基坑降水开挖对邻近建筑物沉降的影响分析
开题报告
目 录
一、选题背景
二、研究目的和意义
三、本文研究涉及的主要理论
四、本文研究的主要内容及研究框架
（一）本文研究的主要内容
（二）本文研究框架
五、写作提纲
六、本文研究进展
七、目前已经阅读的文献
一、选题背景
人类很早就开始利用地下水资源，但对地下水运动规律的系统研究却起步较晚。1856 年，法国工程师达西(Henry Darcy)[6]通过大量试验提出了水在孔隙介质中的线性渗流定律，即达西定律，这是定量化研究地下水运动规律的开端，也是研究地下水运动的基础理论。1866 年，法国水力学者裘布依(Jules Dupuit)以达西定律为基础，研究了地下水在单向和平面径向的运动，并应用到天然含水层中，得到了裘布依平面稳定流运动公式，为地下水稳定流理论奠定了坚实的基础[7]。1889 年，俄国学者尼古拉 · 叶戈罗维奇 · 茹可夫斯基 (Никола й Его ровичЖуко вский)[8]首先推导出了渗流的微分方程。1901 年，奥地利学者福希海默(P.Forchheimer)[9]等又研究了更为复杂的地下水渗流问题。1904 年，法国学者布辛涅斯克(J.Boussinesq)[10]提出了地下水非稳定流的偏微分方程式。1928~1935 年，美国迈因策尔(O.E.Meinzer)、泰斯(C.V.Theis)[11]研究了承压水层的贮水性质，并在此基础上提出了地下水向承压水井流动的非稳定渗流公式，即泰斯公式。1940 年，雅各布(C.E.Jacob)将热传导理论引入地下水渗流的研究中，建立了地下水渗流的基本微分方程，并提出了储水系数的概念。1969~1975 年，博尔顿(N.S. Boulton)[12~13]、汉图什(M.S.Hantush)[14]、纽曼(S.P.Neuman)[15~17]在泰斯公式的基础上，对不同赋存条件的地下水进行了非稳定渗流的研究，并针对不同条件下非稳定渗流推导出相应的解析方程，对泰斯公式的应用进行了推广应用，同时提出了潜水含水层的非稳定流理论和地下水越流理论。同时，国内不少专家学者也对地下水的渗流规律开展了研究。1974~1980 年陈钟祥等[18~19]对流体在多孔介质中的运动、非均质多孔介质中二相渗流的多维问题进行了研究。1986 年，郭尚平[20]等深入研究流体在多孔介质内的运动规律，并取得了很大进展。2003 年，李传亮[21]、孔祥言、李培超[22]等将有效应力原理引入多孔介质的流-固耦合渗流中，并根据平衡条件得出了应力场方程，研究了多孔介质渗流等问题，取得了显著成果。
地基固结变形的现象早已被人们关注，关于土的压缩固结的研究也有悠久的历史。但直到太沙基(K.Terzaghi)提出了有效应力原理(1923 年)和一维固结理论(1925 年)，固结理论才进入了一个量化计算的新阶段。1935 年，太沙基和伦杜力克(Rendulic)共同将饱和土的一维固结理论进行扩展，使其可以考虑三个方向排水时的土体产生一维压缩，称为准三维固结方程。1941 年，比奥(Biot)经过进一步研究材料的三维变形和孔隙压力的相互作用，推导出比较完善的三维固结方程。但由于比奥理论同时考虑了材料的三维变形和渗流，使得固结方程的求解难度很大，至今仅仅得到个别情况的解析解。20 世纪 60 年代，随着计算机的快速发展，计算技术得到了提升，使得以往无法考虑的复杂的本构模型可以引入计算。例如，德鲁克-普拉格模型(Drucker-PragerModel)、邓肯-张模型(Duncan-Chang Model)、剑桥模型(Cam Clay Model)以及修正剑桥模型(Modified Cam-Clay Model)等。