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地下水渗流应力耦合分析

  • 投稿玛丽
  • 更新时间2015-09-16
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王帅① WANG Shuai;陈颖辉① CHEN Ying-hui;刘文连② LIU Wen-lian

(①昆明理工大学建筑工程学院,昆明 650500;②中国有色金属工业昆明勘察设计研究院,昆明 650051)

摘要: 随着地下空间的不断开发利用,涌现出很多关于地下工程的相关研究。通过分析地下水的布局以及与岩土体的相互作用,来分析地下水渗流-应力耦合的效应影响。

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关键词 : 地下水;地下空间利用;岩土体;效应

中图分类号:TU452 文献标识码:A 文章编号:1006-4311(2015)03-0077-02

作者简介:王帅(1984-),男,河南商丘人,硕士研究生,研究方向为岩土工程。

0 引言

随着我国城市化建设的不断发展,基础工程建设的规模和工程难度越来越大,伴随的工程事故时有发生。研究表明,在地下施工过程中,存在地下水渗流场和地应力场耦合作用问题,主要表现在岩土的变形引起岩土渗透性能的改变,导致流体孔隙压力发生改变;流体孔隙压力的改变使得岩土体的应力状态发生变化,同时岩土体的物理力学性质发生改变。大量的地下工程研究和实践表明,在地下岩土体开挖中进行流-固耦合分析是十分必要的。

1 地下工程地下水及与岩土体的相互作用

地下水的存在方式主要有两种,一种为吸附水或称约束水;另一种为重力水。而重力水与岩土体的作用是工程实践中考虑的重中之重。

1.1 对岩土体的力学作用 ①岩土体接触面上静水压力分布。在多孔介质中,渗流对某一接触面上的静水压力,服从流体的静水压力分布,即任一点上的静水压力p为:p=rwh。式中,rw为水的容重;h为计算点的水头。②骨架间渗流作用力。颗粒表面上的力一般可概括为两部分:一是垂直颗粒周界面的水压力;二是与颗粒表面相切的内摩擦角即切力。这两个力的合力fo称为渗流作用力。该力作用在每个颗粒骨架上的大小和方向不同,如果考虑体积为V的土体,则可将其中各颗粒骨架所受的力fo求和后再除以体积V,即可得到单位土体中颗粒骨架所受的渗流作用力:

1.2 地下水对岩土体力学性质的影响 地下水对岩土体强度的影响主要有3个方面:①地下水通过物理的、化学的作用改变岩土体的结构,从而改变岩土体的内聚力C和内摩擦角φ值;②地下水通过空隙静水压力作用,影响岩土体中的有效应力从而降低岩土体的强度;③地下水通过空隙动水压力作用,对岩土体施加一个推力,即在岩土体中产生一个剪应力,从而降低岩土体的抗剪强度。

2 渗流——应力耦合分析基本理论

2.1 渗流场主要方程

2.1.1 平衡方程 根据渗流场中微元体的平衡可推得空隙流体的静力平衡方程即:

3 实例分析

3.1 工程简介 某市地铁5号线和平西桥站~北土城东路站区间隧道在设计里程范围内下穿小月河及樱花西桥。小月河自西向东横穿樱花西桥,河床两侧为浆砌片石挡墙,河床底部为素混凝土基础;隧道走向与小月河的一致,地层从上之下一次为:填土、粉质粘土、粘土夹粉细砂等。由于小月河对地层水的补给作用,此段地层含水饱和,水位埋深为3.2~4.8m。

3.2 桥基响应数值模拟分析

3.2.1 计算模型 为了计算建模方便,计算模型中未考虑降水井模型,而是采用等效的方法来模拟降水效果。

3.2.2 分析结果 ①水位下降10m时,可降至隧道底部,达到设计要求,此时地表最大沉降为21.37mm,桥基最大沉降为19.56mm,地层和桥基的变形基本一致,桥基之间的差异沉降不到2mm,相对控制标准而言,累计沉降?燮40mm,差异沉降?燮10mm,降水期间桥基没有安全隐患。②计算分析表明,在该地层中,每降水位1m,引起的地表和桥基的沉降值约为2mm,实际降水深度变化时,可以根据此进行重新估算,降水所引起的差异沉降很小,可以忽略不计。③通过与实际的监控测量数据比较,分析表明数值模拟方法及模型的建立是合理的,所取得的分析成果为施工决策提供了重要的参考依据和指导。

4 结论

通过实例的验证,我们可以知道,地下水的渗透对隧道施工的重要性。对于地下工程有待于我们继续研究,特别是地下工程的时空效应,地下工程群洞效应的研究,地下工程的耐久性等。只有这样不断的研究才能形成更系统的理论知识,更好地服务于实践。

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