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1、学校代号 10731 学 号 083430114001 分 类 号 TU312 密 级 公开 硕士学位论文基坑降水的三维有限元模拟分析及其工程应用学位申请人姓名 培 养 单 位 导师姓名及职称 学 科 专 业 研 究 方 向 基坑支护 论文提交日期 硕土学位论文目 录摘 要IAbstractII第1章 绪 论- 1 -1.1 引 言- 1 -1.2 承压水基坑降水与支护结构国内外研究现状- 3 -1.3 主要研究内容与关键技术- 9 -1.3.1 主要研究内容- 9 -1.3.2 关键技术- 10 -1.4 本课题的研究工作量及其研究路线- 11 -第2章 基坑降水理论基础- 12 -2.1
2、地下水储存- 12 -2.2 渗流基本概念及达西定律- 14 -2.3 基坑中地下水的危害- 15 -2.3.1 流砂- 15 -2.3.2管涌- 16 -2.5.3基坑底的突涌- 16 -2.4 基坑降水的作用与降水方法- 17 -2.4.1 基坑降水的作用- 17 -2.4.2 降水方法- 17 -2.4 基坑渗流规律- 19 -2.4.1 基坑渗流类型- 19 -2.4.3基坑降水类型- 21 -2.5 基坑降水引起的地面沉降与建（构）筑物变形- 22 -2.6 基坑降水对周边环境的影响评价- 23 -2.6.1 降水对周边环境的影响评价- 23 -2.6.2降水环境监测- 23 -2.
3、6.3 降水环境防治措施- 24 -第3章 基坑降水施工工艺- 26 -3.1 降水井施工要求- 26 -3.1.1 降水工程实施阶段的主要控制环节- 26 -3.1.2 成井阶段井结构施工质量的主要控制环节- 26 -3.2 降水井结构设计- 26 -3.2.1管井的井管外径与壁厚- 26 -3.2.2 管井的井管内径与深度- 27 -3.2.3 管井的过滤器结构、规格、设置长度及其埋设位置- 28 -3.2.4管井降水的滤料级配规格与围填高度- 32 -3.2.5 管井止水封隔层的位置及封填材料- 33 -3.4 降水井施工方法- 34 -3.4.1轻型井点施工方法- 34 -3.4.2
4、喷射井点施工方法- 36 -3.4.3 管井施工方法- 37 -3.4.4 电渗井点施工方法- 41 -3.4.5 辐射井点施工方法- 41 -第4章 基坑降水有限元分析- 43 -4.1 单元的类型- 44 -4.2 有限元分析的解题过程- 49 -4.3 渗流有限元格式- 49 -4.4 水-土耦合分析- 52 -4.4.1 比奥固结理论- 52 -4.4.2 定解条件- 53 -4.5 MIDAS/GTS有限元软件简介- 54 -4.6 有限元模型的建立- 54 -4.7 模拟结果分析- 56 -4.7.1降水渗流分析- 56 -4.7.2 降水位移分析- 61 -4.7.3 支护桩内力
5、分析- 67 -4.8 本章小结- 69 -第5章 工程应用分析- 70 -5.1 徽县雅安大厦基坑工程的基本条件- 70 -5.1.1 工程概况- 70 -5.1.2 场地工程地质条件- 70 -5.2 基坑支护情况- 71 -5.3 场地水文地质条件及水文地质参数的确定- 75 -5.4 徽县雅安大厦基坑降水设计方案- 75 -5.5 徽县雅安大厦基坑降水施工方案- 77 -5.5.1 基坑降水施工工艺及技术要求- 77 -5.5.2 成井工艺技术配套参数选择- 77 -5.5.3 成井过程中应把握的关键环节- 78 -5.6 场地降水对邻近已有建筑物的影响分析- 78 -5.6.1 场地
