CN102322078A - 一种承压水基坑开挖与降压耦合效应的突涌破坏计算处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种承压水基坑开挖与降压耦合效应的突涌破坏计算处理方法，包括以下步骤：1）选取基坑降压渗流场和开挖应力场模型计算范围；2）定义计算范围内坑周土材料属性；3）用有限元程序创建几何实体模型，进行单元离散化；4）设定基坑降压渗流场和开挖应力场模型边界条件；5）对基坑模型进行开挖与降压耦合效应的有限元模拟计算；6）根据计算结果得出承压水基坑坑周土突涌塑性破坏分布图，判断基坑是否突涌。与现有技术相比，本发明考虑了基坑开挖效应和降压渗流效应的耦合作用，考虑了坑周土抗剪强度、非均质性和弹塑性，弥补了现有基坑突涌评判方法的不足，提高了基坑突涌破坏判断的准确性和可靠性。

Description

一种承压水基坑开挖与降压耦合效应的突涌破坏计算处理方法

技术领域

本发明涉及一种承压水基坑突涌破坏计算处理方法，尤其涉及一种承压水基坑开挖与降压耦合效应的突涌破坏计算处理方法。

背景技术

随着我国城市地下空间的大规模开发利用，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条件也日益复杂，其工程事故率和损失也越来越大。据有关文献资料统计，有的地区基坑工程施工成功率只有1/3，其余2/3的基坑都或多或少存在这样或那样的问题，而且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突涌失稳。

但是，如何判断承压水基坑抗突涌稳定？目前，关于承压水基坑突涌稳定性的判断分析方法，现行基坑工程规范和一般教科书里均采用了压力平衡法，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，其计算结果显然不够合理。尽管有些学者在探索采用其它方法进行研究，提出的方法有：均质连续梁、板分析法，带预应力均质连续梁、板分析法，以及均质连续体法等。但在这些研究方法中，他们都将坑底隔水层土体假定为均质、连续弹性体，分析过程中没有考虑坑内土体开挖卸载对坑底土应力状态的影响，没有考虑动水压力在坑底土和围护结构之间的渗流作用。实际工程中，软土地区含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单元模型分析显然不合理，且当隔水层土体厚度与基坑跨度之比较大时，简化成梁或板单元模型分析与梁、板定义也不符；另一方面，基坑内土体开挖卸载和承压水在坑底土与围护结构之间的渗流作用也会加速促进坑底土产生突涌塑性破坏。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种承压水基坑开挖与降压耦合效应的突涌破坏计算处理方法，通过考虑基坑开挖效应和降压渗流效应的耦合作用，考虑坑周土抗剪强度、非均质性和弹塑性，来提高基坑突涌破坏判断的准确性。

为此，本发明采用以下技术方案：

一种承压水基坑开挖与降压耦合效应的突涌破坏计算处理方法，包括以下步骤： 

1）选取基坑降压渗流场和开挖应力场模型计算范围；

2）定义计算范围内坑周土材料属性；对于降压渗流场，假定坑周土为非均质、各向异性、成层分布，渗流为二维稳定平面流，且渗流符合达西定律；

对于开挖应力场，假定坑周土是非均质、各向同性、成层分布的弹塑性体，土体塑性屈服破坏服从Mohr—Coulomb准则。

3）用有限元程序创建几何实体模型，进行单元离散化；所述的基坑几何实体模型中自下而上为承压含水层、弱透水层和潜水层，且设有基坑围护结构和钢支撑；

4）设定基坑降压渗流场和开挖应力场模型边界条件；

5）对基坑模型进行开挖与降压耦合效应的有限元模拟计算；

6）根据计算结果得出承压水基坑坑周土突涌塑性破坏分布图，判断基坑是否突涌。

本发明中，所述的步骤1）中模型计算范围选取原则为：

模型宽度根据基坑开挖和降压的影响范围、及基坑结构对称性确定；

模型高度取基坑承压含水层底至基坑顶面高度；

本发明中，所述的步骤3）中的几何实体模型，坑周土采用二维实体单元离散，围护结构和钢支撑分别采用梁单元和杆单元离散。

本发明中，所述的步骤4）中的模型边界条件处理为：对于降压渗流场，模型边界条件为：坑底边界视为隔水边界，沿基坑断面两侧视为第一类给定水头边界，基坑围护结构视为不透水边界；

