專利名稱：軟土地層含承壓水基坑突涌滲透破壞判斷方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種軟土地層承壓水基坑突涌破壞判斷方法，尤其涉及一種軟土地層 含弱透水層的承壓水基坑突涌滲透破壞判斷方法。
背景技術(shù)：
近年來，隨著我國城市地下鐵道、高層建筑、人防工程等基礎(chǔ)設(shè)施的迅速發(fā)展，深 基坑工程日益增多，深基坑工程開挖施工的地質(zhì)條件和環(huán)境也日益復(fù)雜，其工程事故率和 損失也越來越大。在深基坑工程中，一項(xiàng)事關(guān)全局的工作就是地下水防治，特別是在沿海軟 土地區(qū)，地下水是深基坑工程的天敵，是導(dǎo)致基坑工程事故最直接的原因之一。根據(jù)有關(guān)文 獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)，與地下水有關(guān)的基坑事故約占總事故的45% 70%?；庸こ讨械牡叵滤雌渎癫貤l件一般包括上層滯水、潛水和承壓水這三類。其 中，承壓水是地表以下充滿于兩個(gè)穩(wěn)定隔水層之間承受靜水壓力的含水層中的重力水，含 承壓水基坑在開挖施工中易產(chǎn)生突涌，易造成基坑底隆起變形和圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形增大，影響 基坑穩(wěn)定，易產(chǎn)生管涌、流砂或流土。因此，對于軟土地層的含承壓水基坑，當(dāng)基坑開挖深度 過深或承壓水頭過高，基坑的抗突涌穩(wěn)定性得不到滿足時(shí)，則須采取一定的措施防止基坑 失穩(wěn)。但是，如何判斷承壓水基坑突涌穩(wěn)定是一個(gè)值得研究的課題。目前，對于承壓水 基坑突涌穩(wěn)定性的判斷分析方法，不論是現(xiàn)行基坑工程規(guī)范，還是一般的教科書和工程設(shè) 計(jì)施工手冊里均采用壓力平衡方法，該方法只考慮了承壓含水層頂隔水層土體自重力引起 的抗力，忽略了隔水層土體的抗剪強(qiáng)度，而且這種抗力在硬土隔水層中還比較大，其計(jì)算結(jié) 果顯然不盡合理。盡管有些學(xué)者在探索采用其它方法進(jìn)行研究，如梁勇然(1996)和李建 交(1998)采用的均質(zhì)連續(xù)梁、板分析法，杜貴成(1998)和馬石城(2004)采用的帶預(yù)應(yīng)力 均質(zhì)連續(xù)梁、板分析法，譚松林(2002)采用的均質(zhì)連續(xù)體法等。但在這些研究中，他們都將 坑底隔水層土體假定為均質(zhì)、連續(xù)彈性體。實(shí)際工程中，軟土地區(qū)承壓水基坑坑底隔水層為 非均質(zhì)、成層分布的彈塑性體，土體沒有抗彎性能，簡化成具有抗彎性能的梁或板模型分析 顯然不夠合理，且當(dāng)隔水層土體厚度與基坑跨度之比較大時(shí)，簡化成梁或板模型分析與梁、 板定義也不符。此外，對于弱透水層的承壓水基坑，其突涌破壞常表現(xiàn)為坑底發(fā)生流砂、流 土或類似于“沸騰”噴水冒砂這樣的滲透破壞，如南京地鐵一號線某明挖區(qū)間隧道深基坑 封底前坑底出現(xiàn)的涌水、涌砂、以及某市24層大廈深基坑開挖過程中坑底的涌水涌漿現(xiàn)象 等，這些現(xiàn)象用強(qiáng)度理論和壓力平衡理論是難以解釋的。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種軟土地層含承壓水基坑突涌滲 透破壞判斷方法，通過考慮坑底土抗剪強(qiáng)度和動水壓力-滲透力的作用，來提高判斷的準(zhǔn) 確性。為此，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案
