﻿ 粉细砂地层高承压水基坑突涌破坏受力变形特征分析

# 粉细砂地层高承压水基坑突涌破坏受力变形特征分析Stress and Deformation Characteristics Analysis of Surge Damage of High-Confined Water Foundation Pit in Silty Sand Stratum

Abstract: Aiming at the foundation pit with high confined water in silty sand stratum, based on the plastic deformation and failure characteristics of inrush, the finite element model of inrush seepage failure of foundation pit is established, and the influence of the depth of confined water level and the cohesion of soil at the bottom of the pit on the inrush of foundation pit is studied. The results show that the stress field of the pit bottom soil is redistributed due to the excavation of the foundation pit, which is especially prominent near the standard section in the middle of the end well, and makes the stress of the pit bottom soil increase sharply compared with the surrounding soil. The yield stress ratio of the end well is the largest at the bottom of the pit soil near the standard section, so the failure occurs first at the top of the confined aquifer, and then the failure range expands from bottom to top until the bottom of the pit is damaged. The maximum vertical displacement of pit bottom soil decreases gradually with the increase of confined water level, which shows a linear change. The maximum stress ratio of pit bottom soil decreases gradually with the increase of confined water level, and changes greatly at first, then tends to be flat. The maximum vertical displacement of pit bottom soil and the maximum stress ratio of pit bottom soil decrease gradually with the increase of cohesion of pit bottom soil, and the cohesion increases. It has an obvious effect on the stability of the foundation pit gushing.

1. 引言

2. 突涌塑性破坏计算理论

2.1. 坑底土突涌塑性破坏条件

${f}^{\ast }\left({\sigma }_{ij}\right)={k}_{f}$ (1)

2.2. 坑底土塑性屈服准则和本构关系

$\begin{array}{c}f=\alpha {I}_{1}+\sqrt{{J}_{2}}-k=0\\ \alpha =\frac{2\mathrm{sin}\phi }{\sqrt{3}\left(3-\mathrm{sin}\phi \right)},k=\frac{6C\cdot \mathrm{cos}\phi }{\sqrt{3}\left(3-\mathrm{sin}\phi \right)}\end{array}\right\}$ (2)

2.3. 基坑突涌塑性破坏指标

${\sigma }_{e}=\alpha {I}_{1}+\sqrt{{J}_{2}}$ (3)

D-P屈服准则是一种经过修正的Mises屈服准则，它考虑了静水压力对屈服强度的影响，静水压力越高，其屈服强度越大。因此，对于含承压水基坑，当坑底土的屈服应力比 ${N}_{\sigma }>1$ 时，坑底土产生塑性屈服破坏； ${N}_{\sigma }$ 越大，塑性破坏分布区也越大， ${N}_{\sigma }$ 的大小直接反映了坑底土突涌塑性破坏程度，是评价坑底土突涌塑性破坏程度的一个重要指标 [11] [12]。

3. 计算模型与计算参数

3.1. 工程概况

3.2. 计算模型

Figure 1. Cross section of station end shaft

Figure 2. Computational model diagram

3.3. 计算参数

Table 1. Physical and mechanical parameters of soil layer

4. 突涌破坏计算结果分析

4.1. 坑底土竖向位移分析

Figure 3. Vertical displacement nephogram of pit bottom soil

4.2. 坑底土应力分析

Figure 4. Maximum principal stress nephogram of pit bottom soil

4.3. 坑底土塑性区分析

Figure 5. Yield stress ration ephogram of pit bottom soil

Figure 6. Axonometric map of plastic failure distribution of pit bottom soil

5. 基坑突涌破坏影响参数分析

5.1. 承压水位降深对基坑突涌影响

Figure 7. Maximum vertical displacement of pit bottom soil-drawdown curve of confined water level

Figure 8. Maximum yield stress ratio of pit bottom soil-drawdown curve of confined water level

5.2. 承压水基坑坑底土粘聚力对基坑突涌影响

Figure 9. Maximum vertical displacement of pit bottom soil-cohesion curve of pit bottom soil

Figure 10. Max yield stress ratio of pit bottom soil-cohesion curve of pit bottom soil

6. 结论

1) 在考虑不降承压水的情况下，靠近标准段的一面隆起位移最大，在垂直方向上从坑底至承压含水层顶面，竖向位移逐渐增大，最大值为85.88 mm。基坑开挖导致坑底土应力场产生了重新分布，该情况在端头井中部靠近标准段附近表现尤为突出，使得坑底土较周边产生应力突增的现象，最大应力为70.3 kPa。在靠近标准段两侧的坑底土底部的屈服应力比最大，说明端头井在承压含水层顶板处最先发生破坏，然后破坏范围自底向上扩展，直至基坑底部发生破坏。

2) 由高承压水引起的基坑突涌发生在与地连墙相连的3个侧面，坑底土自下而上破坏范围越来越大。由于基坑突涌的发生是承压水的高水头压力引起的，所以应该认真分析工程场地的承压水特性，制定有效的承压水降水设计方案，采取有效的承压水降水措施，将承压水位严格控制在安全埋深以下。

3) 在未达到最终降深之前，基坑坑底土存在自下而上贯通的塑性破坏区域，这意味着坑底土会发生突涌破坏。在达到最终降深时，坑底土的塑性破坏区域没有自下而上贯通，所以不会发生突涌破坏。坑底土最大竖向位移随着承压水水位降深增加而逐渐减小，大致呈线性变化；坑底土最大应力比随着承压水水位降深增加而逐渐减小，刚开始变化幅度较大，随后趋于平缓。建议在降水过程中，要严格控制水位降深，确保基坑稳定。

4) 坑底土最大竖向位移、坑底土最大应力比随着坑底土粘聚力增加而逐渐减小，粘聚力的增加对于基坑突涌稳定性的影响十分显著，直到基坑不会发生突涌，坑底土粘聚力的影响才逐渐减弱。当土的粘聚力提高了30%时，基坑不再出现自下而上贯通的塑性破坏区域，即不会发生突涌破坏。建议基坑开挖时考虑坑底土加固，可以有效提高基坑突涌稳定性，确保安全施工。

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