专利名称：一种软土地层含承压水基坑突涌塑性破坏计算处理方法
技术领域：
本发明涉及一种含承压水基坑突涌破坏计算处理方法，尤其是涉及一种软土地层 含承压水基坑突涌塑性破坏计算处理方法。
背景技术：
近年来，随着我国城市地下铁道、高层建筑、人防工程等基础设施的迅速发展，深 基坑工程日益增多，深基坑工程开挖施工的地质条件和环境也日益复杂，其工程事故率和 损失也越来越大。在深基坑工程中，一项事关全局的工作就是地下水防治，特别是在沿海软 土地区，地下水是深基坑工程的天敌，是导致基坑工程事故最直接的原因之一。根据有关文 献统计，与地下水有关的基坑事故约占总事故的45% 70%。基坑工程中的地下水按其埋藏条件一般包括上层滞水、潜水和承压水这三类。其 中，承压水是地表以下充满于两个稳定隔水层之间承受静水压力的含水层中的重力水，含 承压水基坑在开挖施工中易产生突涌，易造成基坑底隆起变形和围护结构变形增大，影响 基坑稳定，易产生管涌、流砂或流土。因此，对于软土地层的含承压水基坑，当基坑开挖深度 过深或承压水头过高，基坑的抗突涌稳定性得不到满足时，则须采取一定的措施防止基坑 失稳。但是，如何判断承压水基坑抗突涌稳定是一个值得研究的课题，目前，对于承压水 基坑突涌稳定性的判断分析方法，不论是现行基坑工程规范，还是一般的教科书和工程设 计施工手册里均采用压力平衡方法，该方法只考虑了承压含水层顶隔水层土体自重力引起 的抗力，忽略了隔水层土体的抗剪强度，而且这种抗力在硬土隔水层中还比较大，其计算结 果显然不尽合理。尽管有些学者在探索采用其它方法进行研究，如梁勇然(1996)和李建 交(1998)采用的均质连续梁、板分析法，杜贵成(1998)和马石城(2004)采用的带预应力 均质连续梁、板分析法，谭松林(2002)采用的均质连续体法等。但在这些研究中，他们都将 坑底隔水层土体假定为均质、连续弹性体。实际工程中，软土地区承压水基坑坑底隔水层为 非均质、成层分布的弹塑性体，土体没有抗弯性能，简化成具有抗弯性能的梁或板模型分析 显然不够合理，且当隔水层土体厚度与基坑跨度之比较大时，简化成梁或板模型分析与梁、 板定义也不符。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可以从多方面 考虑软土基坑坑底土特性，且有适用范围广、计算简单、计算参数容易获取的软土地层含承 压水基坑突涌塑性破坏计算处理方法。本发明的目的可以通过以下技术方案来实现—种软土地层含承压水基坑突涌塑性破坏计算处理方法，其特征在于，包括以下 步骤1)选取模型计算范围；
2)定义计算范围内坑底土材料属性；3)用有限元程序创建几何实体模型，进行单元离散化；4)设定模型边界条件； 5)对模型施加承压水头荷载，并进行求解；6)根据计算结果得出承压水基坑坑底土突涌塑性破坏分布图，判断基坑是否突 涌。所述的步骤1)中的模型计算范围的选取原则为沿基坑横断面方向，模型宽度取在两围护结构之间；沿基坑纵向，模型长度取基坑坑底完全暴露的长度；沿基坑竖向，模型高度取坑底隔水层厚度。所述的步骤2)中的坑底土材料处理为非均质、各向同性、成层分布的弹塑性体， 土体塑性屈服符合Drucker-Prager准则，其屈服表达式为 式中=IpJ2-分别为应力张量第一不变量和应力偏张量第二不变量 ’C、(p _分别为 坑底土粘聚力和内摩擦角。所述的步骤3)中的几何实体模型采用三维实体单元进行离散化。所述的步骤4)中的模型边界处理为与围护结构无接触的一侧，边界假定为竖向滑动；与围护结构接触的一侧，边界假定为固支约束。