—種軟土地層含承壓水基坑突涌滲透破壞判斷方法，其特征在于包括以下步驟1)分析基坑坑底出滲面單元體受力狀況，得到單元體受到的滲透力YWJ，浮重力
Y ‘ V、土粒間的摩擦力、及單位單元體所受的粘聚力C ；其中，^和J分別是水的重
度和坑底面滲透坡降；Y'為浮容重；V是單元體體積，等于1舊為土的內(nèi)摩擦角，ξ為側(cè) 壓力系數(shù)；2)根據(jù)滲透破壞方程
得到基坑突涌破壞臨界滲透坡降 ι ( 1Λ 3)根據(jù)基坑結(jié)構(gòu)對稱性、支護(hù)結(jié)構(gòu)形式和滲流特征建立基坑二維滲流有限元計(jì)算 模型，并根據(jù)基坑水頭高度計(jì)算出坑底土最大滲流坡降； 4)比較基坑突涌破壞臨界滲透坡降和坑底土最大滲流坡降，判斷坑底土是否產(chǎn)生 滲透破壞。作為對上述技術(shù)方案的完善和補(bǔ)充，本發(fā)明進(jìn)一步采取如下技術(shù)措施或是這些措 施的任意組合1)基坑二維滲流場數(shù)學(xué)模型為 方程求解的初始水頭條件為 第一類水頭邊界條件為
第二類水頭邊界條件為 上式中，H為滲流場壓力水頭；Tx, Ty為導(dǎo)水系數(shù)，Tx = KxT，Ty = KyT，Kx, Ky為x、y 方向滲透系數(shù)，T為含水層厚度；Ω為基坑二維滲流場區(qū)域；Htl(^y)為初始水頭已知函數(shù)； 9>(X,y,t)為水頭邊界已知函數(shù)；q(x，y，t)為流量邊界已知函數(shù)。2)建立基坑二維滲流有限元計(jì)算模型時(shí)，假定坑周土為非均質(zhì)、各向異性、成層 分布；滲流為二維平面流，且符合達(dá)西定律；含水層土體不考慮彈性釋水或貯水。3)建立基坑二維滲流有限元計(jì)算模型時(shí)，模型底面取至弱透水層底，視為隔水邊 界；模型頂面取至坑頂，視為自由邊界；靠近坑中心側(cè)面為第二類流量邊界，另一側(cè)為第一 類給定水頭邊界；圍護(hù)結(jié)構(gòu)視為隔水邊界。有益效果本發(fā)明從弱透水層的承壓水基坑突涌滲透破壞的機(jī)理出發(fā)，推導(dǎo)得 到了坑底弱透水層土體突涌滲透破壞條件方程。該方法考慮了坑底土抗剪強(qiáng)度和動水壓 力_滲透力的作用，克服了強(qiáng)度理論和其它方法對坑底發(fā)生流砂、流土或類似于“沸騰”噴 水冒砂這樣的突涌破壞現(xiàn)象無法解釋這一不足。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例的坑底出滲面單元體受力分析圖。圖2是本發(fā)明實(shí)施例的弱透水層承壓水基坑二維滲流有限元計(jì)算模型圖。圖3是本發(fā)明實(shí)施例的上海地鐵某車站深基坑斷面圖。
圖4是本發(fā)明實(shí)施例的計(jì)算模型有限元網(wǎng)格劃分圖。圖5是本發(fā)明實(shí)施例的水頭高28m坑底弱透水層和坑底面Y方向滲流梯度分布。圖6是本發(fā)明實(shí)施例的水頭高24m坑底弱透水層和坑底面Y方向滲流梯度分布。圖7是本發(fā)明實(shí)施例的水頭高20m坑底弱透水層和坑底面Y方向滲流梯度分布。
具體實(shí)施例方式如圖1、圖2所示，一種軟土地層含承壓水基坑突涌滲透破壞判斷方法，包括以下 步驟1)分析基坑坑底出滲面單元體受力狀況，得到單元體受到的滲透力YWJ，浮重力
Y ‘ V、土粒間的摩擦力爿/咖、及單位單元體所受的粘聚力C ；其中，^和J分別是水的重
度和坑底面滲透坡降；Y'為浮容重；V是單元體體積，等于1舊為土的內(nèi)摩擦角，ξ為側(cè) 壓力系數(shù)；2)根據(jù)滲透破壞方程;V/乏廠'Ζ + *辦’igp + C，得到基坑突涌破壞臨界滲透坡降
人=一7.
