CN110321577B - 承压水地层基坑内不完整井降水使坑外地表沉降计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于承压水地层基坑内降水引起基坑外降水的计算方法，S1、进行基坑内降水模型试验设计；S2、对降水曲线运用拟合的方法，得到承压水地层基坑内降水引起基坑外降水曲线拟合公式，所述拟合公式为：

S3、采用第一公式计算承压水地层沉降量；其中，第一公式为：

本发明为承压水地层基坑内不完整井降水引起基坑连续墙变形的研究提供了理论基础和依据，同时为基坑工程降水的设计、施工提供重要参考。

Description

承压水地层基坑内不完整井降水使坑外地表沉降计算方法

技术领域

本发明涉及基坑降水领域。更具体地，涉及承压水地层基坑内不完整井降水使坑外地表沉降计算方法。

背景技术

现有技术中大多运用于基坑外降水地表沉降的计算，对于基坑内降水，由于忽略不完整降水有效影响深度对坑外地表沉降的影响、未考虑不完整井坑外“下凹型”降水曲线以及渗流力对坑外地表沉降的特殊影响等原因，因此，采用现有技术中的计算方法计算得到的结果与实际误差较大。

目前，对于承压水地层变形计算，骆冠勇等认为由下卧承压水地层减压引起的固结沉降计算与一般的由堆载或潜水位下降引起的固结沉降计算不同，提出了在深厚弱透水层下卧强透水承压层的复杂地质条件下，下卧承压水地层减压引起的土中应力变化及周围地表沉降的计算方法。该计算方法的关键是减压水头曲线的确定，骆冠勇等并没有给出详细的解释和说明，并且该计算方法精确度有限，参考价值低。

并且，现有的计算方法种大多没有考虑到挡墙对绕渗区和非绕渗区的影响，因此往往计算公式只能适用于绕渗区或非绕渗区的其中之一，而对另一区域的精度显著降低。

有鉴于此，本发明提供一种承压水地层基坑内不完整井降水使坑外地表沉降计算方法，以解决上述问题。

发明内容

为解决上述问题至少之一，本发明提供一种承压水地层基坑内不完整井降水使坑外地表沉降计算方法，本发明采用下述技术方案：

本发明提供一种承压水地层基坑内不完整井降水使基坑外地表沉降计算方法，包括以下步骤：

S1、进行基坑内降水模型试验设计，得到承压水地层基坑内降水引起基坑外降水曲线；

S2、对降水曲线运用拟合的方法，得到承压水地层基坑内降水引起基坑外降水曲线拟合公式，所述拟合公式为：

其中h_w为降水稳定后基坑外距离挡墙最近处土层含水厚度(h_w可由该土层降水前含水厚度H减去该土层水位降深s_w得到)，H为降水前土层含水厚度，M_a为承压地层含水层等效厚度，k为土层渗透系数，x表示基坑外与挡墙的距离，h表示降水稳定后与挡墙距离x土层的含水厚度；

S3、采用第一公式计算承压水地层沉降量；

其中，第一公式为：

式中E_s为承压水层上覆弱透水土层的压缩模量，H₁为弱透水层厚度，γ_w为水的重度。

优选地，所述拟合公式M_a的计算由理论公式计算值M₀与影响放大系数相乘得到。

优选地，所述理论公式包括第一计算公式和第二计算公式，所述第一计算公式为：

所述第二计算公式为：

其中，Q_完整和Q_不完整表示分别表示完整井流量和不完整井流量，M₀表示完整井承压水层含水层厚度，r_w为降水井半径，k为土层渗透系数，l为降水井过滤器长度；

将所述第一计算公式和第二计算公式等效为Q_完整＝Q_不完整；S_w完整＝S_w不完整，利用Matlab软件计算得出M₀。

优选地，当单井降水时，所述影响放大系数为1.18；当双井降水时，所述影响放大系数为1.32。

优选地，所述方法还包括修正所述承压水地层沉降量的步骤，所述承压水地层沉降量采用修正公式修正，所述修正公式为：

其中，E_s为承压水层上覆弱透水土层的压缩模量，H₁为弱透水层厚度。

优选地，所述α由对所述拟合公式中的h进行一阶求导得到。

本发明的有益效果如下：

本发明提供一种承压水地层基坑内不完整井降水使基坑外地表沉降计算方法，相较于现有的运用于基坑外降水地表沉降的计算，本发明计算方法具有准确度高的优点，能够适应现有的工程需求，为基坑内不完整井降水引起基坑连续墙变形的研究提供了理论基础和依据，同时为基坑工程降水的设计、施工提供重要参考。