所述的步骤5)中的承压水头荷载为均布水头压力荷载。与现有技术相比，本发明具有以下优点1、本发明考虑了承压水基坑坑底隔水层土体粘聚力和摩擦力对承压水的抵制作 用，考虑了软土地层基坑坑底土的弹塑性。2、本发明对坑底土材料的本构模型选用理想弹塑性Drucker-Prager模型，一方 面考虑了静水压力对软土屈服的影响，另一方面它没有考虑软土发生塑性变形时功硬化， 从坑底土塑性破坏分析的安全角度来看，它更适用于软土的破坏计算，且计算简单，计算参 数容易获得。3、本发明对于坑底土为非均质性、成层分布的隔水层同样适用；且它可模拟承压 水基坑坑底土三维空间突涌破坏现象。
图1为本发明的承压水基坑断面和突涌计算范围示意图；图2为本发明的承压水基坑突涌塑性破坏有限元计算模型图式示意图；图3为本发明实施例1的上海地铁某车站深基坑横断面图；图4为本发明实施例1的上海地铁某车站深基坑突涌计算模型断面图；图5为本发明实施例1的上海地铁某车站深基坑坑底隔水层在28m承压水头作用下的塑性破坏分布图；图6为本发明实施例1的上海地铁某车站深基坑坑底隔水层在24m承压水头作用 下的塑性破坏分布图；图7为本发明实施例1的上海地铁某车站深基坑坑底隔水层在20m承压水头作用 下的塑性破坏分布图；图8为本发明实施例2的RLH大楼基坑坑底隔水层塑性破坏分布图；图9为本发明实施例3的北环补住宅I基坑坑底隔水层塑性破坏分布图；图10为本发明实施例4的北环补住宅II基坑坑底隔水层塑性破坏分布图；图11为本发明实施例5的密饯厂车间基坑坑底隔水层塑性破坏分布图；图12为本发明实施例6的常州某1#基坑坑底隔水层塑性破坏分布图；图13为本发明实施例7的常州某2#基坑坑底隔水层塑性破坏分布图；图14为本发明实施例8的常州某3#基坑坑底隔水层塑性破坏分布图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。实施例1如图1、图2所示，一种软土地层含承压水基坑突涌塑性破坏计算处理方法，包括 以下步骤1)选取模型计算范围；2)定义计算范围内坑底土材料属性；3)用有限元程序创建模型几何实体，进行单元离散化；4)设定模型边界条件；5)对模型施加承压水头荷载，并进行求解；6)根据计算结果得出承压水基坑坑底土突涌塑性破坏分布图，判断基坑是否突 涌。上海地铁某车站端头井段深基坑长13. 8m,宽19. 0m,深16. 7m,基坑断面和计算模 型断面如图3、图4所示。基坑场地地基属第四系河口 _滨海浅海相沉积层，主要由饱和粘 性土、粉性土及砂土组成，其中，坑底第⑦砂土层为承压含水层，降水前承压水头高28. Om, 第⑥层粉质粘土层为硬土隔水层，坑底各土层分布和土的物理力学参数见表1。采用上述承压水基坑突涌塑性破坏计算方法分析，计算得到的车站深基坑坑底隔 水层在不同承压水头作用下塑性破坏分布如附图5、图6、图7，图中缺失的方块区为屈服应 力比大于1的塑性破坏区。表2是根据模型计算结果对不同承压水头作用下坑底土突涌稳 定性的判断情况(突涌判断标准是塑性破坏区贯穿隔水层顶板和底板)，并将模型计算判 断结果与传统压力平衡法、离心试验和现场观测结果进行了比较。表1 土层力学计算参数 表2突涌塑性破坏模型计算结果与压力平衡法、离心模型试验及现场观测结果对 比 实施例2某RLH大楼基坑长L = 72. 8m，宽B= 14. 0m，深H = 6. 0m，坑底隔水层厚h= 1.7m， 重度 Y = 19. OkN/m3，弹性模量 E = 76. OkN/m2，泊松比 u = 0. 