CN101906786A - 软土地层含承压水基坑突涌渗透破坏判断方法 - Google Patents

Abstract

软土地层含承压水基坑突涌渗透破坏判断方法，尤其涉及一种软土地层含弱透水层的承压水基坑突涌渗透破坏判断方法。本发明根据基坑坑底出渗面土体稳定条件，推导得到坑底土突涌渗透破坏方程，再根据渗透破坏方程整理得到突涌破坏临界渗透坡降；然后建立基坑二维渗流计算模型，计算坑底土最大渗流坡降；判断坑底土是否产生渗透破坏。与现有技术相比，本发明克服了强度理论和其它方法对坑底发生流砂、流土或类似于“沸腾”喷水冒砂这样的突涌破坏现象无法解释这一不足。

Description

软土地层含承压水基坑突涌渗透破坏判断方法

技术领域

本发明涉及一种软土地层承压水基坑突涌破坏判断方法，尤其涉及一种软土地层含弱透水层的承压水基坑突涌渗透破坏判断方法。

背景技术

近年来，随着我国城市地下铁道、高层建筑、人防工程等基础设施的迅速发展，深基坑工程日益增多，深基坑工程开挖施工的地质条件和环境也日益复杂，其工程事故率和损失也越来越大。在深基坑工程中，一项事关全局的工作就是地下水防治，特别是在沿海软土地区，地下水是深基坑工程的天敌，是导致基坑工程事故最直接的原因之一。根据有关文献统计，与地下水有关的基坑事故约占总事故的45％～70％。

基坑工程中的地下水按其埋藏条件一般包括上层滞水、潜水和承压水这三类。其中，承压水是地表以下充满于两个稳定隔水层之间承受静水压力的含水层中的重力水，含承压水基坑在开挖施工中易产生突涌，易造成基坑底隆起变形和围护结构变形增大，影响基坑稳定，易产生管涌、流砂或流土。因此，对于软土地层的含承压水基坑，当基坑开挖深度过深或承压水头过高，基坑的抗突涌稳定性得不到满足时，则须采取一定的措施防止基坑失稳。

但是，如何判断承压水基坑突涌稳定是一个值得研究的课题。目前，对于承压水基坑突涌稳定性的判断分析方法，不论是现行基坑工程规范，还是一般的教科书和工程设计施工手册里均采用压力平衡方法，该方法只考虑了承压含水层顶隔水层土体自重力引起的抗力，忽略了隔水层土体的抗剪强度，而且这种抗力在硬土隔水层中还比较大，其计算结果显然不尽合理。尽管有些学者在探索采用其它方法进行研究，如：梁勇然(1996)和李建交(1998)采用的均质连续梁、板分析法，杜贵成(1998)和马石城(2004)采用的带预应力均质连续梁、板分析法，谭松林(2002)采用的均质连续体法等。但在这些研究中，他们都将坑底隔水层土体假定为均质、连续弹性体。实际工程中，软土地区承压水基坑坑底隔水层为非均质、成层分布的弹塑性体，土体没有抗弯性能，简化成具有抗弯性能的梁或板模型分析显然不够合理，且当隔水层土体厚度与基坑跨度之比较大时，简化成梁或板模型分析与梁、板定义也不符。此外，对于弱透水层的承压水基坑，其突涌破坏常表现为坑底发生流砂、流土或类似于“沸腾”喷水冒砂这样的渗透破坏，如：南京地铁一号线某明挖区间隧道深基坑封底前坑底出现的涌水、涌砂、以及某市24层大厦深基坑开挖过程中坑底的涌水涌浆现象等，这些现象用强度理论和压力平衡理论是难以解释的。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种软土地层含承压水基坑突涌渗透破坏判断方法，通过考虑坑底土抗剪强度和动水压力-渗透力的作用，来提高判断的准确性。