r' +^r'tgf+c3)根據(jù)基坑結(jié)構(gòu)對稱性、支護(hù)結(jié)構(gòu)形式和滲流特征建立基坑二維滲流有限元計(jì)算 模型，并根據(jù)基坑水頭高度計(jì)算出坑底土最大滲流坡降；4)比較基坑突涌破壞臨界滲透坡降和坑底土最大滲流坡降，判斷坑底土是否產(chǎn)生 滲透破壞。作為對上述技術(shù)方案的完善和補(bǔ)充，建立基坑二維滲流有限元計(jì)算模型時(shí)，假 定1)坑周土非均質(zhì)、各向異性、成層分布；2)滲流為二維平面流，且符合達(dá)西定律；3)含水層土體不考慮彈性釋水或貯水；4)模型底面取至弱透水層底，視為隔水邊界；模型頂面取至坑頂，視為自由邊界； 靠近坑中心側(cè)面為第二類流量邊界，另一側(cè)為第一類給定水頭邊界；圍護(hù)結(jié)構(gòu)視為隔水邊界。某車站深基坑長169. 2m,寬19. Om,深16. 7m,基坑斷面如附圖3所示?；訄龅氐?基屬第四系河口 -濱海淺海相沉積層，主要由飽和粘性土、粉性土及砂土組成，其中，坑底 缺失硬土隔水層第⑥層，第⑦砂土層(包括⑦-Ia和⑦-Ib)為承壓含水層，降水前承壓水 頭高28. 0m，坑底各土層分布和土的物理力學(xué)參數(shù)見表1。根據(jù)坑底出滲面土體穩(wěn)定條件求得出坑底土產(chǎn)生突涌破壞的臨界滲透坡如表2 所示，再建立基坑二維滲流有限元計(jì)算模型，如圖2。建模時(shí)考慮基坑結(jié)構(gòu)對稱性和基坑降 水影響范圍，計(jì)算模型寬度取為B = 100m，模型高度取為H = 45. Om(即承壓含水層底板至 地面高度)，計(jì)算模型有限元網(wǎng)格劃分如圖4，根據(jù)滲流有限元模型計(jì)算得到的承壓水頭為 28m、降到24m、降到20m時(shí)的坑底土和坑底面Y方向滲流坡降分布如圖5 圖7，比較坑底面 最大滲流坡降和基坑突涌破壞臨界滲透坡降，便可判斷坑底土是否產(chǎn)生滲透破壞?；油?涌滲透破壞模型判斷結(jié)果與離心試驗(yàn)、現(xiàn)場觀測及壓力平衡法判斷結(jié)果比較如表2所示。
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由表2分析可知，采用突涌滲透破壞模型分析，得到的判斷結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)際和離 心試驗(yàn)結(jié)果比較吻合，而采用壓力平衡法得到的判斷結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)際和離心試驗(yàn)結(jié)果出入 較大。
表2應(yīng)當(dāng)指出，本實(shí)施例僅列示性說明本發(fā)明的原理及功效，而非用于限制本發(fā)明。任 何熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人員均可在不違背本發(fā)明的精神及范圍下，對上述實(shí)施例進(jìn)行修改。因此，本發(fā)明的權(quán)利保護(hù)范圍，應(yīng)如權(quán)利要求書所列。
權(quán)利要求
