渗流场耦合降水支护结构.doc

渗流场耦合降水支护结构深基坑工程中，降水和支护系统的研究日趋受到普遍的关注，尤其是沿海地区，例如长江三角洲第四纪松散沉积层地区［1］。深基坑降水过程实际是渗流场和应力场相互耦合的过程，关于土体和流体相互作用的研究最早见于太沙基对地面沉降的研究，提出了著名的有效应力原理，并建立了一维固结模型，之后比奥在此基础上建立了较为完善的三维固结理论，Verrujit进一步发展了多相饱和渗流与孔隙介质耦合的理论模型，在连续介质力学的系统框架内建立了Euler型多相流体运移和变形孔隙介质耦合问题的理论模型［2］。基于上述基本理论，目前关于深基坑降水过程提出了许多计算模型，主要有水土分算模型、部分耦合模型和基于比奥固结理论的全耦合模型［2］。比奥固结理论从较严格的固结机制出发推导了准确反映孔隙水压力消散与土骨架变形相互关系的三维固结方程，运用基于比奥固结理论可将渗流模型与土力学分析模型有机的结合起来，对基坑降水进行渗流与应力耦合的分析。然而深基坑在降水作用下支护结构体系的位移研究由于受到土质条件、基坑深度、周边环境、施工方法和支护结构体系参数等因素的影响，理论与应用无法同步，工程应用也尚不明确，故大多数工程中均未考虑深基坑降水作用下支护结构的位移问题，从而引起了许多工程事故。1水土全耦合模型假定饱和土体中土骨架变形为线弹性和微小变形、地下水渗流符合达西定律，且不可压缩或微压缩，取以x、y为同一水平面的直角坐标系，z方向向上为正，则三维比奥固结方程如下［3～7］:式中:G为剪切模量，ν为泊松比，wx、wy、wz分别为x、y、z方向上的位移分量，u为孔隙水压力，kx、ky、kz分别为x、y、z方向上的渗透系数，γ为土的重度，γw为水的重度，Ω为研究区域。1.1定解条件1.1.1初始条件地应力初始条件:采用土体的自重应力估算土体的初始应力:1.1.2边界条件孔隙水压力边界条件Γ:属于混合边界，式中μ为土体给水度，θ为自由面外法线方向与垂线的交角，q为通过自由面边界Γ3的单位面积流量。2摩尔-库仑线性模型弹塑性摩尔-库仑模型包括5个参数，表示土体弹性的杨氏模量E和泊松比ν，表示土体塑性的内摩擦角φ和黏聚力c，以及剪胀角ψ。摩尔-库仑模型描述了对岩土行为的一种“一阶”近似。摩尔-库仑的屈服条件为如下形式［8］:式中:I1为应力张量第一不变量;J2为应力偏量第二不变量;θ为洛德角;C、φ为土的强度参数。对于非饱和土体，孔隙水压力uw=Sγwh，联立土体平衡方程及广义有效应力原理，则得到应力场控制方程为3工程实例3.1工程概况拟建工程良志嘉年华二期项目位于兰州市城关区内，基坑开挖深度约15m，基坑周长约为820m，面积约为32025m2，地下室设地下车库。针对现场的实际情况，基坑采用单级复合土钉墙的支护措施;在此工程中，共计10排，其中第二排和第三排为预应力锚杆支护，其余均为土钉支护，土钉及锚杆水平间距1.1m，倾角均为10°，基坑围护平面布置图如图1所示，基坑剖面图如图2所示。基坑所处地层复杂，简化其三层，分别为杂填土、卵石层及强风化泥质砂岩，其物理力学特性如表1所示，地下水属潜水类型，主要含水层为卵石层，水位埋深约为7.24m。3.2计算模型本文采用大型通用岩土工程有限元软件PLAXIS对复合土钉支护进行分析，该程序广泛用于岩土工程的应力-应变、渗流分析及固结分析等领域。土体采用Mohr-Coulomb理想弹塑性模型;土钉采用土工栅格单元，此单元是具有轴向刚度而无弯曲刚度的细长形结构;锚杆自由段采用点对点锚杆单元，它具有两个节点，此单元既可以承受拉力也可以受压;锚杆锚固段采用与土钉类似的单元;土体与结构物之间的界面用界面单元来处理，通过给界面选取合适的界面强度折减因子来模拟土体强度与界面强度之间的关系，本文中按照土体强度参数折减65%而获得。水压通过指定地下水头利用潜水位来生成水压。3.3数值模拟结果与分析本工程的数值模拟主要为比较在有降水作用下和未考虑地下水两种情况下的支护结构体系的位移，为此，首先进行了在未考虑地下水条件下的模拟，即不考虑孔隙水压，地下水位线默认为基坑底部。其次依据实际工程的地下水位线－7.24m，进行了数值模拟，以便找到降水作用对支护结构体系位移的影响。依工程的特殊性和设计要求，共分为10施工步，即每一排锚杆或土钉定义为一个施工步。3.3.1整体位移场的分析图5分别给出了未考虑地下水作用和考虑降水作用基坑的总位移云图。由图可见，在未考虑地下水对基坑总位移的影响时，坑后的位移很小，约为20～25mm。并且在卵石层位置处总位移更小。在考虑了降水作用的影响时，由结果显示，极大的增加了坑后的总位移，约为22.5mm～37.5mm，这也不难解释，众所周知，土由土颗