基坑降水对周边土体变形的影响

LOGO基坑降水引起周边土体沉降读书笔记在降水施工中，由于大量抽取地下水，使地下水位快速大幅度下降，从而在含水层中产生两种压缩作用：一是含水层孔隙水压力降低而压密；二是相对隔水的粘性土释水压缩固结。由砂性土组成的含水层由于孔隙水压力降低而产生的颗粒间被压缩，是属弹性变形，弹性变形速度快、沉降量小，具有水位恢复后可全部回弹的特点；而粘性土层释水后产生的压缩固结是塑性变形，速度慢，沉降量较大，水位恢复后回弹量很小，地面变形显著。深基坑降水引起地面沉降的机理分析王应旭对于砂性土含水层来说，其介质是由砂颗粒和液体水两部分组成。如果颗粒之间的孔隙相互连通而又充满水，则孔隙中的水服从静水压力分布规律。这种由孔隙水传递的应力称之为孔隙水压力。在含水层中的任意一点，由静水各方向产生的压力相等，孔隙水压力只能压缩砂颗粒本身，不能使砂颗粒产生位移，而颗粒本身的压缩量是可以忽略不计的，即孔隙水压力是不可能引起含水层变形的。抽水过程中，由于水的排出导致地下水位下降，使砂颗粒骨架承受的有效应力增加，致使砂颗粒之间排列更趋紧密，当这种排列紧密的砂颗粒厚度特别大时该层变形量就会很大，从而会在短时间内引起地面沉降；如果停止抽水，含水层地下水位会很快恢复到原来位置，孔隙水压力也恢复到原来状态，颗粒骨架所承受的有效应力又重新下降到原有水平，颗粒问排列也恢复到原来状态，这时地面沉降得以恢复。当降水场地含水层中夹粘性土时，由于地下水位下降较快，而其中靠近上部相对隔水的粘性土渗透性很差，孔隙释水非常慢，开始只在交界面附近的粘性土释水渗流，并逐渐使较远的粘性土渗流失水。土层中个点距含水层的距离不等，相应的水力梯度和渗流速度也不同，当全部释水结束时，其渗透压缩过程也就停止。这种与孔隙水渗透消散相联系的压缩称之为渗透固结。粘性土层的释水压缩过程的特点与含水层水位变化相比，其孔隙水压力变化是滞后的，且为逐渐发展的，先释水者先压缩，后释水者后压缩。一般靠近抽水含水层的部位压缩量较大，此外，粘性土的释水基本上是塑性变形，即使停止抽水，水位恢复后回弹量也很小。总之，降水施工造成地面沉降主要因素，是由于水位下降后使砂性土失水压密、粘性土释水固结结果。这一过程分三个阶段：第一是粘性土固结阶段；第二是粘性土和砂性土固结压密阶段；第三是砂性土压密阶段。基坑降水引起的地面沉降分析中南大学基坑降水引起地面沉降的机理方面的研究主要集中在对三维流固耦合模型的探讨上。地面沉降计算实质上包含了两个过程：确定含水层水位与抽取量之间的关系，即所谓水流模型：计算由于水位变化引起含水层本身的变形规律，即所谓土力学模型，两者耦合成为地面沉降的数学模型。基坑降水的计算方法目前最常用的可以分为两大类，一类是经典的沉降分析方法：在荷载作用下地基中附加应力场是根据半空间各向同性弹性体理论计算的，土的压缩性则由根据一维压缩试验测定的参数来表征，并采用分层总和法计算地基的最终沉降量。还有一类就是数值分析法：其基本思路是将原来连续的求解区域划分成网格或单元子区域，在其中设置有限个离散点，将求解区域中的连续函数离散为这些节点上的函数值，通过某种数学原理，将作为控制方程的偏微分方程转化为代数方程，求解代数方程以获得求解函数的节点值。在降水压密过程的初始阶段，压缩变形主要是由于土骨架的弹性性质引起的，随着有效应力的增加而发生，呈线性变化。有效应力的增加是由于土层中水的渗流排泄引起的，所以，降水压密的初始阶段实际上是伴随着孔隙水的渗流而逐渐发生的，是土的主固结作用过程。第二阶段有效应力增量与压缩变形呈非线性特征，即有效应力增量变化较小，基本上保持某一定值，而压缩变形仍在持续增加，但随着时间的延续，压密变形过程逐渐趋于稳定。这种非线性特征反映在变形过程中是降水压密过程的后期阶段，压缩变形主要是由于土颗粒的粘性流动及土中孔隙水的粘性流动而引起的，其压缩变形过程滞后于土的有效应力及孔隙水压力变化而逐渐发生，最终趋于稳定，这实际上是土体的蠕变压缩作用过程，即土的次固结作用过程孔隙水压力消散;动水压力的作用;井点的真空作用。