上海轨道交通9号线宜山路站基坑降水开挖工程性状及室内模型试验研究

摘要

地铁车站深基坑的降水开挖不仅要保证基坑本身的安全与稳定，而且还要有效地控制基坑周围地层移动以达到保护环境的目的，尤其是在地基土质较差的城市内进行基坑开挖施工时，经常引起基坑周围土体的较大变形，从而影响基坑周围的建筑物、公共设施、道路、管线等的正常使用，甚至危及安全，造成破坏。因此，准确地预测因基坑开挖而引起的土体移动，不仅是基坑降水开挖支护系统设计的一个重要组成部分，而且是评价基坑开挖对周围环境影响程度的一个重要指标。 对于有着非常复杂周边环境的超深基坑降水开挖支护——上海轨道交通9号线宜山路车站的施工，其降水、加固和开挖之深都创下了上海地铁车站建设以来的最大深度，因而对其周边土体变形指标的控制则更为严格。正因为如此，在控制周边地层移动以保证基坑本身安全和稳定之前，首先必须要对上海地区软土基坑的支护系统和深降水、深加固及深开挖条件下基坑周边土体的工程性状作出深刻的认识。所以本文以上海轨道交通9号线宜山路地铁车站建设工程为背景，通过室内大型模型试验模拟现场的施工情况；选择具有代表性的原状土层，通过高压固结试验模拟该土层土体在抽水压密情况的本构关系：借助ModFLOW分析该工程施工过程中的“逆回弹”现象及其机理；最后利用Plaxis3dfoundation软件强大的计算功能，计算分析基坑降水开挖对周边土体工程性状的影响。主要工作内容和研究成果可以归纳以下几点： 1、首先综合研究了基坑降水开挖，计算方法和模型试验，包括沉降计算领域中的计算模型有水流模型、土体变形模型两大部分和抽水引起的沉降计算模型。然后又从粘弹性模型的角度研究了变形场与渗流场之间的本构关系、粘弹性渗流方程、粘弹性越流含水层组的三维井模型以及粘弹性理论的地面沉降计算公式。 2、对软土降水压密固结的机理进行了研究，对上海软土地区的土层进行实验，从而获得了这些土层所对应的应力—应变曲线及应变和时间的曲线，由土体各自的曲线形状分别用三元件模型和Burgers模型来模拟土层的抽水压密条件下的应力应变关系，最终获得本构关系。 3、阐述了室内模型试验的设计、制作、准备工作以及试验的操作步骤，在试验基础上模拟了现场情况两组试验时的周边土体变形、抽水量、土层中土压力和孔隙水压力的变化规律。并在对现场的降水试验方案作了具体的阐述后，在现场实测数据的基础上，主要研究了宜山路地铁车站现场试降水过程中现场地下水流量、孔隙水位及地面沉降的变化规律。 4、对上海轨道交通9号线宜山路地铁车站现场降水引起的沉降现象进行分析，在分析过程中发现“逆回弹”现象。随即对“逆回弹”现象的定义、机理做了科学研究，这方面的研究成果有： ◇借助于精确的测量分层沉降多点位移计测出的沉降曲线，分析出分层曲线的有着“分叉性”和“不协同性”规律性，即有些土层发生了向下的膨胀，导致位于较深的土层比较浅的土层产生较大的变形，首次发现了“逆回弹”现象。 ◇提出了“逆回弹”现象的科学定义即抽降水条件下含水层以上某土层发生向下膨胀的现象称之为“逆回弹”。 ◇深刻分析了“逆回弹”现象机理。主要是通过对现场土层的颗分试验、压缩试验以及监测曲线的分析，借助Visual MODFLOW示踪剂法分析不同渗透系数情况的流线分布，得知“逆回弹”现象的产生和抽水井的抽水时间、降承压水诱发的沉降过程、渗流场发展、现场土体的固结情况、现场越流的存在、现场特殊的地质条件是密切相关的。 5、以Plaxis3d foundation为平台，利用Plaxis提供的摩尔—库伦模型运用的程序中，利用Plaxis软件强大前处理过程和后处理过程，来模拟不排水条件下、不同抽水的深度及不同开挖深度基坑开挖性状的影响。主要结论有： ◇在基坑工程的有限元分析中，二维分析的结果一般来说要比实测和三维分析的结果要大，破坏准则的选取不是造成这种现象的主要因素。 ◇对柔性支护软土深基坑坑周地表位移场的大小及分布规律进行了进一步研究，根据上海地区深基坑施工实践，给出了软土深基坑柔性围护墙后偏态分布的地表竖向位移表达式。坑周地层移动贯穿于深基坑施工的始终，除了开挖引起的沉降外，还有如基坑降水、地下连续墙成槽、基坑加固、后期固结沉降等因素对地表沉降产生影响。有关这些因素引起的坑周地表沉降实用表达式还有待进一步研究。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1研究背景与意义

