第41卷第3期2013年3月同济大学学报(自然科学版)
JOURNALOFTONGJIUNIVERSITY(NATURALSCIENCE)
Vol.41No.3
ar.2013 M
)文章编号:0253374X(201303036107--- :/.issn.0253DOI10.3969374x.2013.03.008-j
非稳定承压水降水引起土层沉降分布规律分析
222
,,王春波1,丁文其1,刘文军3,乔亚飞1,
(同济大学地下建筑与工程系,上海2同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室,上海21.00092;2.00092;
)无锡市轨道交通发展有限公司,江苏无锡23.14013
摘要:承压含水层减压降水实质上是一个卸荷过程,其上覆土层沉降可用基于弹性半无限空间Mindlin位移解的推导公分析表明:无限承压含水层非稳定渗流降水时式进行计算.
间对土层沉降影响显著;由承压水减压降水引起的土层分层最大值位于承压含水层顶沉降随距地表距离的增加而增大,
板处;影响上覆土层沉降的7个参数中,泊松比和承压含水层渗透系数的变化对土层沉降影响很小;上覆土层厚度、承上覆土层弹性模量较小压含水层厚度越大地表沉降值越小;
时对地表沉降影响较大,随着弹性模量的增加,其对地表沉降的影响逐渐减弱;地表沉降随单井出水量、承压水水头降单井出水量、承压含水深的增大而增加且近似成线性关系;
层厚度、承压水水头降深、上覆土层弹性模量不仅影响地表沉降值的大小,还会影响地表沉降的空间分布.
关键词:承压含水层;非稳定流;Mindlin位移解;土层沉降;降水时间;土层参数中图分类号:TU463
文献标志码:A
dewaterinofconfinedwaterincreaseswiththeincreaseof g rounddistancetotheandthemaximumvalueemeresonthe ggarameterstheroofoftheconfinedauifer.Oftheseven pq
,Proundaffectintheettlementoissonationdhe g s r a tg confinedauiferermeabilitcoefficientaffecttheround qpyg settlementlittle.Groundsettlementdecreaseswithraduall gy increaseofoverlainsoilthicknessandtheconfinedthe yg roundthickness.Theinfluenceofelasticmodulusonauifer gq
,,settlementwhichisreatwhenitsvalueissmallraduall ggywithhencreaseflasticodulus.Groundweakens t i o e msettlementincreaseswiththeincreaseofoutatervolumeof -w
,,sinlewellandwaterheaddrawdownfurthermoreaquasi gelationshixistsetweenhem.Theutaterlinear r b t o-wp e
,t,tofsinlewellheconfinedauiferthicknesshevolume gqwaterheaddrawdownandtheelasticmodulusofoverlain yg
,affectnotonlthevalueofroundsettlementbutalsosoil yg thesatialdistributionofroundsettlement. pg
:c;u;MKewordsonfinedauifernsteadseeaeindlin qypgy
DistributionLawofSoilSettlementCausedb yUnsteadDewaterinofConfined Water yg
12
,LWANG Chunbo12,DING WeniIU Wenun3,qj12
IAO YaeiQf
,
,
,
;;;dislacementsolutionsoilsettlementdewaterintimesoil pg arametersp
(,T,1.DeartmentofGeotechnicalEnineerinoniUniversit pgggjy;2.KShanhai200092,ChinaeLaboratorofGeotechnicaland gyy ,TUnderroundEnineerinfheinistrfducationoni t M Egggygj o o,;3.RUniversitShanhai200092,ChinaailTransitDeveloment ygp,W)uxi214013,ChinaCo.Ltd.