对于开挖应力场，模型边界条件为：沿基坑横断面两侧边界视为竖向滑动，坑顶视为自由边；坑底视为固支约束。

本发明中，所述的步骤5）中的对基坑进行开挖与降压耦合效应的有限元模拟计算，耦合计算有限元方程为：                                               

其中， ，    

 ， 

式中，

为应力场刚度矩阵，

为应力场单元应变矩阵，

为应力场单元弹性矩阵或弹塑性矩阵；为应力场耦合矩阵，

为应力场单元形函数矩阵，

为单位等参向量；为渗流场刚度矩阵，

为渗流场单元梯度矩阵，

为渗流场单元渗透系数矩阵；

为渗流场耦合矩阵，

为渗流场单元形函数矩阵，为渗流场单元应变矩阵；M为应力场和渗流场剖分单元数；

为求解域位移增量向量；为求解域孔隙水压力增量向量；

为求解域节点荷载增量向量；△t为时间增量；

为水容重；

为t+△t时刻求解域边界节点流量向量；

为t时刻求解域孔隙水压力向量。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：本发明考虑了基坑开挖效应和降压渗流效应的耦合作用，考虑了坑周土抗剪强度、非均质性和弹塑性，弥补了现有基坑突涌评判方法的不足，提高了基坑突涌破坏判断的准确性，可有效地指导承压水基坑经济合理地设计与施工，保证工程建设安全。

附图说明

图1为本发明实施例的承压水基坑开挖与降压耦合效应计算模型。(a)为降压渗流场，(b)为开挖应力场。

图2为本发明实施例的承压水基坑横断面图。

图3为本发明实施例的承压水基坑开挖与降压耦合效应计算模型有限元网格图。(a)为降压渗流场，(b)为开挖应力场。

图4为本发明实施例的承压水基坑开挖与降压耦合效应作用下基坑突涌塑性破坏区分布图。其中：（a）为当基坑挖至坑底、承压水头为28m时坑周土塑性区分布，（b）为当基坑挖至坑底、承压水头由28m降至24m时坑周土塑性区分布，（c）为当基坑挖至坑底、承压水头由28m降至20m时坑周土塑性区分布。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

实施例1：一种承压水基坑开挖与降压耦合效应的突涌破坏计算处理方法，包括以下步骤： 

1）选取基坑降压渗流场和开挖应力场模型计算范围；

2）定义计算范围内坑周土材料属性；

3）用有限元程序创建几何实体模型，进行单元离散化；

4）设定渗流场和应力场模型边界条件；

5）对基坑模型进行开挖与降压耦合效应的有限元模拟计算；

6）根据计算结果得出承压水基坑坑周土突涌塑性破坏分布图，判断基坑是否突涌。

某地铁车站外轮廓尺寸为169.2×19.6m，其中端头井段深基坑宽19.0m、深16.7m，基坑围护结构地下连续墙厚0.8m、深30m，沿深度方向设5道φ609mm、壁厚16mm的钢管支撑，基坑断面如附图2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。坑底第⑦砂土层为承压含水层，降水前承压水头高28.0m，基坑潜水位在地面以下约1.0m，地基土分层如附图2，土的物理力学参数如表1所示。

根据基坑开挖和降压的影响范围及基坑结构对称性，计算模型宽度取100m，模型高度取45.0m（即承压含水层底板至地面高度）。基坑开挖应力场和降压渗流场计算模型的有限元网格划分如附图3所示，计算模型中，土体采用平面四节点等参数单元模拟，围护结构地下连续墙采用梁单元模拟，钢支撑采用杆单元模拟，围护结构和支撑的计算参数如表2所示。

对于降压渗流场，假定坑周土为非均质、各向异性、成层分布，渗流为二维稳定平面流，且渗流符合达西定律。渗流场计算的初始水头和边界条件为：降压抽水前，承压含水层⑦层压力水头取为28.0m，隔水层压力水头取为0，潜水位在地面以下约1.0m；当基坑抽水降压至24m、20m时，远离基坑侧边的⑦层承压水头假定为28m不变，基坑中心处⑦层承压水头分别取为24m和20m，隔水层压力水头仍取为0，由于围护结构插入隔水层，潜水位假定不变。

对于开挖应力场，假定坑周土是非均质、各向同性、成层分布的弹塑性材料，土体塑性屈服破坏服从Mohr—Coulomb准则。计算模型边界条件为：基坑断面两侧边假定为竖向滑动约束；坑顶边界为自由端，取至地表；坑底边界为固支约束。

采用承压水基坑开挖与降压耦合效应的突涌塑性破坏计算模型分析，计算得到的车站端头井深基坑开挖完成、在不同承压水头作用下塑性破坏分布如附图4所示（附图中的黑色部分为塑性破坏区）；表3是根据模型计算结果得到的基坑突涌破坏判断情况（突涌破坏判断标准是坑底塑性破坏区贯穿隔水层顶板和底板），并将模型计算判断结果与压力平衡法、离心试验和现场观测结果进行了比较。