在本发明的优选技术方案中，本发明考虑到挡墙对绕渗区和非绕渗区的影响，对本发明的计算方法进行修正，使得计算精度更高，误差更小，计算结果更为准确，为施工和设计提供更加有效的指导。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出承压水地层基坑内降水引起基坑外地表沉降简化计算模型。

图2示出承压水地层基坑内降水引起基坑内地表沉降考虑渗流力土体变形计算简化模型。

图3示出本发明提供承压水地层基坑降水的计算方法流程图。

图4示出承压水地层a地表沉降验证曲线图。

图5示出承压水地层b地表沉降验证曲线图。

图6示出本发明修正后的承压水地层a地表沉降验证曲线图。

图7示出本发明修正后的承压水地层b地表沉降验证曲线图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

需要说明的是，本发明中进行基坑内降水模型试验设计，得到承压水地层基坑内降水引起基坑外降水试验监测曲线基于基坑内不完整井降水室内模型试验设计，其中包括地层、围护结构、和支撑结构相似材料设计、降水系统设计和监测系统设计，进行了基坑内不完整井大深度(降深0.52m)降水试验，得到了基坑内不完整井大深度降水引起的基坑外不同埋深的水位变化监测曲线。本发明中出现的符号标记的含义如下：

h_w为降水稳定后基坑外距离挡墙最近处土层含水厚度(h_w可由该土层降水前含水厚度H减去该土层水位降深s_w得到)；H为降水前土层含水厚度；s为降水井与挡墙的距离；α为修正系数；x表示基坑外与挡墙的不同距离；r_w为降水井半径；E_s为承压水层上覆弱透水土层的压缩模量，H₁为弱透水层厚度。k为土层渗透系数；l为降水井过滤器长度；Q_完整和Q_不完整表示分别表示完整井流量和不完整井流量，γ_w为水的重度。

实施例1

如图3所示，本实施例提供一种用于基坑内降水引起基坑外降水曲线计算和地表沉降计算的方法，包括以下步骤：

S1、进行基坑内降水模型试验设计，得到承压水地层基坑内降水引起基坑外降水曲线；

S2、对降水曲线运用拟合的方法，得到承压水地层基坑内降水引起基坑外降水曲线拟合公式，所述拟合公式为：

其中h_w为降水稳定后基坑外距离挡墙最近处土层含水厚度(h_w可由该土层降水前含水厚度H减去该土层水位降深s_w得到)；H为降水前土层含水厚度；M_a为等效承压含水层厚度，即基坑内不完整井有效影响深度，k为土层渗透系数，x表示与挡墙的不同距离，h表示降水稳定后与挡墙距离x土层的含水厚度；

S3、采用第一公式计算承压水地层沉降量；

其中，第一公式为：

式中E_s为承压水层上覆弱透水土层的压缩模量，H₁为弱透水层厚度。

所述拟合公式中的M_a由下述方法获得，承压水地层不完整单井稳定流计算公式如下：

当承压水井位于半无限厚含水层时，即要满足l/r_w>5，可以采用巴布什金提出的流量计算公式，如下

因此，承压水地层不完整井降水有效影响深度范围具体确定方法如下：

承压水完整井单井流量计算公式如下：

巴布什金承压水不完整井单井流量计算公式如下：

将承压水不完整井等效为与其流量及水位降深相同承压水完整井可得，

Q_完整＝Q_不完整，s_w(完整)＝s_w(不完整)

进而得到

根据上式，利用matlab软件可以近似计算分别得到的M₀是等效后的承压水完整井的含水层厚度。

由此可以得到基坑内降水引起基坑外距离挡墙任意位置的水位降深，建立地表沉降简化计算模型如图1。

由于目前采用的位移计测量极限精度仅能达到0.001mm，降深0.15m和0.25m引起的地表沉降监测数据过小，误差相对较大，监测结果不够精确，为区分不同的承压水地层，将不同承压水相似地层命名为承压水相似地层a和承压水相似地层b，以上述地层基坑内不完整井降深0.5m试验为例，故将降水曲线拟合公式计算得到埋深0.35m不同地层与地连墙不同距离的地下水位高度变化值如表1所示。

表1降深0.5m坑外距挡墙不同距离的降深计算值

注：表中地下水位变化单位为mm。

将表中水位高度变化值代入第一公式，得到地表位移变化计算结果如表2所示。

表2距挡墙不同距离的地表最终沉降量计算值

注：表中地表沉降单位为mm。

整理分析实际的降水曲线，并与本文理论计算得到的不同地层地表位移变化曲线对比，如图4和5所示。从图4和5所示可看出，计算值变化趋势与模型试验监测值基本吻合，计算结果合理可信。