如承压含水层顶板以上的土层重 基坑工程中,
量不足以抵抗承压水压力时基坑将发生突涌破坏,承压水减压降水是保证深基坑工程安全施工的一个
]12-
,然而,承压水减压降水必然会引起基必要措施[
坑周围土层产生沉降,目前,承压水减压降水引起土
]35-
,事实层沉降的理论分析多基于有效应力原理[
:AbstractDecomressionanddewaterininconfinedauifer pgq
,aisessentiallanunloadinndtheoverlainsoilrocess ygygp settlementofconfinedauifercanbecalculatedwiththe qformulasbasedontheelastichalfsaceofMindlinderive - pdislacementolution.Analsishowshatnfluencef s s t i opydewaterintimeofunsteadseeaeininfiniteconfined gypg auiferonsoilsettlementissinificantincomarisonwiththe qgpseeae.Soilsettlementcausedbdecomressionandstead pgypy
上,承压水减压降水引起的土层沉降与潜水降水引起的土层沉降存在着本质的区别,一方面,潜水含水层的水位线是真实存在的,而承压含水层不存在真另一方面,潜水含水层降水是一个加载实的水位线;
过程,而承压含水层减压降水是一个卸载过程,所以,由承压水减压降水引起土层沉降的大小、空间分布不仅与渗流类型、承压含水层性质有关,还与隔水
收稿日期:2010);)基金项目:国家自然科学基金(无锡市科技计划项目(50878149092167
,:第一作者:王春波(男,博士生,主要研究方向为深基坑工程流固耦合理论及数值计算.1982—)E-mailbochunwan63.com@1g
362
同济大学学报(自然科学版)
第41卷
]67-层、降水方式、上覆土层参数等有关[文献[基.8]
推导了深厚弱透水层下卧于太沙基一维固结理论,
承压层时,减压降水引起的沉降固结度计算公式;文]献[对顶板完全隔水的承压含水层运用完全井理9论,推导了无限承压含水层完全井稳定渗流降水引起的地面沉降公式;文献[用高、低渗透压缩性地10]层组合、深源减压上覆土层逆回弹、深源固结变形协渐进边界机制解释了上海软土地区承压水减压调、
降水引起的土层分层沉降之和与地表沉降量不等的文献[利用二维有限元法分析了土层参数现象;11]对基坑周围土体沉降形状的影响.然而,实际工程中由于围护结构的隔断或水源补给不及时真正的稳定其次,上述研究都没有从土层沉降的空间分流很少,布进行分析.
本文针对无限承压含水层非稳定降水渗流,对承压水减压降水引起土层沉降的机理进行分析,以弹性半无限空间M推导无限indlin位移解为基础,
承压含水层非稳定渗流引起土层沉降的解析解,以分析承压含水层降水无锡三阳广场车站基坑为例,
引起土层沉降的时空分布规律,并对影响土层沉降的7个参数进行敏感性分析.
)|)|x,tx→∞=H(x,ty,y,y→∞=H0H(
t>0==0, xx→∞yy→∞
()1c()1d()1e
2rMK·π
r2
2
r→0
t>0=Q,
式中:alace算子;t为降水时Δ=2+2为二维Lp
xy间;K为渗透系数;T为导水系数,T=KM;S为含其中,水层贮水系数,S=M,α+ng(ρβ)ρ为水的密
度,n为孔隙率,α为多孔介质骨架g为重力加速度,的压缩系数,β为水的压缩系数
.
图1 无限承压含水层非稳定降水渗流示意图
1 无限承压含水层完全井非稳定渗流
如果将承压含水层顶、底板视为严格的隔水层,则承压含水层不会产生越流补给而且上部浅水层水位保持不变,井点降水只会影响承压含水层水头,在承压水降水过程中可以认为承压含水层对井周围的图1为无限承压地下水位分布不产生实质性影响.