6、降水对邻近已有建筑物的影响分析- 78 -5.6.2 降水效果- 79 -第6章 结论与展望- 80 -6.1 主要结论- 80 -6.2 展望- 80 -参考文献- 81 -致 谢- 92 -附录A 攻读学位期间所发表的学术论文- 93 -附录B 攻读学位期间所参与的科研、工程项目- 94 - 41 -硕土学位论文第一章研究背景及国内外现状 随着我国国民经济的高速发展，城市空间日趋紧张，三维城市空间已开始作为一种重要的自然资源加以开发。尤其是进入90年代后，大中城市地价不断上涨，空间利用率随之提高，出现了众多的超高层建筑，使深基坑工程向大深度和大规模方向发展。深基坑工程既是土力学基础工程中一
7、个古老的传统课题，基坑工程是一门涉及多学科的新兴学科，同时又是一个综合性的新型岩土工程问题，涵盖学科众多，如土力学、水力学、结构力学、材料力学、地质、施工等，既涉及到土力学中典型的强度、稳定与变形问题，又涉及到水、土与支护结构共同工作问题。相对比较复杂，综合性强，由此产生了不少的问题，成为岩土工程界关注的热点问题之一。基坑工程正确、科学的设计和施工，能带来巨大的经济效益和社会效益，对加快施工进度、保护环境发挥重要的作用。目前的深基坑工程仍处于边实践边摸索阶段，尚缺乏成熟技术规范指导，主要是用半理论半经验的方法解决问题，导致基坑工程事故时有发生，造成严重损失，从而制约了深基坑工程的发展。因此，加
8、强深基坑计算理论及数值模拟方法的研究，提高深基坑工程实践指导的科学性尤为重要。据统计，60%以上的基坑事故直接或间接与地下水有关。在甘肃张掖地区，地下水丰富，地下水位比较高，常常需要降水井或集水坑进行降水。深基坑降水过程中会使周围地表产生沉降和不均匀沉降，往往将导致周围地表发生沉降而对相邻建筑和周围环境产生危害，尤其对位处城市繁华闹市区、地下管线密集、交通要道等施工条件苛刻的区段。土体沉降主要受三个因素的影响：有效应力的增加；渗透力的作用；井点的真空作用。因此，建设部“建设与市政降水工程技术规范(JGJ/T 111-8)”中对降水工程设计的一般规定中指出：降水工程设计应进行多方案对比分析后选择
9、最优降水方案，降水工程设计应重视工程环境问题，防止产生不良工程环境影响。为此，探讨有关深基坑工程设计及降水对周围环境的影响，地表沉降影响的机理、地面沉降的计算，以及有效的防治措施在工程实际中具有重要意义。二、 国内外研究现状目前，我国采用较多的是井点降水方法，井点降水方法是新中国成立后才逐步发展起来的，最早在五十年代，在东北重工业基地建设、鞍山钢铁公司、包头钢铁公司等重大工程项目建设中，采用了轻型井点、喷射井点降水取得了良好的降水效果，这为我国的降水工程发展打下了良好的基础。二十世纪六十年代期间，在太原钢铁厂深基坑工程施工中采用了喷射井点及武汉船坞工程中也应用了喷射井点，降深为-14m获得了成
10、功。到20世纪70年代，天津、上海等地均开展射流泵和隔膜泵抽水装置研制工作。上海研制、生产的W型真空泵式成套抽水设备，使抽水装置向高效、节能、经济的方向发展，有力地推动了降水技术的进步。进入二十世纪八十年代以后，建筑与市政工程迅速发展，特别是高层建筑发展非常快，这些高层建筑都有一至二层地下室，个别的有三层地下室，这些地下室的基坑开挖都需要进行基坑降水，极大地促进了基坑降水技术的发展。其中最为突出的是上海宝山钢铁总厂的建设。上海宝山钢铁总厂地处长江口南岸三角洲冲积平原。地基土软弱，地下水位高，而水源又十分丰富。要在这样的地基上兴建超大型现代化钢铁企业，其难度是可想而知的。但工程施工人员知难而上，
