基坑施工中承压水降水对周边环境影响的预测方法

摘要

本发明提供一种基坑施工中承压水降水对周边环境影响的预测方法，包括：获取场地周边环境、工程地质条件及各土层参数；在流固耦合数值软件中建立承压水降水计算模型；按照降水工况模拟得出第一预测结果；采用一维固结理论计算得到第二预测结果；同一施工位置处的所述第一预测结果除以所述第二预测结果，获得计算承压水降水引起地表沉降的分层总和法经验系数，根据得到的所述分层总和法经验系数，预测基坑施工中承压水降水对周边环境的影响。本发明通过合理设计和确定承压水降水引起地表沉降的分层总和法经验系数，考虑流固耦合作用和三维效应对分层总和法的影响，可以更加准确地预测基坑施工中承压水降水对周边环境的影响。

说明书

技术领域

本发明涉及土木建筑技术领域的方法，具体地，涉及一种基坑施工中承压水降水对周边环境影响的预测方法。

背景技术

近年来，我国沿海软土地区城市建设节奏不断加快，地下空间开发的规模和深度不断加大，使得地下工程建设所面临的承压水问题也越来越突出。在承压含水层埋深较浅的地区，为了保证工程施工安全，不得不对承压水进行减压降水。长期大量的承压水降水使得承压水头变化和应力场的改变，从而导致周围土体的变形，对周围环境产生不良影响，甚至出现工程事故，如建筑物不均匀沉降引起开裂、地下管线爆裂等。因此，准确地预测降承压水对周围环境的影响是具有重大意义的。

目前实际工程中对于降承压水引起的土体变形主要采用两阶段法进行计算，该方法先采用Modelflow等渗流软件模拟降水引起的渗流场，将初始渗流场与最终渗流场做差即可得到孔压改变值，然后采用一维固结理论计算变形，最后在计算得到的变形结果前乘以经验系数进行修正。在《建筑地基基础设计规范》规范中，建议分层总和法的取值系数为0.2。然后该经验系数未能考虑流固耦合作用对变形的影响，此外，单井降水是轴对称问题，裙井降水是三维问题，单一的经验系数无法考虑到三维空间效应的影响，从而无法准确预测基坑施工中承压水降水对周边环境的影响。

经对现有技术文献的检索发现，对于改进分层总和法在实际工程中的应用已有许多研究。1996年王铁行和赵树德在《西安建筑科技大学学报》(1996，28(2)，pp.179-182)中发表的“计算地基沉降分层总和法缺陷的分析及改进”一文通过大量有限元计算，查明误差的大小及分布规律，并得出适用于均质地基及一般层状地基的修正方法。2011年柏德新和许年春等在《江苏建筑》(2011，No.6，pp.86-88)中发表的“路堤沉降分析的修正分层总和法研究”一文以采用数值方法研究了分层总和法计算地基沉降系数进行调整。但以上研究都是针对外荷载作用下引起土体压缩的计算。

承压水降水涉及流固耦合和三维空间效应，目前采用分层总和法计算变形对经验系数依赖大，无法准确预测基坑施工中承压水降水对周边环境的影响。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基坑施工中承压水降水对周边环境影响的预测方法，通过合理设计和确定承压水降水引起地表沉降的分层总和法经验系数，考虑流固耦合作用和三维效应对分层总和法的影响，可以更加准确地预测基坑施工中承压水降水对周边环境的影响。

为实现以上目的，本发明提供一种基坑施工中承压水降水对周边环境影响的预测方法，所述方法包括：

获取施工场地周边环境、工程地质条件及各土层参数；

基于获取的条件和参数，在流固耦合数值软件中建立承压水降水计算模型，按照降水工况进行模拟，得到第一预测结果以及整个模型中的孔压分布的模拟结果；所述第一预测结果为考虑流固耦合的预测承压水降水引起地表沉降的模拟结果；

根据上述模型的孔压改变，采用一维固结理论计算得到第二预测结果，所述第二预测结果为一维固结理论预测的承压水降水引起地表沉降的结果；

将同一施工位置处的第一预测结果除以第二预测结果，获得计算承压水降水引起地表沉降的分层总和法经验系数，根据得到的所述分层总和法经验系数，预测基坑施工中承压水降水对周边环境的影响。