含水层非稳定降水渗流示意图,图中,H为地下水位;H0为含水层初始地下水位;Q为抽水井流量;M
为承压含水层厚度;r为任一点到井中心的距离;rw为降水井直径;s为任意一点在任一时刻的水位降深.如果承压含水层满足如下假设条件:①含土层均水平等厚,侧向无限延伸;质各向同性、②含水层抽水前天然水力梯度为零;地下水流③含水层抽水时,服从D流量恒定、井arc④抽水井为完全井、y定律;径无限小;⑤在抽水过程中反映含水层性质的物理参数如含水层渗透系数K,贮水系数S等保持恒定.则单个完全井的井流适用Theis公式):见式(1
[12]
Fi1 Sketchofunsteaddewaterinseeaeof g.ygpg
infiniteconfinedauifer q
)—()式(可用极坐标表示为1a1e 为便于分析,
Δ-·s=0,t>0,r>0
Tt
()
()2()3
(),sr,tr>0|t=0=0
()r,t|r→∞=0srt>0,r>0
r→∞
=0,()4
,()rt>0,r>05=-r→0r2Tπ[2]
heis于1935年求得此数学模型的解为1 T
-y
∞s(,)()()rt=u=6y4T4Tuyππ
2
()u=74Tt-y
)式(中,是一个非初等函数,将e项用泰勒6W(u)
,其表达式
级数展开,一般地,当u≤0.有01时,
()W(u)≈-0.577216-lnu≈ln28
rS))代入式(得:86 将式(
ΔH=·,t>0
Tt
)|x,tt=0=H0y,H(
()1a()1b
s=
·(u)≈lg2
4TTrSπ
()9
第3期
王春波,等:非稳定承压水降水引起土层沉降分布规律分析
363
2 承压含水层非稳定渗流降水引起上
覆土层沉降分析
2.1 减压降水引起的附加应力
假设承压含水层顶底板为完全隔水层时,顶底板受到承压水的作用力,其中顶板受到向上的作用底板受到向下的作用力,受力示意图如图2所力,
示.为便于分析,可假设一虚拟的承压含水层水位在降水井减压的作用下,虚拟水位线下降,表现线,
为承压水压力减小,即相当于产生一个作用在承压含水层顶板上的等效附加荷载,如图3所示,其大小)求解,表达式如下:可由虚拟的水位线降深式(9
)=()≈r,trsr,tf(w·
3
l·g2
TrS
(的距离;0,0,-h)r为R投影到地表面上的水平距
则半无限空间某一深度h处的集中力F在离;
处引起的竖向位移为m(R,z)θ,
2
)())((w=++R18E1-νR2π
22
(()())++33
R1R22()
R52
()11
2
式中:R1=2+z-hR2=ν为泊松比,2
2+z+h.()10
图4 半无限空间Mindlin位移解图示
Fi4 SketchofsemiinfiniteMindlindislacement - g.p
solution
)作用下,地表以下任意一点r,t 在附加荷载f(的竖向位移为
w=dw=
∫()l·
ldrg2 0TE1-νrS
2
())(++2222
zhzh+-++∫
22
(()())232+232+[][]R2+(z-h)R2+(z+h)2
()()12252[]R2+(z+h)式中,E为上覆土层弹性模量,MPa.
)
iechardt公式 如降水影响半径按S
[1]
:
()·l=10s13 则由非稳定渗流降水引起的土层沉降公式表示如下:
2.2 非稳定渗流引起的土层沉降计算公式推导
弹性半无限空间M图4)来求解indlin位移解(均质半无限空间内,在地表以下某一深度处作用一非均匀荷载引起土层的位移.图4中,点m的坐标为
;m(R,z)h为竖向集中力F作用点距地表面的距θ,离;R为m点到竖向集中力作用线的水平距离;R1为m点到集中力F作用点的距离;R2为m点到点
()·K·w=·49.74slg·-()TE1-νsK
(
···K+577.76s0lsK·g
S
2
())(++22
2+z-h2+z+h)
22
(()())//232+232+[][]R2+(z-h)R2+(z+h)
364
2
()