实施例的研究结果显示，采用压力平衡法得到的判断结果与离心试验和现场实际出入较大，而采用承压水基坑开挖与降压耦合效应的突涌破坏计算模型分析，得到的判断结果与现场实际和试验结果吻合一致，从而验证了本发明技术方案的正确性。

使用本发明方法，有效地提高了承压水基坑突涌破坏判断的准确性和可靠性，可指导承压水基坑经济合理地设计与施工，减少基坑工程事故的发生，保证工程建设安全。

表1  土的物理力学参数

表2  围护结构与支撑计算参数

	弹性模量E / Mpa	截面积A / ㎡	惯性矩I / m4
				围护结构（墙厚0.8m）	2.55×104	0.8	4.267×10-2
钢支撑(φ609mm、壁厚16mm)	2.06×105	2.98×10-2	—

表3  基坑开挖与降压耦合效应模型计算判断结果与试验及其它方法比较

承压水水头高	基坑开挖与降压耦合效应突涌破坏计算模型	离心试验	现场实际	压力平衡法
					28m	无突涌	坑底稳定、无突涌	未观测	突涌
24m	无突涌	坑底稳定、无突涌	无突涌	突涌
					20m	无突涌	坑底稳定、无突涌	未观测	无突涌

Claims (5)

1.一种承压水基坑开挖与降压耦合效应的突涌破坏计算处理方法，其特征在于包括以下步骤： 

1）选取基坑降压渗流场和开挖应力场模型计算范围；

2）定义计算范围内坑周土材料属性；对于降压渗流场，假定坑周土为非均质、各向异性、成层分布，渗流为二维稳定平面流，且渗流符合达西定律；

对于开挖应力场，假定坑周土是非均质、各向同性、成层分布的弹塑性体，土体塑性屈服破坏服从Mohr—Coulomb准则；

3）用有限元程序创建几何实体模型，进行单元离散化；所述的基坑几何实体模型中自下而上为承压含水层、弱透水层和潜水层，且设有基坑围护结构和钢支撑；

4）设定基坑降压渗流场和开挖应力场模型边界条件；

5）对基坑模型进行开挖与降压耦合效应的有限元模拟计算；

6）根据计算结果得出承压水基坑坑周土突涌塑性破坏分布图，判断基坑是否突涌。

2.根据权利要求1所述的一种承压水基坑开挖与降压耦合效应的突涌破坏计算处理方法，其特征在于，所述的步骤1）中的模型计算范围选取原则为：

模型宽度根据基坑开挖和降压的影响范围、及基坑结构对称性确定；

模型高度取基坑承压含水层底至基坑顶面高度。

3.根据权利要求1所述的一种承压水基坑开挖与降压耦合效应的突涌破坏计算处理方法，其特征在于，所述的步骤3）中的几何实体模型，坑周土采用二维实体单元离散，围护结构和钢支撑分别采用梁单元和杆单元离散。

4.根据权利要求1所述的一种承压水基坑开挖与降压耦合效应的突涌破坏计算处理方法，其特征在于，所述的步骤4）中的模型边界条件处理为：

对于降压渗流场，模型边界条件为：坑底边界视为隔水边界，沿基坑断面两侧视为第一类给定水头边界，基坑围护结构视为不透水边界；

对于开挖应力场，模型边界条件为：沿基坑横断面两侧边界视为竖向滑动，坑顶视为自由边；坑底视为固支约束。

5.根据权利要求1所述的一种承压水基坑开挖与降压耦合效应的突涌破坏计算处理方法，其特征在于，所述的步骤5）中的对基坑进行开挖与降压耦合效应的有限元模拟计算，耦合计算有限元方程为：                                               

其中，

 ，    

 ， 

式中，

为应力场刚度矩阵，

为应力场单元应变矩阵，

为应力场单元弹性矩阵或弹塑性矩阵；

为应力场耦合矩阵，

为应力场单元形函数矩阵，

为单位等参向量；

为渗流场刚度矩阵，

为渗流场单元梯度矩阵，为渗流场单元渗透系数矩阵；

为渗流场耦合矩阵，

为渗流场单元形函数矩阵，

为渗流场单元应变矩阵；M为应力场和渗流场剖分单元数；

为求解域位移增量向量；

为求解域孔隙水压力增量向量；

为求解域节点荷载增量向量；△t为时间增量；

为水容重；

为t+△t时刻求解域边界节点流量向量；

为t时刻求解域孔隙水压力向量。

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