地铁深基坑渗流应力耦合研究_颜勇

它荷载而产生的应力变化值， 从而得 Δσ（ z） ； （ 3 ） 将 Δσ（ z） 代入式 （ 2 － 31 ） 得出此时渗透系数 y） ； 分布矩阵 k1 （ x， （ 4 ） 计算下一时段的水头分布矩阵和渗透系数矩 ， y ） － h i － 1 （ x， y ） | ≤ εh ， 阵 直到满足以下要求： | h i （ x， h i （ x， y） 、 h i － 1 （ x， y ） 分别为第 i 次迭代和第 i + 1 其中， 次迭代所求得的水头分布， ε h 为所要求的求解精度。
k = a [ n3 / （ 1 － n ） 2 ] b — — —渗透系数的半理论经 验公式， 反映了渗透系 数只与水位线以下的 孔隙率有关。 渗流场与应力场耦合分析步骤 （ 1 ） 根据己知的初始水头 h0 矩阵和初始渗透系 数 k0 矩阵， 按有限元求解渗流场第 i = 1 时段末的水 h （ x y） ； 头矩阵 1 ， （ 2 ） 按有效应力原理， 求解由于水位线下降而产 生的水位线以下有效应力增量， 并考虑由于开挖和其
[
]
（ 1）
2
武汉基坑地下水特点
∫
∫
式中
k— — —土的渗透系数； a— — —系数， 约为 20 ～ 30 ； b— — —指数， 约为 1 ． 5 ～ 2 ． 0 ； ni ， ni + 1 — — —i 和 i + 1 计算时段的孔隙率； — —i 时段由于 ΔS i 沉降而产生的孔隙率的 Δn i — 增量， 为负值； hi — — —i 时段初的水位值； — —土的附加应力； Δσ— Es — — —土的压缩模量；
图2 基坑中心断面沉降云图
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3． 1
工程实例及计算分析
工程简介
拟建工业路站属于武汉市轨道交通四号线一期工 程， 车站主体结构长约 180 m， 宽约 20． 0 m， 车站中心 里程处结构顶板埋深约 3． 0 m， 底板埋深约 17． 5 ～ 18． 0 m， 16． 5 m。采用明挖法施 站台中心基底埋深约 工， 基坑深度约 18 m 左右， 主体围护结构拟采用地下 连续墙加内支撑， 连续墙插入深度 12 m， 总长为 30 m。 拟建场地地貌为堆积平原区， 属长江冲积一级阶 地。场地分布地层自上而下可分为以下几个单元层 ： （ 4 ） 层第四系全新 第（ 1 ） 层人工填土层（ Qml） ； 第（ 3 ） 、 软土、 砂土层； 第 （ 15 ） 层为 统冲积（ Q4al） 一般黏性土、 砂砾 白垩—下第三系东湖群组 （ K － Edn ） 泥质砂岩、 岩。 3． 2 施工过程数值分析 基于快速拉格朗日差分算法的 FLAC3D 程序可以 模拟多孔介质中的流体流动， 既可以单独进行流体计 算， 只考虑渗流的作用， 也可以将流体计算与力学计算 进行耦合， 也就是流固耦合计算。 分析时利用其功能 强大的 fish 编程语言进行二次开发， 编制程序， 建立地 ， 面沉降模型 实现对三维动态降水与开挖施工全过程 的模拟。基坑周围土体视为弹塑性介质， 土体加载准 则采用线性硬化的 Druck － Prager 准则， 塑性流动准则 采用非关联流动准则。 3 ． 2 ． 1 基坑变形结果 基坑具体施工过程如下： 一级开挖深度为 5． 1 m， 地下 水 位 降 到 地 面 以 下 6． 0 m； 二 级 开 挖 深 度 为 3． 4 m， 地下水位降到地面以下 9． 5 m； 三级开挖深度 为 4． 5 m， 地下水位降到地面以下 14． 0 m； 四级开挖深 度为 5． 0 m， 地 下 水 降 到 地 面 以 下 19． 0 m。 通 过 FLAC3D 耦合计算， 最终竖直方向位移结果如图 2 、 图 3 所示。 从图中可以看出， 基坑开挖面土体均产生了一定 ， 的隆起变形 而基坑周围一定范围内的土体均产生了 沉降。基坑开挖引起的地表沉降主要由三部分组成 ： 墙体变位、 基坑隆起及墙外土层固结沉降引起。 通过
武汉市地处长江两岸， 市区及郊区跨越长江中游 的主要 地 貌 单 元， 包括长江一级阶地 （ 近代冲积平 ） 、 原 二级阶地和三级阶地 （ 剥蚀垅岗 ） （ 图 1 ） 。 由于 各地貌 地貌单元所限定的地层组合和地层时代不同 ， 单元的水文地质件有着显著的差别。 一般而言， 长江 Q2 的超固结黏土或粘 三级阶地为老黏性土—Q3 、 二、 质黏土， 渗透性差， 是非含水层， 除了武昌一条长江古 河道具有完整的二元结构地层组合， 上部老黏性土下 部细、 中砂， 底部卵漂砾层之外， 大部份老黏性土区即 二、 三级阶地均属贫水区， 只有底部土岩接合面附近的 土夹碎石或卵砾石层中有少量地下水。 因此， 对深基 坑工程而言， 二、 三级阶地地下水不构成重要危害 。