随着有限单元法在固结计算中的应用，可以在同一分析步中同时考虑土体中力-变形-孔压发展的全过程。1979 年，弗雷德隆德(Fredlund)[23]等人提出用两个偏微分方程，求解非饱和土固结过程中孔隙气压力和水压力，并认为液相和气相的渗透系数都是土体某一体积-质量特性的函数。1984 年，Dakshanamurthy[24]等人将非饱和土固结理论推广到三维状态，将连续方程和平衡方程联立，并进行工程应用。
二、研究目的和意义
基坑工程是为了保证建筑物地下结构的顺利施工和周边环境安全而采取的一系列工程措施的总称，是一项综合性强、技术复杂、影响因素众多的系统工程。基坑降水是减小开挖土体含水量，避免水中作业，方便施工而通过人工措施使基坑内或基坑内外的水位降低至基底面以下而采取的一系列措施，可提高施工质量，也可提高坑壁及支护结构的稳定性。随着城市现代化的不断进步，土地资源和地下空间日益紧张，已越来越多地被开发和利用。因此，建筑物向高度和地下深度发展，而且许多新建工程需要在密集的建筑群中施工，周边环境十分复杂。由于建筑工程需要，不仅要保证支护结构自身的稳定，还需要确保基坑周边建筑物、管线和道路等设施的安全且要满足变形控制的要求，因此对基坑的稳定和位移控制要求都很严格，变形控制及其对周围环境的影响逐渐成为决定基坑工程成败的关键性因素。这使得基坑工程的设计与施工难度越来越大，渐渐成为岩土工程界关注的热点之一。然而，由于大部分基坑工程属于临时性工程，勘察、设计、施工、监测过程中往往关注程度不高，导致基坑工程事故频频发生，造成了重大的经济损失和极坏的社会影响。据唐业清[1]等调查的 130 余件国内基坑事故中，因地下水处置不当而造成的事故占总数的将近一半。可见，如何处理地下水在基坑工程中的重要性，所以在涉及降水的基坑工程中，要充分研究地下水与土体的相互作用规律，选取合理的土体参数进行降水、止水和围护结构的设计，确保基坑工程及周边环境的安全。
基坑工程中，当自然水位高于基坑底部设计标高时，必然要采取相应措施进行降水以保证后续工程的顺利实施。基坑降水引起工程事故的原因主要有以下几个方面。(1)各土层渗透系数 k 的选取不准确，造成降水方案设计不合理。渗透系数是表示岩土体渗透性强弱的一个定量指标，也是渗流计算所要用到的一个基本参数。基坑工程所涉及的第四系沉积物各土层渗透系数变化较大，土层的渗透性往往呈各向异性，径向和垂向渗透系数通常相差一个甚至几个数量级。因此室内的渗透试验具有不确定性，往往不能真实反映出土层的渗透性，很多工程在施工时发现实际渗透性与室内试验结果有很大差异。(2)地下水的渗透破坏。渗透破坏是指在地下水渗流作用下土体中的土颗粒发生位移和土体结构发生改变的现象，基坑开挖过程中主要破坏形式有流砂、管涌和突涌。即使基坑采取了相应的截水措施，水往往会通过截水措施的薄弱地带或底部渗入基坑，并携带土体颗粒(尤其是细砂)运移，使基坑外侧的土体产生空洞，对位于其上的建筑物产生影响[2]。(3)在采用开放式降水的基坑中，工程降水会引起基坑外侧地下水位降低，并改变原有土体的应力状态，使有效应力增大，引起基坑外部土体压缩固结并产生沉降，对基坑邻近的建筑物等有较大的危害[3]。且基坑外侧的水位线呈不规则漏斗状，漏斗半径在实际工程中不易确定。漏斗半径外水位变化不大，半径以内由于土层的释水，导致同一土层在垂直层面方向上应力状态差异，越靠近漏斗中心的部分其压缩程度越大，使得土体产生差异性固结沉降，对位于其上的建筑物形成安全威胁。