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地下水位变动诱发地铁隧道变形机理及其与地铁隧道相互影响研究

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摘要

Abstract

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1 地下水降落诱发地面沉降机理及其分析方法研究

1.2.2 地下水与地下结构物相互作用研究

1.2.3 基于原位测试技术的水文地质参数确定方法研究

1.3 存在问题分析

1.4 论文研究内容及研究成果

1.4.1 研究内容

1.4.2 主要研究成果

第二章 长三角南部地区地下水-地面沉降发生发展规律研究

2.1 地下水抽取-地面沉降发生发展规律分析

2.1.1 上海地区地下水开采及地面沉发生发展历程

2.1.2 苏锡常地区地下水及地面沉降发生发展历程

2.2 地下水位变动模式分析

2.2.1 地下水位变动模式的提出

2.2.2 地下水位变动公式

2.2.3 含水层变形模式

2.3 本章小结

第三章 基于CPTU的长三角典型沉积土渗透系数确定方法研究

3.1 基于孔穴扩张理论的渗透系数确定方法

3.1.1 基于孔穴扩张理论的超孔压计算方法

3.1.2 已有理论分析方法

3.1.3 基于改进圆柱面径向渗流模型的渗透系数确定方法

3.1.4 简化经验公式法

3.2 试验概况

3.2.1 试验场地

3.2.2 CPTU 试验设备

3.2.3 室内试验及抽水试验

3.3 试验结果分析

3.3.1 分析方法

3.3.2 分析结果

3.4 本章小结

第四章 地下水位变动对线性地铁隧道的影响规律分析研究

4.1 地下水位变动对线性地铁隧道影响的模型试验研究

4.1.1 相似原理

4.1.2 模型材料

4.1.3 模型试验方案及过程

4.1.4 模型试验结果分析

4.2 水位变动对线性地铁隧道影响的数值分析研究

4.2.1 FLAC3D软件简介

4.2.2 工程概况

4.2.3 计算模型

4.2.4 计算结果分析

4.3 本章小结

第五章 工程性降水诱发地铁隧道受力变形的理论解析方法研究

5.1 工程性降水特点及实例分析

5.1.1 工程性降水特点

5.1.2 实例分析

5.2 工程性降水诱发隧道变形的理论分析方法

5.2.1 工程性降水诱发附加应力的简化分析方法

5.2.2 土层沉降解析解

5.2.3 梯形作用力下的弹性地基梁解析解

5.3 工程性降水诱发隧道受力变形分析

5.3.1 模型建立

5.3.2 工程性降水诱发隧道纵向受力变形分析

5.3.3 工程性降水诱发隧道横向受力变形分析

5.4 本章小结

第六章 地铁隧道结构对地下水渗流场的阻挡作用分析研究

6.1 地下结构物对地下水阻挡作用的危害性分析

6.1.1 地下结构物对环境的影响

6.1.2 地下结构物对南京秦淮河古河道地下水流场的影响

6.2 线性地下结构物对地下水阻挡作用的理论解析方法

6.2.1 Pujades阻挡作用分析方法

6.2.2 考虑水头分布形态的阻挡作用理论解析方法

6.3 模型试验

6.3.1 试验装置及过程

6.3.2 试验方案

6.4 数值分析

6.4.1 数值分析模型

6.4.2 数值分析方法的验证

6.5 结果分析

6.5.1 模型试验结果分析

6.5.2 数值分析结果分析

6.5.3 影响因素分析

6.6 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 结论

7.2 本文创新点

7.3 展望

附录A 长三角南部地区典型场地的CPTU测试结果

附录B 梯形作用力下的土体沉降和应力解析解

致谢

参考文献

作者攻读博士期间发表论文

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摘要

地下水抽取诱发的地下水位一沉降漏斗不仅威胁着经济社会的健康发展,也对地铁隧道等地下建(构)筑物产生重大影响。本文以典型地铁工程建设密集区域一长江三角洲南部地区为研究区,综合采用理论分析、数值模拟、模型试验和现场试验等手段,深入研究了地下水位变动诱发地铁隧道的变形机理及其与地铁隧道相互影响。主要结论如下: (1)在充分调研长江三角洲南部地区地下水抽取一地面沉降发生规律的基础上,采用正弦函数、等比函数和对数函数表示出五种典型长三角南部地区水位变动模式,并给出了正弦函数的周期ω与波幅△h、等比函数的公比q等关键拟合参数。 (2)基于稳态贯入探头周围流体沿圆柱面径向渗流条件以及初始孔压负指数分布形式,提出了基于改进圆柱面径流模型。通过长江三角洲7个场地的实测数据,采用常规定性和定量分析方法以及提出的相对误差指数和误差累计曲线方法,对不同经典方法进行对比,结果表明,Elsworth和Chai方法大大低估了土体的渗透系数,本文方法是较为可靠的长三角沉积土渗透系数确定方法。考虑到经典理论分析方法曲线形态及不排水与部分排水边界线的选择均具有一定程度主观性,提出了圆弧、抛物线或椭圆三种渗透系数预测经验曲线,并通过变量个数和统计指标的对比,得到最佳经验预测曲线为椭圆线。 (3)采用室内大型模型试验进行了水位持续上升或下降工况条件下的隧道变形受力分析,结果表明,相同条件下,漏斗中心的最大沉降量(Smax)/隆起量(Lmax)的值在2~5之间,与回弹模量(Er)/弹性模量(E)接近。采用考虑流固耦合的三维数值模拟手段,阐明了五种典型地下水位变动工况f工况1近似等幅波动、工况2持续波动下降、工况3小幅波动上升工况、工况4小幅波动下降和工况5持续波动上升)条件下的土体和隧道受力变形规律,结果表明:漏斗中心线上的土体变形,随着埋深的增加先增大后减小,在埋深15m~20m时取得最大值,埋深25m的隧道变形比地面变形大9.4%左右。沿着纵向的隧道竖向变形、轴力和弯矩基本满足修正高斯曲线。沿着纵向的隧道水平变形呈三次曲线向两端先增大后减小,恰好在反弯点附近取得最大值。在五种工况中,持续波动下降的工况2对隧道的影响最大。 (4)将工程性降水引起的附加应力分布形式简化为梯形,基于Mindlin解,结合两阶段分析法,提出了土体和隧道变形的解析解,结果表明:理论解析与数值模拟的得到的隧道变形相差10%左右。隧道纵向弯矩受接触系数和作用力宽度的影响较大,而受土体弹性模量、隧道埋深和作用力埋深的影响较小。隧道横向弯矩受作用力深度、接触系数和偏心率的影响较大,而受弹性模量和隧道埋深的影响较小。 (5)假设地下阻隔物显著影响区的水头高度变化形态为直线或抛物线,推导了五种线性地下结构物对渗流场阻挡作用的理论解析公式,利用模型试验和数值模拟方法,对提出的五种地下结构物对渗流场阻挡作用解析公式进行对比,并分析了含水层类型、参数以及空间位置关系对阻挡作用的影响。结果表明:解析公式中,公式4和5具有更好的准确性和简洁性。含水层类型对阻挡作用影响有限,阻隔物位于潜水中产生的阻挡作用比承压水中小,并随着阻隔物插入深度的增加,差距逐渐增大。阻隔物的渗透系数Kb及其下方土体的渗透系数kbs对阻挡作用影响较大,而土体渗透系数对它的影响较小。空间位置对它的影响也不大。

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