一種軟土地層含承壓水基坑突涌滲透破壞判斷方法，其特征在于包括以下步驟1)分析基坑坑底出滲面單元體受力狀況，得到單元體受到的滲透力γwJ，浮重力γ′V、土粒間的摩擦力及單位單元體所受的粘聚力C；其中，γw和J分別是水的重度和坑底面滲透坡降；γ′為浮容重；V是單元體體積，等于1；為土的內(nèi)摩擦角，ξ為側(cè)壓力系數(shù)；2)根據(jù)滲透破壞方程得到基坑突涌破壞臨界滲透坡降3)根據(jù)基坑結(jié)構(gòu)對稱性、支護(hù)結(jié)構(gòu)形式和滲流特征建立基坑二維滲流數(shù)學(xué)模型和有限元計(jì)算模型，并根據(jù)基坑水頭高度計(jì)算出坑底土最大滲流坡降；4)比較基坑突涌破壞臨界滲透坡降和坑底土最大滲流坡降，判斷坑底土是否產(chǎn)生滲透破壞。FSA00000179612400011.tif,FSA00000179612400012.tif,FSA00000179612400013.tif,FSA00000179612400014.tif
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬軟土地層含承壓水基坑突涌滲透破壞判斷方法，其特征 在于基坑二維滲流場數(shù)學(xué)模型為ox ox oy Oy數(shù)學(xué)方程求解的初始條件為H(X，y，t) |t = Q = H0 (x, y) (χ, y) e Ω第一類水頭邊界條件為=爐江:Μ) (x,y) e Γ, t>0第二類水頭邊界條件為r=q (x,y,t) (x,y)eY2 t>0on上式中，H為滲流場壓力水頭；Tx、Ty為導(dǎo)水系數(shù)，Tx = KxT, Ty = KyT, Kx、Ky為χ、y方 向滲透系數(shù)，T為含水層厚度；Ω為基坑二維滲流場區(qū)域；HtlU, y)為初始水頭已知函數(shù)； Kx,y，t)為水頭邊界已知函數(shù)；q(x，y，t)為流量邊界已知函數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬軟土地層含承壓水基坑突涌滲透破壞判斷方法，其特征 在于建立基坑二維滲流有限元計(jì)算模型時(shí)，假定坑周土為非均質(zhì)、各向異性、成層分布； 滲流為二維平面流，且符合達(dá)西定律；含水層土體不考慮彈性釋水或貯水。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬軟土地層含承壓水基坑突涌滲透破壞判斷方法，其特征 在于建立基坑二維滲流有限元計(jì)算模型時(shí)，模型底面取至弱透水層底，視為隔水邊界；模 型頂面取至坑頂，視為自由邊界；靠近坑中心側(cè)面為第二類流量邊界，另一側(cè)為第一類給定 水頭邊界；圍護(hù)結(jié)構(gòu)視為隔水邊界。
全文摘要
軟土地層含承壓水基坑突涌滲透破壞判斷方法，尤其涉及一種軟土地層含弱透水層的承壓水基坑突涌滲透破壞判斷方法。本發(fā)明根據(jù)基坑坑底出滲面土體穩(wěn)定條件，推導(dǎo)得到坑底土突涌滲透破壞方程，再根據(jù)滲透破壞方程整理得到突涌破壞臨界滲透坡降；然后建立基坑二維滲流計(jì)算模型，計(jì)算坑底土最大滲流坡降；判斷坑底土是否產(chǎn)生滲透破壞。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明克服了強(qiáng)度理論和其它方法對坑底發(fā)生流砂、流土或類似于“沸騰”噴水冒砂這樣的突涌破壞現(xiàn)象無法解釋這一不足。
文檔編號E02D17/02GK101906786SQ20101022171
公開日2010年12月8日 申請日期2010年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月8日
發(fā)明者丁春林, 葉丹, 朱愷, 楊新安 申請人:同濟(jì)大學(xué)