252
[]R2+(z+h)
同济大学学报(自然科学版)
第41卷
)
()14
沉降值,主要计算步骤为:①确定土层沉降不同计算深度z;②确定同一土层计算深度上距降水中心距离
;R;③设定不同的降水时间t
3 算例分析
3.1 承压含水层非稳定降水引起上覆土层沉降
无锡市轨道交通三阳广场站为无锡地铁1、2号线换乘车站,根据勘察资料:⑥3承压含水层顶板标高为-2层厚6.稳定水位标高为-4.0.8m,0m,1
-1
,渗透系数K=0.与外界无水力联系,m,12cm·s
上隔水层为⑥1层粘土,下隔水层为⑦1粉质粘土,
两隔水层渗透系数很小,可作为不透水层.简化后的计算模型如图5所示,图中h为上覆土层厚度.采用)由式(可计算不同的土层参数及流量参数见表1.14深度处距离降水中心不同距离不同降水时间的土层
表1 土层及流量参数
Tab.1Soilandflowarameters上覆土层
/厚度hm24.5
单井抽水量承压含水层
3·-1)/厚度M/mQ(mh
6.0
60
上覆土层
弹性模量/MPEa19.0
承压含水层承压含水层
上覆土层平均
//导水系数T渗透系数K
泊松比ν2·-1)-1)((mdm·d
62.4
10.4
0.32
承压含水层
贮水系数S
8.46×10-3
图5 简化数学计算模型
Fi5 Simlifiedmathematicalcalculationmodel g.p
水位降深
/sm8.0
土层沉降随降水时间的变化关系如图6所示.
由图6可知,无限承压含水层非稳定降水引起的土层沉降随时间、空间的分布具有以下特点:①上覆土随着距降层同一深度上降水中心处的沉降值最大,水中心距离的增加沉降值减小;②无限承压含水层随着降非稳定渗流降水时间对土层沉降影响显著,水时间的增加土层沉降增大;③上覆土层不同深度土层的沉降值随着距地表距离的增加土层最大沉降值增大,其最大值位于承压含水层顶板处.图7为不同埋深处土层最大沉降值随降水时间的变化曲线,如降水3地表处的最大沉降为1.而0d时,99mm,承压含水层顶板处的最大沉降值为7.增加了6mm,5.61mm.
3.2 土层参数敏感性分析
)由式(可知,无限承压含水层非稳定降水渗14),流引起的土层沉降w=w(h,E,M,T,S,K,Q,sν,其T和S均为K、因此影响土层沉降大M的函数,小、空间分布的只有7个参数.以无锡地铁三阳广场站土层参数为基础,变化单一参数,分析降水30d时地表沉降的大小及空间分布规律.各参数变化见表2.
()上覆土层厚度变化对地表沉降的影响1
降4.5m变化到44.5m, 上覆土层厚度h由2
水3当上覆土层厚度0d时的地表沉降如图8所示,
表2 各土层参数变化表
Tab.2 Chanesofvarioussoilarameters 参数
/上覆土层厚度hm /MP上覆土层平均弹性模量Ea
上覆平均泊松比ν
变化范围
24.5,29.5,34.5,39.5,44.51.0,9.0,19.0,29.0,39.00.28,0.30,0.32,0.34,0.366.0,7.0,8.0,9.0,10.0
承压含水层厚度M/m
-1)/(承压含水层渗透系数K10.4,15.0,20.0,25.0,30.0m·d
3·-1)/(单井出水量Q60,70,80,90,100mh
/水位降深sm
8.0,10.0,12.0,14.0,16.0
为2地表最大沉降为1.当上覆土4.5m时,99mm,层厚度增加到4地表最大沉降为1.4.5m时,09减小了4附图表示地表最大沉降值与土体mm,5%,
参数的关系变化(下同)如图8的附图所示,随着上.地表最大沉降逐渐较小,两者近覆土层厚度的增加,
似成线性关系.由此可知,当承压含水层埋深大于一定值时,承压水降水引起的地表沉降值可忽略.)上覆土层弹性模量变化对地表沉降的影响2 (
图9显示了降水30d时上覆土层弹性模量变化上覆土层弹性模量由1MP对地表沉降的影响,a变化到3地表最大沉降由39MPa时,8.37mm减小到当上覆土层弹性模量较小时,地表沉降0.972mm.