32，粘聚力 C = 76. OkPa,内 摩擦角cp=20°，承压水头高礼=4. 5m。采用上述承压水基坑突涌塑性破坏计算方法分析，计算得到的车站深基坑坑底隔 水层在不同承压水头作用下塑性破坏分布如图8所示，根据突涌塑性破坏分布图分析，基 坑无突涌；采用压力平衡法分析，基坑产生突涌，而现场实际是基坑无突涌。分析结果见表 3。实施例3某北环补住宅I基坑长L = 12. Om，宽B = 3. 2m,深H = 3. Om,坑底隔水层厚h =1. lm，重度 Y = 18. 8kN/m3，弹性模量 E = 48. OkN/m2,泊松比 y = 0. 32，粘聚力 C = 42. OkPa,内摩擦角(p=19°，承压水头高Hw = 3. 5m。采用上述承压水基坑突涌塑性破坏计算方法分析，计算得到的车站深基坑坑底隔 水层在不同承压水头作用下塑性破坏分布如图9所示，根据突涌塑性破坏分布图分析，基 坑不突涌；采用压力平衡法分析，基坑产生突涌，而现场实际是基坑无突涌。分析结果见表 3。实施例4某北环补住宅II基坑长L = 12. Om，宽B = 3. 6m,深H = 3. 4m,坑底隔水层厚h =0. 7m，重度 Y = 19. OkN/m3,弹性模量 E = 60. OkN/m2,泊松比 y = 0. 32，粘聚力 C = 48. OkPa,内摩擦角tp=19°，承压水头高Hw = 3. 5m。采用上述承压水基坑突涌塑性破坏计算方法分析，计算得到的车站深基坑坑底隔 水层在不同承压水头作用下塑性破坏分布如图10所示，根据突涌塑性破坏分布图分析，基
6坑产生突涌；采用压力平衡法分析，基坑产生突涌，而现场实际是基坑突涌。分析结果见表 3。实施例5某密饯厂车间基坑长L = 13.0m，宽B = 4. 6m，深H = 6. lm，坑底隔水层厚h =3. 3m，重度 Y = 19. 4kN/m3，弹性模量 E = 80. OkN/m2，泊松比 y = 0. 36，粘聚力 C = 70. OkPa,内摩擦角cp=18°，承压水头高Hw = 8. 7m。采用上述承压水基坑突涌塑性破坏计算方法分析，计算得到的车站深基坑坑底隔 水层在不同承压水头作用下塑性破坏分布如图11所示，根据突涌塑性破坏分布图分析，基 坑不突涌；采用压力平衡法分析，基坑产生突涌，而现场实际是基坑无突涌。分析结果见表 3。实施例6常州某1#基坑长L = 67. 5m，宽B = 24. lm,深H = 5. lm,坑底隔水层厚h = 2. 3m， 重度 y = 20. lkN/m3，弹性模量 E = 104. OkN/m2，泊松比 u = 0. 32，粘聚力 C = 154. OkPa, 内摩擦角cp=21°，承压水头高Hw = 5. Om。采用上述承压水基坑突涌塑性破坏计算方法分析，计算得到的车站深基坑坑底隔 水层在不同承压水头作用下塑性破坏分布如图12所示，根据突涌塑性破坏分布图分析，基 坑不突涌；采用压力平衡法分析，基坑产生突涌，而现场实际是基坑无突涌。分析结果见表 3。实施例7常州某2#基坑长L = 52. Om，宽B = 22. 3m,深H = 6. Om,坑底隔水层厚h = 1. 7m， 重度 Y = 19. 6kN/m3，弹性模量 E = 96. OkN/m2，泊松比 y = 0. 32，粘聚力 C = 115. OkPa, 内摩擦角cp=21°，承压水头高Hw = 4. 3m。