11、首先开展了大量降水技术的专题研究，在取得一系列数据后制定了各种类型的降水方案。其次，在施工中采取了许多先进的降水措施。例如：大面积、深层降水成功地应用了喷射井点、喷射射流井点、吸喷井点及喷射一电渗井点，其降深为-20-15m，最深达-30m同时，为了适应于土层渗透性呈水平渗透性强，而垂直渗透性弱的特点，使各夹砂层的地下水能顺利地被抽走，研制成功了套管水冲枪施工井点新工艺及井点土工布滤层降水法，大大提高降水效果。工程施工人员还针对宝钢地质条件，提出单井抽水量计算式，按传统的井点间距扩大一倍。使用这种方法后，不仅降水好而且节省大量的费用，具有明显的经济效益。宝钢至今巍然屹立在长江口南岸。实践证明，
12、宝钢建设中所采取的降水技术是非常成功的。它不仅达到了工程设计所需要的降水深度，而且还满足了重型机械下坑施工的要求，更值得一提的是，工人还可以在坑里穿布鞋施工。当时，如此的降水效果是完全确保了宝钢工程的顺利进行。进入20世纪90年代，全国城市旧区改造步伐加快。要在市区内进行基坑工程施工时，又遇到新的课题，即基坑降水和土方开挖对周围环境的建筑物及地下管线造成变形的危害。这种新情况促使工程施工人员研究对策。通过几年来无数工程的实践，工程施工人员逐步开展了降水回灌技术及提出封闭式基坑施工方法，以减少基坑工程施工对周围环境造成的不良影响。该方法是行之有效的。在北京、天津还曾采用过水平井点降水实例，使井点
13、降水系统又增加一项新的方法。目前，我国已形成了较为完整的先进的整套降水技术，其降水规模之大、降水深度之深、降水方法之多及技术之先进，已达到世界先进国家水平。国外的降水技术应用比我国起步早，国外第一个有记录的降水实例，是用在竖井中将水抽去，以保证伦敦伯明翰铁路的Kilsby隧道的顺利施工，这些沿线布置的竖井抽水总量为430m3h。1896年，在建造柏林地下铁道时第一次用深井降水。1907年，在尼罗河上建造Esna堰时曾采用了底部开口有套管的深井。1928-1931年，在德国Bremehaven建造二座水闸时也采用58口深井来减压，降低了含水砂层的承压水位达15m，总抽水量为340m3h。1939
14、年，德国在Salzg-itter铁路一段长距离的挖方中，用电渗来稳定边坡。欧洲所用的深井降水，一般直径为20cm，间距为6-12m。滤管外部围以砂砾，用离心泵抽水并以一根总管相连，随后也采用涡轮泵或潜水泵。美国则采用50mm的小井点连在一起，形成井点系统，如1927年春在马萨诸塞州波士顿郊区的Lynn污水泵站即为一例。1928年夏，美国某公司公开展出井点系统的设备，挖一基坑，昼夜抽水，虽经下雨亦无影响。又如在佛罗里达州的Tampa，在3个25.3m366m的造船坞和25158.5m2的干船坞基坑，用2层井点系统降水，下层则作为永久性的减压井，使船坞底板只用20cm厚的混凝土。30年代，美国在井点系统上有所革新，如改用球阀和环阀的双阀式井点，以代替用冲管拔出再设井点的陈旧工艺，使并点自冲入土，按土质情况辅以扩孔环或扩孔器，井点冲孔到设计标高时减低水压，填砂，以形成良好的过滤层，50年代，又采用了冲吸两用的水泵设备、转盘钻和冲孔器来沉设井点，又进而用井点系统来固结或稳定压缩性的细粒土。纽约Chystie街的地下铁道工程，第一次大规模地用了700根喷射井点，降水12m。1931-1933年，在比利时的Scheldt河下建造的Antwep越江汽车隧道(直径9.14m)，采用了盾构、井点、河中深井、冻结等综合方法，在没有围堰保护下顺利施工，河中深
