文献综述(或调研报告):
渗流是指流体在孔隙介质中的流动。由颗粒状或碎块材料组成,并含有许多孔隙或裂隙的物质称为孔隙介质。通常,在地表面以下的土壤或岩层中的渗流称为地下水运动,是自然界最常见的渗流现象。渗流在水利、地质、采矿、石油、环境保护、化工、生物、医疗等领域都有广泛的应用。如开发利用地下水资源、防止建筑物地基发生渗透变形、基坑排水等均需应用渗流理论[1]。
随着我国城市建设的发展,高层建筑和地下工程越来越多,深基坑工程在大中城市到处可见。在一些地下水位较高的城市,如上海、武汉等,基坑开挖期间地下水是经常遇到的问题,它不仅使工作条件变坏,而且可能导致管涌、地层隆起和水流进基坑导致剥蚀、流砂和基坑坍塌,甚至引起周围建筑物沉降、变形、倾斜、裂缝和倒塌。通过对我国103个基坑事故的统计和分析,因地下水处理不当引起的事故占22%。因此,深基坑水问题是一个大问题,基坑工程中渗流问题研究是当前一个研究热点[2]。
降水工程在地下工程施工中难度较大,常常出现流土或管涌现象,基坑降水可以减少土体含水量,提高土体物理力学性能指标及土体固结程度,增加地基抗剪强度,防止基坑边坡坍塌和基底的渗水,保证工程的顺利进行[3-7]。
研究表明,大部分是由于地下水渗透破坏导致基坑事故的发生,可见地下水的防治是关乎基坑工程安全的首要因素,而其中防治渗透破坏(包括流土、管涌和承压水破坏)是基坑工程设计、施工中的难点。含水层的水位降深会导致土层被压缩并引起地面沉降,当地面沉降量很大时,有可能会造成建筑物的倾斜或破坏[8-9]。
基坑工程渗流存在问题
南京所处地段为长江下游地段,土质多为淤泥质土及粘性土,下部为砂砾石与砂层交互层,底部多为泥岩,属于典型二元结构,其地下水丰富,承压含水层厚度大,水量充沛,且与长江水力联系密切,故在该地区的基坑开挖时,首要考虑的是含水层。基坑工程中单纯的井点降水已经不能满足要求,需辅以止水帷幕。止水帷幕一般是指基坑开挖时为防止周围地下水由于渗流作用,从基坑侧壁或底部进入坑内的隔水设施,其目的是保证坑内尽量干燥,排除或降低地下水对工程施工的影响,其作用原理为人为切断基坑内外的水力联系,其插入土体的深度直接决定了其对周围地下水渗流作用的影响大小,目前国内开始大量使用TRD工法止水帷幕,其广泛应用于深基坑工程中[10-12]。
由于止水帷幕的建立会造成坑内外水位较大的差距,从而产生地下水渗流,较常见的地下水渗流有稳定渗流和不稳定渗流2种。不稳定渗流主要发生在基坑挖掘深度增加的过程中,其各物理量随空间和时间的变化而变化;而稳定渗流通常出现在基坑开挖结束后,并且地下水位和外部压力趋于稳定后。通常不同的土质达到稳定渗流的时间不同,黏性土居多的基坑需要较长时间才能趋于稳定,而渗透系数较大的土体通常在挖掘结束后就能形成较稳定的地下渗流[13]。
由于止水帷幕的作用,基坑的内外水头差异巨大,渗流力的主体逐渐变为超静水压力,即超孔隙水压力,在这种情况下采用简化工程的措施相当于计算板桩插入不透水层使其不会发生渗流。在计算下滑力或抗滑力时,水下部分的土体自重均采用的浮重度。对任意隔离体来说表面的静水压力的合力即该隔离体所受到的水的浮力,即相当于该隔离土体处于静水当中的受力情况。这样所建的数值计算模型与实际情况完全不同,必将得出错误的计算结果[14]。利用高精度的有限元方法计算渗流情况下的基坑稳定时,由于其考虑了较多土体在实际工况下可能发生的作用因而可以较为精确地确定渗流场的分布,在模拟计算时可以考虑有压流或无压流的稳定渗流,也可以考虑更为复杂的非稳定流效应,对于一般的基坑模拟运行计算,可以只做较为简单的稳定流二维计算,而且可以忽略基坑的空间效应,使计算过程更为精简,计算流程更为清晰,工程人员可以较好较快的理解工程所采用的方案。
在一般的基坑设计中,支护结构的内力计算常常按静水压力进行计算而不考虑渗流力的作用。但在南京等沿江地区或其他沿海地区,地下水渗流的情况复杂,常常存在两到三个微承压层,微承压层与潜水含水层之间又存在一定的水力联系,如果不考虑渗流或承压水的影响,必将使工程存在安全隐患。当考虑渗流对支护结构上水土压力分布的影响时,;理论上可以推导出不同类型基坑渗流场的分布特征及引起的水土压力分布[15]。另外,抽降承压水时会引起渗流场的变化,而这个变化也会引起水土压力重分布。渗流场与应力场之间所存在的一定联系同样是众多学者趋于解决的问题之一。
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