采用上述承压水基坑突涌塑性破坏计算方法分析，计算得到的车站深基坑坑底隔 水层在不同承压水头作用下塑性破坏分布如图13所示，根据突涌塑性破坏分布图分析，基 坑产生突涌；采用压力平衡法分析，基坑产生突涌，而现场实际是基坑产生突涌。分析结果 见表3。实施例8常州某3#基坑长L = 40. Om，宽B = 2. Om,深H = 6. 2m,坑底隔水层厚h = 0. 9m， 重度 Y = 19. 9kN/m3，弹性模量 E = 84. OkN/m2,泊松比 y = 0. 32，粘聚力 C = 67. OkPa,内 摩擦角cp=20°，承压水头高Hw = 5. Om。采用上述承压水基坑突涌塑性破坏计算方法分析，计算得到的车站深基坑坑底隔 水层在不同承压水头作用下塑性破坏分布如图14所示，根据突涌塑性破坏分布图分析，基 坑不突涌；采用压力平衡法分析，基坑产生突涌，而现场实际是基坑不突涌。分析结果见表 3。上述实施例计算结果显示采用压力平衡法得到的判断结果与现场实际出入较 大，而采用承压水基坑突涌塑性破坏计算方法分析，得到的判断结果与现场实际和试验结 果吻合一致，从而验证了本发明技术方案的正确性。表3承压水基坑突涌塑性破坏计算方法应用实例分析表
权利要求
一种软土地层含承压水基坑突涌塑性破坏计算处理方法，其特征在于，包括以下步骤1)选取模型计算范围；2)定义计算范围内坑底土材料属性；3)用有限元程序创建几何实体模型，进行单元离散化；4)设定模型边界条件；5)对模型施加承压水头荷载，并进行求解；6)根据计算结果得出承压水基坑坑底土突涌塑性破坏分布图，判断基坑是否突涌。
2.根据权利要求1所述的一种软土地层含承压水基坑突涌塑性破坏计算处理方法，其 特征在于，所述的步骤1)中的模型计算范围选取原则为沿基坑横断面方向，模型宽度取在两围护结构之间； 沿基坑纵向，模型长度取基坑坑底完全暴露的长度； 沿基坑竖向，模型高度取坑底隔水层厚度。
3.根据权利要求1所述的一种软土地层含承压水基坑突涌塑性破坏计算处理方法，其 特征在于，所述的步骤2)中的坑底土材料属性为非均质、各向同性、成层分布的弹塑性体， 土体塑性屈服符合Drucker-Prager准则。
4.根据权利要求1所述的一种软土地层含承压水基坑突涌塑性破坏计算处理方法，其 特征在于，所述的步骤3)中的几何实体模型采用三维实体单元进行离散化。
5.根据权利要求1所述的一种软土地层含承压水基坑突涌塑性破坏计算处理方法，其 特征在于，所述的步骤4)中的模型边界条件处理为与围护结构无接触的一侧，边界假定为竖向滑动； 与围护结构接触的一侧，边界假定为固支约束。
6.根据权利要求1所述的一种软土地层含承压水基坑突涌塑性破坏计算处理方法，其 特征在于，所述的步骤5)中的承压水头荷载为均布水头压力荷载。
全文摘要
本发明涉及一种软土地层含承压水基坑突涌塑性破坏计算处理方法，包括以下步骤1)选取模型计算范围；2)定义计算范围内坑底土材料属性；3)用有限元程序创建几何实体模型，进行单元离散化；4)设定模型边界条件；5)对模型施加承压水头荷载，并进行求解；6)根据计算结果得出承压水基坑坑底土突涌塑性破坏分布图，判断基坑是否突涌。与现有技术相比，本发明考虑了承压水基坑坑底土抗剪强度、非均质性和弹塑性，且有适用范围广、计算简单、计算参数容易获取等优点。
文档编号E02D17/02GK101845815SQ20101018908
公开日2010年9月29日 申请日期2010年5月31日 优先权日2010年5月31日
发明者丁春林, 杨新安, 王东方, 赵军 申请人:同济大学