为此，本发明采用以下技术方案：

一种软土地层含承压水基坑突涌渗透破坏判断方法，其特征在于包括以下步骤：

1)分析基坑坑底出渗面单元体受力状况，得到单元体受到的渗透力γ_wJ，浮重力γ′V、土粒间的摩擦力

及单位单元体所受的粘聚力C；其中，γ_w和J分别是水的重度和坑底面渗透坡降；γ′为浮容重；V是单元体体积，等于1；

为土的内摩擦角，ξ为侧压力系数；

2)根据渗透破坏方程

得到基坑突涌破坏临界渗透坡降

3)根据基坑结构对称性、支护结构形式和渗流特征建立基坑二维渗流有限元计算模型，并根据基坑水头高度计算出坑底土最大渗流坡降；

4)比较基坑突涌破坏临界渗透坡降和坑底土最大渗流坡降，判断坑底土是否产生渗透破坏。

作为对上述技术方案的完善和补充，本发明进一步采取如下技术措施或是这些措施的任意组合：

1)基坑二维渗流场数学模型为：

$\frac{\∂}{\∂x}\left(T_x\frac{\∂H}{\∂x}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left(T_y\frac{\∂H}{\∂y}\right)=0,(x,y)\∈\mathrm{\Ω}$

方程求解的初始水头条件为：H(x，y，t)|_t＝0＝H₀(x，y)(x，y)∈Ω

第一类水头边界条件为：

第二类水头边界条件为：

上式中，H为渗流场压力水头；T_x、T_y为导水系数，T_x＝K_xT，T_y＝K_yT，K_x、K_y为x、y方向渗透系数，T为含水层厚度；Ω为基坑二维渗流场区域；H₀(x，y)为初始水头已知函数；

为水头边界已知函数；q(x，y，t)为流量边界已知函数。

2)建立基坑二维渗流有限元计算模型时，假定：坑周土为非均质、各向异性、成层分布；渗流为二维平面流，且符合达西定律；含水层土体不考虑弹性释水或贮水。

3)建立基坑二维渗流有限元计算模型时，模型底面取至弱透水层底，视为隔水边界；模型顶面取至坑顶，视为自由边界；靠近坑中心侧面为第二类流量边界，另一侧为第一类给定水头边界；围护结构视为隔水边界。

有益效果：本发明从弱透水层的承压水基坑突涌渗透破坏的机理出发，推导得到了坑底弱透水层土体突涌渗透破坏条件方程。该方法考虑了坑底土抗剪强度和动水压力-渗透力的作用，克服了强度理论和其它方法对坑底发生流砂、流土或类似于“沸腾”喷水冒砂这样的突涌破坏现象无法解释这一不足。

附图说明

图1是本发明实施例的坑底出渗面单元体受力分析图。

图2是本发明实施例的弱透水层承压水基坑二维渗流有限元计算模型图。

图3是本发明实施例的上海地铁某车站深基坑断面图。

图4是本发明实施例的计算模型有限元网格划分图。

图5是本发明实施例的水头高28m坑底弱透水层和坑底面Y方向渗流梯度分布。

图6是本发明实施例的水头高24m坑底弱透水层和坑底面Y方向渗流梯度分布。

图7是本发明实施例的水头高20m坑底弱透水层和坑底面Y方向渗流梯度分布。

具体实施方式

如图1、图2所示，一种软土地层含承压水基坑突涌渗透破坏判断方法，包括以下步骤：

1)分析基坑坑底出渗面单元体受力状况，得到单元体受到的渗透力γ_wJ，浮重力γ′V、土粒间的摩擦力

及单位单元体所受的粘聚力C；其中，γ_w和J分别是水的重度和坑底面渗透坡降；γ′为浮容重；V是单元体体积，等于1；

为土的内摩擦角，ξ为侧压力系数；

2)根据渗透破坏方程

得到基坑突涌破坏临界渗透坡降

3)根据基坑结构对称性、支护结构形式和渗流特征建立基坑二维渗流有限元计算模型，并根据基坑水头高度计算出坑底土最大渗流坡降；

4)比较基坑突涌破坏临界渗透坡降和坑底土最大渗流坡降，判断坑底土是否产生渗透破坏。

作为对上述技术方案的完善和补充，建立基坑二维渗流有限元计算模型时，假定：

1)坑周土非均质、各向异性、成层分布；

2)渗流为二维平面流，且符合达西定律；

3)含水层土体不考虑弹性释水或贮水；

4)模型底面取至弱透水层底，视为隔水边界；模型顶面取至坑顶，视为自由边界；靠近坑中心侧面为第二类流量边界，另一侧为第一类给定水头边界；围护结构视为隔水边界。

某车站深基坑长169.2m，宽19.0m，深16.7m，基坑断面如附图3所示。基坑场地地基属第四系河口-滨海浅海相沉积层，主要由饱和粘性土、粉性土及砂土组成，其中，坑底缺失硬土隔水层第⑥层，第⑦砂土层(包括⑦-1a和⑦-1b)为承压含水层，降水前承压水头高28.0m，坑底各土层分布和土的物理力学参数见表1。