1.1.1本文的研究背景

1.1.2本文的研究意义

1.2国内外研究现状

1.2.1模型试验研究的现状

1.2.2渗流研究的现状

1.2.3抽水地面沉降研究的现状

1.2.4未来我国地面沉降研究方向

1.3本文的研究内容与创新点

1.3.1主要研究内容

1.3.2本文的创新点

1.4 本章小结

第2章降水引起的地面沉降计算

2.1引言

2.1.2水流模型和土体变形模型

2.2降水引起的沉降模型

2.2.1现有沉降模型的回顾

2.2.2降水作用下上海土层的变形机理分析

2.2.3降水作用下上海土层的应力应变关系

2.3根据粘弹性理论计算地面沉降

2.3.1变形场与渗流场之间的本构关系

2.3.2粘弹性渗流方程

2.3.3粘弹性越流含水层组的三维井流模型

2.3.4 粘弹性理论的地面沉降计算

2.4本章小结

第3章室内模型试验降水沉降分析

3.1室内模型试验设计

3.1.1室内模型试验可行性分析及试验目的

3.1.2室内模型试验设计

3.2室内模型试验的准备与监测设备的介绍

3.2.1试验土层简介

3.2.2地下连续墙的试验材料一无缝无底矩形钢箱

3.2.3降水井与观测井制作与埋置

3.2.4水箱

3.2.5模型试验主要监测设备简介

3.3室内模型试验步骤

3.3.1试验前准备工作步骤

3.3.2降水试验步骤

3.4试验成果分析

3.4.1两组降水试验中降水井出水量随时间变化分析

3.4.2两组降水试验"11m点"分层沉降变化规律分析

3.4.3两组降水试验分层沉降变化曲线比较分析

3.4.4地面沉降规律分析

5.4.5两组降水试验中水位变化规律分析

5.4.6两组试验中应力变化规律分析

3.5本章小结

第四章轨道交通九号线宜山路站现场降水及问题分析

4.1工程概况

4.1.1工程概述

4.1.2工程地质及水文地质条件

4.1.3周围环境及环境保护

4.2降水试验介绍

4.2.1降水试验的设计

4.2.2沉降及孔隙水压力监测点位置

4.2.3各种测量仪器的介绍

4.3现场降水试验数据分析

4.3.1降水井水位和流量分析

4.3.2孔隙水水位曲线及其分析

4.3.4 地面沉降曲线及其分析

4.4本章小结

第五章现场降水引起的沉降及"逆回弹"现象的分析

5.1引言

5.2现场土层的物理力学试验分析

5.2.1颗分试验

5.2.2固结试验

5.2.3压缩系数和孔隙比、含水率的关系

5.3现场抽水过程中各土层应力增量分析

5.3.1抽降水条件下潜水层中应力增量分析

5.3.2抽降水条件下承压隔水层中应力增量分析

5.3.3抽降水条件下承压水层中应力增量分析

5.4逆回弹现象的分析

5.4.1降水诱发周围建筑物沉降规律

5.4.2逆回弹现象

5.5本章小结

第6章有限元计算分析

6.1引言

6.2有限元程序Plaxis 3d foundation的简介

6.2.1 Plaxis 3d foundation程序的主要功能

6.2.2土的本构模型

6.3宜山路地铁车站基坑降水开挖算例

6.3.1现场研究区域的介绍

6.3.2计算参数的确定

6.3.3计算模型及边界条件

6.3.4计算结果中地表变形的分析

6.3.5计算结果中地下连续墙的受力分析

6.4小结

第7章结论与展望

7.1本文工作总结

7.2后续工作展望

参考文献

致谢

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果