地下水渗流影响下基坑工程土体力学特性研究

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在富水地层开展的基坑工程中,常伴随着渗流问题,而地下水渗流会对基坑土体的力学特性产生影响,关系着基坑工程的质量与安全。在当前基坑工程的设计与施工过程中,较少考虑地下水渗流对基坑土体力学特性的影响。在已有的渗透侵蚀研究与土体不稳定性力学特性研究中,主要进行细观层面的理论研究,与宏观实际工程联系较少,且研究中考虑因素不够全面。在此背景下,本文将地下水渗流问题引入基坑工程中,通过数值模拟和室内土单元体三轴试验,研究在地下水渗流影响下多种因素对基坑工程土体力学特性的影响情况,主要研究成果如下:(1)利用PLAXIS对基坑开挖卸载条件下土体应力状态进行数值模拟,将考虑渗流情况下由于降雨或地下管道泄漏引起的地下水上升过程引入基坑工程中,明确其对基坑工程不同位置土体力学特性的影响情况。模拟获得基坑主动区到地连墙底部区域土体有效应力分布在0~300k Pa范围内,应力比大致分布在0~1之间,开挖面附近应力比最大。通过上述数值模拟结果,指导室内土单元体试验的方案设计与试验研究。(2)开展恒定剪应力排水试验,通过剪应力不变有效平均应力不断较小的应力路径,来模拟降雨或邻近地区地下水流入时基坑地下水位上升,土体孔隙水压增加,引起有效平均应力逐渐减小,但剪切应力未发生变化的情况。综合考虑土样类型、孔隙比、有效围压、应力比、反压加载速率对恒定剪应力排水试验过程中土体不稳定状态点应力应变特性的影响情况,明确土体密实程度、应力水平以及地下水位上升速度对地下水入渗过程中基坑工程土体失稳破坏力学特性的影响情况。研究发现土体相对密实程度越低、初始应力比越大、地下水位上升速度越快,土体在不稳定状态的应力比和体积应变方面表现出越容易失稳的特性,说明在该条件下基坑工程土体的稳定性越差。(3)开展恒定剪应力渗透侵蚀试验,在恒定剪应力排水试验的基础上加入渗流模块,来模拟地下水入渗降低基坑土体有效应力的同时,土体内部细颗粒发生迁移流失,引发渗透侵蚀破坏的情况。考虑孔隙比和渗透水头差对恒定剪应力渗透侵蚀试验过程中土体不稳定状态点应力应变特性的影响情况,明确渗流过程中地下水渗透侵蚀作用对基坑土体失稳破坏力学特性的影响情况。研究发现渗透水头差的升高会降低基坑土体失稳时的应力比,改变土体的变形情况,降低了土体的稳定性,不利于基坑工程的稳定。(4)利用固结不排水剪切试验的研究结果对q-p′平面进行区域划分,探究恒定剪应力排水试验与固结不排水剪切试验特征状态的对应关系,获取土体失稳破坏的力学特性规律。研究发现CSD试验中体积应变从膨胀到收缩再到膨胀行为的特征状态点与CIU试验不排水不稳定状态(UIS)、相变状态(PTS)和临界状态(CS)存在明显的对应关系。也说明在地下水入渗过程中,基坑工程的稳定性与土层的基本力学特性相关。(5)通过自主研制体积压缩控制器和换流阀门,实现了恒定剪应力渗透侵蚀试验过程中维持试样内部持续稳定的渗流状态。
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