致；坑外2He以內區域，地表沉降分布與水頭降低分布差異顯著。卸荷影響下降水引起的地表沉降主要為承壓含水層的壓縮變形，同時，由於牆土相互作用和卸荷效應的影響，上覆土層在坑外2He內出現了膨脹變形。根據上述研究，提出深基坑施工中減壓降水引起坑外地表沉降的分布模式。研究成果闡明了基坑降排水引起地面沉降災害及其控制機理具有重要意義，為深基坑減壓降水引發地面沉降的防治措施研究提供了理論基礎。