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软土地区承压水基坑在开挖施工中易产突涌、流砂或流土破坏;采用降水法
施工,若设计、施工参数选择不当,坑周地表易产生过大的沉降变形,影响到邻近
建筑物或构筑物安全。既有的承压水基坑抗突涌稳定分析方法、降压地面沉降计算
模型、以及降压设计施工参数这几个方面研究还存在一些不足。为解决这些技术难题,
确保承压水基坑安全、经济、合理地设计与施工,本文研究了承压水基坑抗突涌稳定
分析计算模型和影响承压水基坑突涌稳定的敏感性因素;采用分析控制方程法,推导
了承压水基坑渗流-应力耦合场离心试验的相似参数,并开展了离心试验;研究了承
压水基坑降压地面沉降计算模型,以及降压设计参数、施工参数和基坑土层特性参数
与地面沉降之间的变化规律。具体研究内容如下:
1、采用分析控制方程法,推导了承压水基坑渗流-应力耦合场离心模型试验的
相似规律,得到离心试验的相似指标和相似系数。针对上海地铁M8线黄兴路车站深
基坑,研究了承压水基坑离心试验关键技术;并将承压水基坑变形的试验结果与现场
实测结果进行了比较,结果表明:离心试验与现场实测的基坑变形规律比较一致。
通过承压水基坑离心模型试验,分析了基坑承压水头、基坑开挖深度和第⑥硬土隔水
层缺失与否等因素对基坑变形稳定的影响,探讨了承压水基坑开挖降压施工基坑变形
简化计算方法。
2、针对不透水隔水层承压水基坑,从坑底土产生突涌塑性变形破坏的力学机理
出发,提出了承压水基坑突涌塑性破坏整体分析模型(应力场-渗流场耦合分析模型)
和局部分析模型(三维弹塑性分析模型)。用考证实例将模型计算结果与离心模型试
验结果、现场观察结果、以及压力平衡理论计算结果进行了比较。结果表明:模型计
算结果与离心试验结果和现场观察结果比较吻合;对于软土地区坑底存在不透水隔水
层的承压水基坑,采用突涌塑性破坏模型分析基坑抗突涌稳定性是合理有效的。
3、针对含弱透水层承压水基坑,从坑底出渗面土体稳定条件着手,提出了坑底
弱透水层土体突涌渗透破坏力学模型。用离心模型试验和现场观察试验验证了弱透水
层基坑突涌渗透破坏计算模型的合理可行性。对于弱透水层的承压水基坑,建议采用
突涌渗透破坏模型分析基坑抗突涌稳定性。
4、针对坑底存在不透水和弱透水层的承压水基坑,应用基坑突涌塑性破坏和渗
透破坏计算模型,分析了影响承压水基坑突涌稳定的敏感性因素(即承压水水头压
力、坑底隔水层厚度、坑底隔水层土体粘聚力和摩擦角、基坑的平面尺寸等因素)与
基坑突涌破坏之间关系;基于回归分析理论,采用FORTRAN语言研制了多元回归分
析程序MLRAP,给出了弱透水层承压水基坑突涌渗透破坏简易计算判断公式。根据
研究成果,对设计和施工提出一些建议。
5、根据虚功原理,应用分步积分法和高斯公式,给出了承压水基坑渗流场与应
力场耦合固结有限元方程推导过程;建立了承压水基坑降压抽水地面沉降的有限元计
算模型。计算模型的验证算例表明:模型计算结果与离心模型试验结果和现场实测结
果比较吻合。
6、采用基坑降压抽水地面沉降的有限元计算模型,针对第⑥硬土隔水层存在缺
失的上海地铁M8线黄兴路车站深基坑,系统研究了承压水降压设计参数(降压井揭
露承压含水层深度、降压井位置和数量)、施工参数(承压含水层水位降深和降水
时间)、以及基坑土层特性参数(硬土隔水层缺失与否、含水层厚度、含水层渗透系
数和渗透系数比)与地面沉降之间的变化规律;给出了基坑降压坑周地表最大沉降
简化计算公式。根据研究成果,对设计和施工提出一些建议。
关键词:承压水基坑,突涌,降压,地面沉降,计算模型,离心试验,变形,稳定性,简化计算法