收稿日期：2011 － 03 － 28 1977 年出生， 作者简介：颜勇， 男， 工程师。
第6 期
颜
勇： 地铁深基坑渗流应力耦合研究
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土颗粒涌动时就会发生诸如管涌 、 流砂， 严重时会导致 基坑塌方、 邻近地层掏空下陷等事故。 对于土骨架， 随着地下水的渗流， 孔隙水压力发生 变化， 这种孔隙水压力的变化会引起土体骨架的变形 ， 而土骨架的变形又反过来导致孔隙体积的改变 ， 引起 从而影响地下水的渗流。 因此地下 渗透系数的变化， 水的渗流问题实际上是一个液体渗流与土骨架变形动 态耦合作用极强的过程。地下水渗流与开挖应力状态 的相互影响， 即渗流场与应力场的耦合。 这种耦合分 并把这种 析目的是了解控制地下水流力学作用规律 ， 力学作用反映到模拟土体力学性质的模型中去 。 1． 2
图1
武汉长江阶地分布略图
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铁
道
工
程
学
报
2011 年 6 月
长江一级阶地为近代冲积平原， 由于全新世 （ Q4 ） 地层组合呈典型的二元结构—上部以黏性土为主， 下 部为粉细砂及底部卵砾石层， 与长江水体相通， 因而存 在三种类型的地下水—上层滞水、 潜水和承压水。 自 上世纪 90 年代以来， 分布在长江一级阶地上的深基坑 有近千座。在施工过程中， 由于缺乏经验， 曾先后发生 数起基坑涌水冒砂引起的重大事故 。有效控制地下水 成为长江一级阶地上深基坑成败的关键 。
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深基坑渗流应力耦合效应研究
渗流场与应力场耦合关系 渗流场与应力场耦合关系方程组 ：
b n3 k = a 2 （ 1 － n） ΔS i n i + 1 = n i + Δn i = n i + h i h h Δσ （ z ） ΔS = dz εd z = Es 0 0
Research on Seepage Stress Coupling of Metro Deep Foundation Pit
YAN Yong （ China Railway Siyuan Survey and Design Group Co． Ltd， Wuhan， Hubei 430063 ， China） Abstract： Research purposes： The 90% accident of deep foundation pit in Wuhan were caused by failing control of underground water． The confined water aquifer commonly exists in the first Yangtze River＇s terrace with thick aquifer and high water head． This is an important feature of the deep foundation pit project in Wuhan． Therefore，studying the ground settlement caused by precipitation and excavation， the stability of the foundation pit and the change law of ground settlement has the important practical significance for the deep foundation pit project in Wuhan． Research conclusions： The fluid － solid coupling effect of precipitation and excavation of deep foundation pit was analyzed and the coupling calculation model for the seepage field and stress field was established． The seepage － stress coupling simulation for the precipitation and excavation of the deep foundation pit in the first Yangtze River＇s terrace was carried out with FLAC3D． The calculation result showed that the the ground settlement formed a settlement groove of quadratic function curve，the seepage velocity was fastest under the diaphragm wall where the seepage and sabotage was easy to happen，and compared to the calculation with no coupling，the calculation result with coupling was more identical with the actual law and it could play a better role in prediction and informatization construction． Key words： metro foundation pit； the first Yangtze River＇s terrace； fluid － solid coupling； FLAC3D 基坑降水开挖势必引起基坑周围土体内地下水位 的变化和应力场的改变， 使土体产生变形， 引起周围地 对地面建筑物、 城市道路、 地下管线等地下 层的沉降， 设施等都可能构成不同程度的影响， 以及因坑底水压 力过高而使得地下水涌入基坑或地下水通过基坑边壁 大量渗入坑内， 当渗透力大到足以破坏土构架并引起
2011 年ห้องสมุดไป่ตู้6 月 第 6 期（ 总 153 ）
铁 道 工 程 学 报 JOURNAL OF RAILWAY ENGINEERING SOCIETY
Jun 2011 NO． 6 （ Ser． 153 ）
文章编号：1006 － 2106 （ 2011 ） 06 － 0092 － 06
地铁深基坑渗流应力耦合研究
颜 勇


（ 中铁第四勘察设计院集团有限公司 ， 武汉 430063 ）
摘要：研究目的：武汉地区深基坑事故中 ， 九成以上是因为地下水控制失效造成的 。其中， 承压水含水层在长 江一级阶地中普遍存在 ， 且含水层厚度很大， 承压水头很高， 成为武汉地区深基坑工程的一大特点 。针对武汉 长江一级阶地地铁深基坑 ， 研究其降水与开挖施工过程中引起的地面沉降以及基坑稳定等影响与变化规律 具有重要的现实意义。 研究结论：对深基坑降水与开挖的流固耦合效应进行了分析 ， 建立了渗流场与应力场耦合计算模型 。 使 用 FLAC3D 对武汉长江一级阶地深基坑降水与开挖施工过程进行了渗流应力耦合模拟 ； 计算结果表明， 地表 沉降形成了二次函数曲线分布形态的沉降凹槽 ； 地下连续墙以下渗流速度最大 ， 容易发生渗透破坏； 相较于不 考虑流固耦合计算， 考虑耦合的计算结果与工程实际规律更为吻合 ， 能更好地的预测与信息化施工 。 关键词：地铁深基坑； 长江一级阶地； 流固耦合； FLAC3D 中图分类号：U231 文献标识码：A