基坑降水引起的地面沉降分析中南大学孔隙水压力消散：动水压力的作用：在地下水位降低后，水力坡度增大，相应的渗透压力也增大，在地下水自上而下渗透中，若水的渗透压力和土的浮重度之和大于土颗粒的摩擦力和粘结力时，土体颗粒被带走，地基土沉降。井点的真空作用：井点降水的作用实际是真空-重力作用，即在井点管周围一定范围形成真空，沿基坑方向形成一道真空帷幕，从而使土颗粒向负压力方向移动，并达到某种程度的挤密状态，表现为地基土的沉降。地面沉降是土层中孔隙水承担的孔隙水压力和土骨架承担的有效应力发生变化的结果。处于平衡状态的含水系统，当地下水被抽出后，孔隙水压力减小，原先的土、水平衡状态被破坏，有效应力发生变化，土体产生变形。由于土体的非线一弹性及其多孔性，土体的力学性质、贮水性和透水性都将随之变化。地面沉降是土和水相互作用、内部应力发生变化的外在表现。它与土的变形特性和水的渗流情况密切相关。渗流理论基础(渗流水头、水力梯度、渗流量和Darcy定律)固结理论基础(太沙基固结理论、比奥固结理论)基坑降水引起的地面沉降分析中南大学微分形式三维流形式渗流理论基础渗流连续方程式固结理论基础太沙基固结理论1、土是均质的、各向同性、完全饱和的理想弹性材料；2、土体变形是微小的，即孔隙比的变化与有效应力变化成正比，压缩系数a．，保持不变；3、土颗粒和孔隙水均不可压缩；4、孔隙水渗流服从达西定律，渗透系数为常数；5、荷载一次瞬时施加并维持不变，土体承受的总应力不随时间变化；6、土体中只发生竖向压缩变形和竖向孔隙水渗流。比奥固结理论抽水地面沉降中含水层长期变形特性研究王非，缪林昌分析认为含水层砂土的蠕变是造成其变形长期发展的主要原因，而目前计算砂土蠕变特性的模型中普遍存在参数较多且确定困难的问题。对于黏性土蠕变特性的研究已经取得了很多成果，但是砂性土蠕变的研究成果相对较少。S.Murayama等利用室内试验验证了砂性土的蠕变速率与时间在双对数坐标系中同样呈线性关系。(Singh黏性土蠕变模型计算含水层长期变形的方法)事实上，当水位回升时含水层砂土发生少量的回弹变形，而此时含水层砂土由于抽水引起的蠕变并未停止且数值大于砂土的回弹量，故含水层的变形特征为沉降不断发展。饱和砂性土非线性蠕变模型试验研究张云，薛禹群，施小清，宋震由于非粘性土具有良好的渗透性，在一定荷载作用下，由荷载引起的超静孔隙水压力很快消散，随时间增长的变形是由蠕变引起的，更利于探讨蠕变变形的变化规律。砂土的蠕变性与砂土颗粒沿粒间接触面的相互滑移有关。原来处于平衡状态的砂土中存在大小不等的孔隙，在荷载作用下颗粒接触面上的剪应力增加，颗粒沿接触面产生错动滑移，土颗粒首先充填到较大的孔隙中，大孔隙被充填后土粒运动空间减小、移动的剪阻力增加，土粒的滑移速率减小，因此土粒达到新的平衡需要一定的时间。这一过程在宏观上表现为砂土的变形随时间延长而增加，但变形速率不断减小，最后趋近于稳定。用单向固结仪研究了含水砂层的蠕变变形试验研究表明：(1)砂性土具有明显的蠕变性，特别是在高应力作用下，往往需要较长的时间才能达到变形稳定状态。(2)砂性土的应力与应变、应变与时间的关系可以用幂函数描述，其蠕变变形呈现非线性的特征。饱和砂性土流变模型的试验研究施小清薛禹群吴吉春张云叶淑君于军接下来要看的文献维亚洛夫.土力学的流变原理[M].北京:科学出版社,1987.冉启全,顾小芸.考虑流变特性的流固耦合地面沉降计算模型[J].中国地质灾害与防治学报,1998,9(2):99～103.研究综述（1）简要说明国内外相关研究成果，谁、什么时间、什么成果。最后很简要述评，引出自己的研究。研究方法与过程（1-2）采用了什么方法？在哪里展开？如何实施？主要结论（3-5）自己研究的成果，条理清晰，简明扼要。多用图表、数据来说明和论证你的结果。问题讨论（1）有待进一步讨论和研究的课题。致谢（1）致谢。请各位老师批评指正。