根据坑底出渗面土体稳定条件求得出坑底土产生突涌破坏的临界渗透坡如表2所示，再建立基坑二维渗流有限元计算模型，如图2。建模时考虑基坑结构对称性和基坑降水影响范围，计算模型宽度取为B＝100m，模型高度取为H＝45.0m(即承压含水层底板至地面高度)，计算模型有限元网格划分如图4，根据渗流有限元模型计算得到的承压水头为28m、降到24m、降到20m时的坑底土和坑底面Y方向渗流坡降分布如图5～图7，比较坑底面最大渗流坡降和基坑突涌破坏临界渗透坡降，便可判断坑底土是否产生渗透破坏。基坑突涌渗透破坏模型判断结果与离心试验、现场观测及压力平衡法判断结果比较如表2所示。

由表2分析可知，采用突涌渗透破坏模型分析，得到的判断结果与现场实际和离心试验结果比较吻合，而采用压力平衡法得到的判断结果与现场实际和离心试验结果出入较大。

表1

表2

应当指出，本实施例仅列示性说明本发明的原理及功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此项技术的人员均可在不违背本发明的精神及范围下，对上述实施例进行修改。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (4)

1.一种软土地层含承压水基坑突涌渗透破坏判断方法，其特征在于包括以下步骤：

1)分析基坑坑底出渗面单元体受力状况，得到单元体受到的渗透力γ_wJ，浮重力γ′V、土粒间的摩擦力及单位单元体所受的粘聚力C；其中，γ_w和J分别是水的重度和坑底面渗透坡降；γ′为浮容重；V是单元体体积，等于1；

为土的内摩擦角，ξ为侧压力系数；

2)根据渗透破坏方程

得到基坑突涌破坏临界渗透坡降

3)根据基坑结构对称性、支护结构形式和渗流特征建立基坑二维渗流数学模型和有限元计算模型，并根据基坑水头高度计算出坑底土最大渗流坡降；

4)比较基坑突涌破坏临界渗透坡降和坑底土最大渗流坡降，判断坑底土是否产生渗透破坏。

2.根据权利要求1所述的模拟软土地层含承压水基坑突涌渗透破坏判断方法，其特征在于：基坑二维渗流场数学模型为：

$\frac{\∂}{\∂x}\left(T_x\frac{\∂H}{\∂x}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left(T_y\frac{\∂H}{\∂y}\right)=0,(x,y)\∈\mathrm{\Ω};$

数学方程求解的初始条件为：H(x，y，t)|_t＝0＝H₀(x，y)    (x，y)∈Ω

第一类水头边界条件为：

第二类水头边界条件为：

上式中，H为渗流场压力水头；T_x、T_y为导水系数，T_x＝K_xT，T_y＝K_yT，K_x、K_y为x、y方向渗透系数，T为含水层厚度；Ω为基坑二维渗流场区域；H₀(x，y)为初始水头已知函数；

为水头边界已知函数；q(x，y，t)为流量边界已知函数。

3.根据权利要求1所述的模拟软土地层含承压水基坑突涌渗透破坏判断方法，其特征在于：建立基坑二维渗流有限元计算模型时，假定：坑周土为非均质、各向异性、成层分布；渗流为二维平面流，且符合达西定律；含水层土体不考虑弹性释水或贮水。

4.根据权利要求1所述的模拟软土地层含承压水基坑突涌渗透破坏判断方法，其特征在于：建立基坑二维渗流有限元计算模型时，模型底面取至弱透水层底，视为隔水边界；模型顶面取至坑顶，视为自由边界；靠近坑中心侧面为第二类流量边界，另一侧为第一类给定水头边界；围护结构视为隔水边界。

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