减小的幅度较大,随着弹性模量的增加地表沉降减小的幅度变小,而且弹性模量的变化不仅影响地表沉降的大小,还影响地表沉降的空间分布范围,如弹距降水中心5性模量为1MPa时,00m处的地表沉
第3期
王春波,等:非稳定承压水降水引起土层沉降分布规律分析
365图6 上覆土层不同深度土层沉降随降水时间的变化曲线
Fig.6 Soil settlement curves of different depths of overlaying soil with dewatering
tim
e降的变化规律,由图11所示.承压含水层厚度为6m时,地表最大沉降为1.99mm,距离降水中心100m处的地表沉降为0.28mm,当承压含水层厚度增加到10m时,地表最大沉降为1.19mm,距降水中心100m处的地表沉降为0.17mm,
因此,承压含水层厚度的变化不仅影响地表的最大沉降,还会影响地表沉降的分布,由图11的附图可知,地表最大沉降与承压含水层厚度基本呈线性关系.
(
5)承压含水层渗透系数变化对地表沉降影响承压含水层渗透系数的变化对地表沉降的影响
图7 上覆土层不同埋深处最大沉降随降水时间的变化曲线如图Fig.7 Maximum settlement curve of different dep
th of12所示,当渗透系数由10.4m·d-1
增加到30
overlaying soil with dewatering
timem·d-1
时,地表最大沉降由1.995mm增加到1.999
mm,
变化很小,可见只有当渗透系数变化很大时,才降为1.08mm,而弹性模量为39MPa时,地表最大会引起地表沉降的变化.
沉降才为0.9mm.
(
6)单井出水量变化对地表沉降的影响 (
3)上覆土层泊松比变化对地表沉降的影响随着单井出水量的增加,
地表沉降值增大,如图土体泊松比一般在0.3左右,通过改变上覆土13所示.单井出水量为60m
3
·h-1,地表最大沉降层泊松比的大小,分析对地表沉降的影响,由图10量为1.99mm,当单井出水量增加到100m
3
·h-1,所示,泊松比取不同值时,地表最大沉降及地表沉降地表最大沉降值增大到3.38mm,增加了69.8%.分布模式基本相同.
并且随着出水量的增加,地表沉降分布范围也有所 (
4)承压含水层厚度变化对地表沉降的影响增大,但距离降水中心500m处的地表沉降值没有承压含水层厚度由6m增加到10m时地表沉
发生变化.
366
同济大学学报(自然科学版)
第41卷
)承压含水层水头降深变化对地表沉降影响7 (
承压含水层水头降深变化对地表沉降的影响如图1随着承压水头降深的增加,地表最大沉4所示,降值增加,而且地表沉降范围增大,
当承压水头降深
为8.距离降水中心10m时,00m处地表沉降为当承压水头降深为1距离降水0.28mm;6.0m时,中心100m处的地表沉降为0.63mm.
第3期
王春波,等:非稳定承压水降水引起土层沉降分布规律分析
367
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4 结语
()基于弹性半无限空间M推导1indlin位移解,了无限承压含水层非稳定渗流引起土层沉降的解析利用此公式可以计算任意降水时间上覆土层公式,
内任意一点的沉降值.
()无限承压含水层非稳定降水渗流引起的地2
表沉降随时间变化显著,随着降水时间的增加土层沉降增大.
()承压含水层减压降水引起的土层沉降最大3
值出现在承压含水层顶板处,并且越接近地表,土层沉降值越小,当承压含水层埋深大于一定值时,降承压水引起的地表沉降可以忽略不计.
()无限承压含水层非稳定降水渗流引起的地4
泊松比和承压含水层渗透系表沉降的土层参数中,
数的变化对地表沉降几乎没有影响,其余参数的变化对土层沉降影响显著,其中上覆土层厚度的变化只会影响地表沉降值大小,而上覆土层弹性模量、单井出水量、水头降深和承压含水层厚度的变化还会影响地表沉降的空间分布.参考文献:
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