优选地，所述施工场地工程地质条件及各土层参数包括：

各土层的分布情况和力学参数指标；

水文地质条件及各土层的水力参数指标。

优选地，所述承压水降水计算模型，为三维模型。

优选地，所述承压水降水计算模型，其横向边界大于承压水降水的影响范围。

更优选地，所述降水影响范围根据下式进行计算：

其中：S_w为井内最大水位降深，k为承压含水层渗透系数。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明采用流固耦合分析方法模拟承压水降水，同时得到地层孔压分布和地表沉降，将考虑流固耦合的预测承压水降水引起地表沉降的模拟结果与一维固结理论预测的承压水降水引起地表沉降的结果结合起来，同时考虑流固耦合作用和三维效应对分层总和法的影响，可以更加准确地预测承压水降水对周边环境的影响，为现有的承压水降水引起的土体变形等工程提供指导，具有重要的实际应用价值。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例的方法流程图；

图2为本发明一实施例的采用流固耦合方法和一维固结理论计算得到的地表沉降曲线图；

图3为本发明一实施例的分层总和法经验系数分布曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明提供一种基坑施工中承压水降水对周边环境影响的预测方法，同时采用考虑流固耦合的预测承压水降水引起地表沉降的模拟结果和采用一维固结理论计算得到一维固结理论预测的承压水降水引起地表沉降的结果，可以更加准确地预测承压水降水对周边环境的影响。

具体的，如图1所示，为基坑施工中承压水降水对周边环境影响的预测方法的流程图，以下结合具体实施例，对所述方法进行详细说明。

在本发明一实施例中，一种基坑施工中承压水降水对周边环境影响的预测方法，包括如下步骤：

S1、确定周边环境、工程地质条件及各土层参数

施工场地工程地质条件及各土层参数主要包括以下两个部分：一是各土层的分布情况和力学参数指标；二是水文地质条件及各土层的水力参数指标。如表1所示。

表1：各土层计算参数

S2、在流固耦合数值软件中建立承压水降水计算模型；

承压水降水计算模型为三维模型；

承压水降水计算模型的横向边界应大于基坑内承压水降水的影响范围，进一步的，降水影响范围可以根据下式进行计算：

其中：S_w为井内最大水位降深，k为承压含水层渗透系数。

S3、按照降水工序进行模拟，得到第一预测结果以及整个模型中的孔压分布的模拟结果；所述第一预测结果为考虑流固耦合的预测承压水降水引起地表沉降的模拟结果，如图2所示；

S4、根据上述模型模拟得到的孔压改变，采用一维固结理论计算得到第二预测结果，所述第二预测结果为一维固结理论预测的承压水降水引起地表沉降的结果，如图2所示；

具体的，在本发明实施例中，利用有限元单元网格进行分层，提取各节点的孔压，与初始孔压值做差求得孔压改变量，然后采用一维固结理论求得各层的压缩量S_i，即

其中：Δu_i为各层内孔压改变量，E_si为各层压缩模量，h_i为各层层厚。

最后将不同深度的压缩量求和得到地表沉降S，即

如图2所示，为本实施例中得到的采用流固耦合方法和一维固结理论计算得到的地表沉降曲线图，即上述的第一预测结果和第二预测结果曲线图。

根据流固耦合数得到的第一预测结果，可得到考虑流固耦合和三维效应下降水引起的地表沉降；根据孔压的改变采用一维固结理论得到第二预测结果，将两结果相除，得出分层总和法的经验系数该经验系数与施工井的距离关系如图3所示。

S5、根据得到的所述分层总和法经验系数，预测基坑施工中承压水降水引起的地表沉降值S'：

将得到的地表沉降值S'与现有技术规范《建筑基坑工程技术规范》中基坑变形设计控制指标及各类建筑物保护标准对比，判断基坑降水对环境的影响程度。

从上述实施例可以看出，本发明同时考虑流固耦合作用和三维效应对分层总和法的影响，通过合理设计和确定承压水降水引起地表沉降的分层总和法经验系数，从而可以更加准确地预测基坑施工中承压水降水对周边环境的影响。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。