软土地基中基坑围护结构的挡水作用机理及其工程应用

摘要

沿海地区软土地层中的深基坑一般需要在潜水含水层和承压含水层中进行开挖。为了确保基坑的稳定性,工程施工时需要设置基坑围护结构和进行坑内或坑外的降水,以避免流砂和坑底突涌等人为地质灾害的发生。基坑降水与围护结构的挡水和止水作用使基坑周围的地下水渗流环境变得十分复杂。本研究针对沿海地区松软沉积含水地层中的基坑降水工程,根据基坑围护结构物阻挡地下水渗流的工程实际,利用室内试验和有限元计算等方法研究了含水层中基坑围护结构阻挡地下水渗流的作用机理,提出了减小基坑降水对周围环境影响的技术措施。本研究的主要创新性成果如下:
　　(1)定量地确定了基坑围护结构对于地下水渗流的阻挡作用。通过室内试验,测定了水头和流量随围护结构插入含水层中相对深度及挡水截面相对宽度的变化规律。随着挡板插入相对深度和挡水截面相对宽度的增大,渗流量减小;各测点的水位变化值增大,上游侧的水位变化值较下游侧的水位变化值小。当挡板插入相对深度大于70％或挡水截面相对宽度大于90%时,挡板上下游两侧水头差的增大速率明显增大。
　　(2)确定了围护结构插入目标降水层中的相对深度对于地下水渗流和地面沉降分布的影响规律。采用有限计算的方法探讨了五类基坑降水模式中的地下水渗流特征。针对在坑内抽取承压水的方案进行计算,确认了围护结构插入目标降水层中的相对深度对地下水渗流的影响和基坑周围地面沉降的分布规律,计算中还考虑了含水层水文地质参数的影响。计算表明抽取承压水时应采用坑内布井抽取承压水的方式,围护结构在插入目标降水层中的相对深度大于70%时能有效地控制坑内抽水对周围环境的影响,这一结果验证了室内试验的结论。
　　(3)提出了一种采用具有止水阀的抽水井进行分时分层抽取潜水和承压水的方法。通过控制降水井中止水阀的关闭与打开,实现了既可以仅疏干潜水,又可以抽取承压水降压的目的。抽水试验验证了该方法具有良好的降水效果,能够实现只需打入同时贯穿潜水含水层和承压含水层的一类井,就可以达到分时分层进行潜水和承压水的降水。实测资料表明由降水而引起承压水水位下降的影响范围较小,最大地面沉降仅为5.4mm,有限元计算结果与实测值较吻合。
　　(4)将围护结构挡水作用机理的研究成果应用于基坑降水工程实际。针对上海市彭越浦泵站,杭州市地铁1号线杭州城站站和杭州钱江隧道三个基坑降水工程,分别建立三维有限元模型进行分析,数值模拟值和实测结果较吻合。结果表明为了减小基坑降水对周围环境的影响,应采用坑内布井抽取承压水的方法,承压含水层渗透系数较小的基坑工程宜将围护结构插入目标降水层的下部,承压含水层渗透系数大于1m/d的基坑工程应将围护结构插入承压含水层下部的隔水层中。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 基坑降水技术现状

1.1.2 基坑降水设计理论方法

1.1.3 地下水渗流研究现状

1.2 研究目的和研究内容

1.2.1 研究目的

1.2.2 研究内容

1.3 本研究的创新点

1.4 论文的构成

第二章 基坑降水引起地面沉降的机理和渗流分析

2.1 引言

2.2 基坑降水引起地面沉降的机理

2.3 地下水渗流的基本理论

2.3.1 质量守恒定律

2.3.2 渗透系数张量

2.3.3 地下水渗流的控制方程

2.3.4 边界条件与初始条件

2.4 基坑降水引起地面沉降的计算方法

2.5 本章小结

第三章 基坑围护结构挡水作用的室内试验研究

3.1 引言

3.2 室内试验简介

3.3 室内试验的试验材料与设备

3.3.1 试验土

3.3.2 其他材料

3.3.3 试验监测装置

3.4 室内试验的试验步骤和试验工况

3.4.1 试验前准备工作步骤

3.4.2 渗流试验工况和试验步骤

3.5 试验结果分析

3.5.1 工况一试验结果

3.5.2 工况二试验结果

3.5.3 工况三试验结果

3.6 本章小结

第四章 围护结构插入深度不同时的渗流和沉降分析

4.1 引言

4.2 上海地区基坑降水模式

4.2.1 上海地区的水文地质特征

4.2.2 基坑降水模式

4.3 三维有限元建模和数值分析

4.4 第四类基坑降水模式中水文地质条件对渗流和沉降的影响

4.4.1 渗透系数对地下水渗流和地面沉降的影响

4.4.2 储水系数对地下水渗流和地面沉降的影响

4.5 围护结构插入目标降水层中的相对深度对渗流和沉降的影响

4.5.1 围护结构插入目标降水层中的相对深度对地下水渗流的影响

4.5.2 围护结构插入目标降水层中的相对深度对地面沉降的影响

4.5.3 考虑水文地质条件对于渗流和沉降的影响

4.6 本章小结

第五章 减小基坑降水对周围环境影响的措施

5.1 引言

5.2 减小基坑降水对周围环境影响的措施

5.3 基坑工程土体加固措施

5.4 可控式一井分层降水技术

5.4.1 研究背景

5.4.2 可控式止水阀门

5.4.3 抽水试验

5.4.4 试验结果和分析

5.5 本章小结

第六章 工程实例分析

6.1 引言

6.2 上海市彭越浦泵站基坑降水工程

6.2.1 工程概况

6.2.2 地质条件

6.2.3 三维建模

6.2.4 降水工程与数值模拟

6.2.5 计算结果分析

6.3 杭州地铁1 号线杭州城站站基坑降水引起地面沉降分析

6.3.1 工程概况

6.3.2 地质条件

6.3.3 三维建模

6.3.4 地下连续墙埋深43m 时的第一次抽水试验

6.3.5 地下连续墙埋深50m 时的第二次抽水试验

6.4 杭州钱江隧道工程基坑降水引起周围地层的反应分析

6.4.1 工程概况

6.4.2 地质条件

6.4.3 三维建模

6.4.4 降水工程与数值模拟

6.4.5 计算结果分析

6.5 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 本文主要结论

7.2 展望

参考文献

符号说明

致谢

攻读学位期间发表的科研成果

上海交通大学学位论文答辩决议书