(4)在基坑设置截水帷幕的情况下，降水、开挖过程中，降低基坑内侧水位，使基坑内外的水头差增大，地下水运动趋于强烈，由此产生的渗透体积力直接影响基坑围护结构的稳定，并对邻近区域产生影响。(5)土层释水固结具有滞后效应。根据有效应力原理，饱和土的固结过程是孔隙水压力逐渐消散而有效应力逐渐增大的过程[4]。随着有效应力的增大，土层产生固结沉降。事实上当土层的固结度达到 100%时，土层依然没有停止变形，即使土层孔隙水压力完全消散，有效应力不再变化，但土层的沉降还在继续发展。土层的固结变形滞后于孔隙水压力的消散，这是因为土体具有蠕变特性。土层的蠕变变形滞后于孔压消散的时间随着土层厚度的增大而变长[5]。基坑工程中地下水可以引发多方面的问题，处置不当往往会造成恶劣的后果，如何处理好地下水显得尤为重要，值得岩土工作者们继续深入的研究与探讨。
三、本文研究涉及的主要理论
2001 年，张莲花[25]在考虑降水引起沉降计算时，采用总应力变化的观点计算有效应力增量，提出相关计算公式。首次提出土层持水密度的概念，并结合给水度的概念，推导出持水密度与给水度等指标之间的函数关系及在固结沉降计算中的公式。2002 年，谢康和、柳崇敏[26]等研究了基坑降水引起邻近地面沉降的求解方法，假定降水引发的渗流是一维竖向，推导出基坑周围土体地表沉降计算公式，并指出基坑降水及其引发的渗流是基坑邻近地表发生沉降的根本原因。2004 年，于怀昌、刘汉东[27]等利用灰色系统理论建立沉降量的系统预测模型MGM(1，N)，认为建筑物的不均匀沉降变化具有系统性和不确定性。2005 年，冯晓腊、熊文林[28]等应用三维水-土耦合模型对基坑降水进行研究，对降水过程进行三维有限元计算。分析表明，三维有限元数值模拟能够较好地模拟基坑降水中止水帷幕、非均质性和各向异性等通过解析法难以处理的工程条件。2007 年，李琳[29]对降水引起的土体应力和疏干区持水密度变化对邻近建筑物的影响进行了研究，并综合考虑弹性模量、降水深度、渗透系数等因素对邻近建筑物沉降的影响。提出了一种针对由降水引起的坑外地面沉降的计算方法，得出了邻近地面沉降的特点和规律。2007 年，凌俊峰[30]对索菲亚教堂地面沉降进行了研究，得出降水井群距建筑物的距离、井点深度、出水量大小、渗透系数等因素对邻近构筑物的沉降有很大的影响。2008 年，骆祖江、刘金宝[31]等利用比奥固结理论，针对地下水位降低引起的第四纪松散沉积层沉降问题，将渗流场和土体应力场进行耦合，建立三维数值模型，模拟预测基坑渗流场与位移的分布特征。
四、本文研究的主要内容及研究框架
（一）本文研究的主要内容
本文结合邯郸市某基坑工程事故，针对该基坑过程施工过程引起的邻近教学楼过量不均匀沉降原因进行分析。
(1)分析地下水在土层中的运移规律，结合深基坑工程降水研究地下水对支护结构、土体固结的作用，进一步确定由于地下水运移对土层固结产生的影响。
(2)分析基坑降水引起基坑外侧释水区土层有效应力的变化，发生固结沉降的机理和影响因素，探讨太沙基一维固结理论、比奥固结理论在计算土层压缩固结时的差异性，得出基坑降水对邻近区域地面沉降的影响规律。
(3)结合邯郸市实例基坑工程施工资料，针对发生过量沉降事故区段大量的降水资料和周边变形监测数据，进行科学的统计分析，从中发现基坑开挖、降水所造成的邻近建筑物沉降的规律，探讨渗透固结的时间和空间效应。并试图找出建筑物过量沉降的原因。
(4)利用 FLAC3D 数值模拟软件，建立基坑工程的数值模型。利用数值模型，研究分别考虑基坑开挖、基坑降水引起的变形值及同时考虑开挖和降水引起的变形值与实际监测沉降值之间的关系。