本发明提供一种承压水地层基坑内不完整井降水使基坑外地表沉降计算方法，相较于现有的运用于基坑外降水地表沉降的计算，本发明计算方法具有准确度高的优点，能够适应现有的工程需求，为基坑内不完整井降水引起基坑连续墙变形的研究提供了理论基础和依据，同时为基坑工程降水的设计、施工提供重要参考。

实施例2

上一实施例中仍然有一定的误差，因此，本实施例提出了对应的修正步骤，承压水地层中由于挡墙的影响，在挡墙一侧降水，另一侧也会出现两个区域，即绕渗区和非绕渗区，绕渗区紧临挡墙，受挡墙影响最大，其水流的特点是同时存在水平和竖直方向的渗流，非绕渗区距离挡墙较远，挡墙的影响基本可以忽略，其水流特点是主要存在水平方向的渗流，竖直方向的渗流可以忽略。故可知在绕渗区内承压水的减压值分为竖直方向的减压值分量和水平方向的减压值分量。

由此可以得到基坑内降水引起基坑外距离挡墙任意位置的水位降深，考虑不完整井降水有效深度影响，建立地表沉降简化计算模型如图2所示。

设地表任意S点横坐标为x(即S点距井轴距离)，其竖直方向上稳定降落漏斗曲线高度h可由上式确定。首先求出x处与所求直线平行的曲线切线斜率(平行直线斜率相等)：

由图2可知

根据三角几何关系可得

将上式的tanα代入上式中可以得到sinα。

承压水绕渗区地层变形修正计算公式如下

式中E_s为承压水层上覆弱透水层的压缩模量，H₁为弱透水层厚度，h可以根据如下公式求出。

以承压水相似地层a和承压水相似地层b算例，不同地层绕渗区内，采用第一公式计算地表位移变化值，非绕渗区内，采用修正公式计算不同地层地表位移变化计算值，不同地层考虑与挡墙不同距离的地表位移计算值如表3所示。

表3与挡墙不同距离的地表位移计算值

注：表中地表沉降单位为mm。

表3计算得到的地表位移变化与实施例1中计算结果和试验结果进行对比，如图6-7所示。

从图6和7可看出，绕渗区考虑挡墙的作用得到的地表位移曲线与模型试验地表位移监测曲线吻合度更高，比简化计算方法的计算结果显著地接近试验监测值。该计算方法可快速便捷的估算不同降深时由基坑降水引起的坑外不同距离地面的沉降量，计算结果已较为准确，为施工和设计提供更加有效的指导。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (4)

1.一种承压水地层基坑内不完整井降水使基坑外地表沉降计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、进行基坑内降水模型试验设计，得到承压水地层基坑内降水引起基坑外降水曲线；

S2、对降水曲线运用拟合的方法，得到承压水地层基坑内降水引起基坑外降水曲线拟合公式，所述拟合公式为：

其中h_w为降水稳定后基坑外距离挡墙最近处土层含水厚度，h_w由该土层降水前含水厚度H减去该土层水位降深s_w得到，H为降水前土层含水厚度，M_a为承压地层含水层等效厚度，k为土层渗透系数，x表示基坑外与挡墙的距离，h表示降水稳定后与挡墙距离x土层的含水厚度；

S3、采用第一公式计算承压水地层沉降量；

其中，第一公式为：

式中E_s为承压水层上覆弱透水土层的压缩模量，H₁为弱透水层厚度，M表示承压水层含水层厚度，γ_w为水的重度；

所述拟合公式M_a的计算由理论公式计算等效后的承压水完整井的含水层厚度值M₀与影响放大系数相乘得到；

所述理论公式包括第一计算公式和第二计算公式，所述第一计算公式为：

所述第二计算公式为：

其中，Q_完整和Q_不完整表示分别表示完整井流量和不完整井流量，r_w为降水井半径，k为土层渗透系数，l为降水井过滤器长度；

将所述第一计算公式和第二计算公式等效为Q_完整＝Q_不完整；S_w完整＝S_w不完整，利用Matlab软件计算得出等效后的承压水完整井的含水层厚度M₀。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述放大系数根据单井和双井降水通过试验获得，所述放大系数的为1.18和1.32。

3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述方法还包括修正所述承压水地层沉降量的步骤，所述承压水地层沉降量采用修正公式修正，所述修正公式为：

其中，E_s为承压水层上覆弱透水土层的压缩模量，H₁为弱透水层厚度。

4.根据权利要求3所述方法，其特征在于，

所述α由对所述拟合公式中的h进行一阶求导得到，包括：

计算地表任意一处与坑外稳定水位线平行的曲线切线斜率tanα

根据三角几何关系可得sinα。

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