（二）本文研究框架
本文研究框架可简单表示为：
五、写作提纲
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 选题依据及研究意义
1.1.1 基坑工程中降水的作用
1.1.2 研究基坑降水的意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 地下水渗流理论的研究现状
1.2.2 固结理论的研究现状
1.2.3 基坑降水对邻近工程影响的研究现状
1.3 主要研究内容
1.4 技术路线
第2章 水在土体中的运移规律
2.1 土体中的水及其运动
2.2 水对土体工程性质的影响
2.2.1 结合水及其影响
2.2.2 毛细水及其影响
2.2.3 重力水及其影响
2.3 土的渗透性
2.3.1 渗流的水头和水力坡降
2.3.2 达西定律及其适用范围
2.3.3 渗透系数的确定
2.4 流网
2.4.1 渗流的基本微分方程
2.4.2 流网
2.4.3 岩土工程中常见的流网
2.5 渗透力和渗透变形
2.5.1 渗透力
2.5.2 渗透变形与防治
2.6 本章小结
第3章 基坑降水引起的土层固结分析
3.1 引言
3.2 基坑降水的水位预测
3.3 土体的本构模型
3.3.1 常用的土体本构模型
3.3.2 现有本构模型的一些不足
3.3.3 土体参数非线性变化的改进
3.4 基坑降水的特点
3.4.1 降水引起土层固结的特点
3.4.2 降水引起土层固结的影响范围
3.4.3 现有研究的不足之处
3.5 本章小结
第4章 工程案例分析
4.1 工程概况
4.1.1 建筑基坑概况
4.1.2 地层条件与基坑支护设计取参
4.1.3 地下水情况
4.2 基坑支护设计方案
4.2.1 支护结构设计
4.2.2 基坑止水、降水措施设计
4.2.3 基坑工程监测方案
4.2.4 基坑开挖进程及工况
4.3 教学楼周边监测数据分析
4.3.1 教学楼沉降监测
4.3.2 教学楼倾斜
4.3.3 教学楼裂缝监测
4.3.4 冠梁、边坡顶部的水平位移监测
4.4 基坑降水引起固结沉降的计算
4.4.1 基坑化引圆半径和降落漏斗半径
4.4.2 现有的固结理论
4.4.3 基坑降水引起固结沉降的一种简化计算方法
4.5 事故原因分析
4.6 本章小结
第5章 基坑降水开挖数值模拟
5.1 FLAC3D 软件简介
5.1.1 FLAC3D 软件概述
5.1.2 FLAC3D 程序的特点
5.2 FLAC3D 程序关于地下水的分析
5.2.1 地下水分析原理
5.2.2 地下水分析求解
5.3 基坑开挖降水数值模型
5.3.1 计算模型概况分析
5.3.2 数值模型参数的选取
5.4 数值模拟分析
5.4.1 基坑模型 A 的模拟分析
5.4.2 基坑模型 B 的模拟分析
5.4.3 基坑模型 C 的模拟分析
5.4.4 三个模型的综合分析
5.5 本章小结
结论与展望
结论
展望
参考文献
致谢
六、本文研究进展(略)
七、目前已经阅读的主要文献
[1] 唐业清等.基坑工程事故分析与处理[M].北京：中国建筑工业出版社，1999
[2] 黄远，王永涛，马路兴.基坑中地下水的渗透破坏作用及降水技术浅析[J].科技创新导报，2010，22：111
[3] 龚晓南主编.深基坑工程设计施工手册[J].中国建筑工业出版社，1998
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