E865-高层建筑群与地下水位变化耦合作用下土体变形机理研究 下载积分：150　资料编号： E865

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Word版说明书1份，共146页，约55000字

CAD版本图纸，共4张

摘  要

地面沉降是各国家和地区面临的重要环境问题。长期的累积沉降造成了基础设施破坏和巨大的经济损失，上海市中心城区每下沉1mm带来的经济损失可达1.53亿元。而诱发地面沉降的因素逐渐从单一的开采地下水，转变为地下水位变化和工程环境效应共同作用，使得地面沉降的机理研究更加复杂。本文以上海等软土地区典型地质为背景，通过理论分析、室内模型试验和数值模拟等方法，对高层建筑荷载和地下水位变化耦合作用下的土体变形机理进行研究，为控制软土地区的地面沉降提供了理论依据和参考。主要取得以下成果：

（1）在不同分布形式的对称荷载作用下，作用净间距是影响对称中心处叠加效应的最主要因素。而当荷载影响范围超过一定距离后，合力大小和作用位置均相同的矩形荷载、线性荷载和点荷载，三者可以相互等效。半无限体表面和内部集中荷载产生的压缩变形机理有本质区别，表面集中荷载仅在其内部产生压应力，而内部集中荷载会在荷载作用平面以上产生拉应力，进而减缓了上部土体的沉降。在荷载大小相同时，内部集中荷载在地表产生的沉降仅为表面集中荷载的50%。

（2）高层建筑往往通过实体桩基向周围土体介质传递上部荷载，而针对桩土相互作用问题，本文分为两方面。一是单层地基土中的桩土相互作用，基于Mindlin-Geddes解，推导出抛物线形桩侧阻力在土体内部任意一点产生的应力和位移函数解，使用Mathematica画出竖向应力和竖向位移分布图，并与矩形和三角形桩侧阻力所引起的应力和位移分布进行比较分析。二是多层地基土中的桩土相互作用，通过ABAQUS有限元软件研究了持力层弹性模量、桩直径和桩长对于多层地基土中桩土相互作用的影响，结果表明桩长和持力层弹性模量对软弱下卧层压缩量以及桩端、桩侧荷载分担比影响较大，而桩直径对于桩顶沉降影响较大。

（3）通过室内模型试验，得出先建建筑的累积沉降量大于后建建筑，且相邻建筑之间存在明显的叠加效应。与建筑荷载相比，开采地下水引起的地面沉降影响范围更广，持续时间更长，且地下水位变化会改变桩基的受力状态，使其成为负摩擦桩阻碍周围土体的沉降。此外，在建筑荷载阶段，由于模型试验应力水平远不及实际，导致桩侧摩阻力较小，建筑荷载主要由持力层承担，进而使得软弱下卧层粘②层压缩量最大。而在开采地下水阶段，上覆粘①层由于饱和度变化发生了固结沉降，其压缩量超过了整个地基土层沉降量的50%。因此，建筑荷载和地下水位变化引起的地面沉降主要取决于粘土层的压缩变形。而回灌地下水能够有效抑制地面沉降速率，进而减缓地面沉降的发生，但引起的地面回弹量较小，整个地面沉降过程不可逆。本试验中用于长期监测土体固结沉降的PIV粒子成像测速技术与实测误差约为5%左右，显示了较好的适用性。在各阶段中，粘土层中的孔隙水压力和土压力存在明显的滞后效应，而在砂土层中则消散和上升变化迅速。

（4）通过ABAQUS有限元软件，建立了建筑荷载和基坑降水共同作用的地面沉降三维模型，主要研究了桩基数量、建筑间距、桩长、抽水井降深、地连墙深度、砂土层渗透系数和抽水井深度对建筑物及其周边地区沉降的影响。建筑荷载和基坑降水引起的地面沉降，均以粘土层压缩为主，但是基坑降水引起的地面沉降影响范围远大于建筑荷载。

关键词：地面沉降；桩土相互作用；室内模型试验；PIV粒子成像测速技术；高层建筑荷载；水位变化；多因素分析

1 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 地面沉降理论研究 3

1.2.1 桩基沉降计算理论 3

1.2.2 固结沉降理论研究 4

1.3 地面沉降室内模型试验研究 5

1.4 地面沉降数值模拟研究 6

1.5 本文研究内容与技术路线 7

1.5.1 主要研究内容 7

1.5.2 技术路线 7

2 地面沉降理论分析 9

2.1 引言 9

2.2 地面沉降计算 9

2.2.1 半无限体表面在法向力作用下的应力和位移函数 9

2.2.2 半无限空间内部受竖向荷载作用下的应力和位移函数 15

2.2.3 多层地基土层中的桩土相互作用 21

2.3 一维和三维固结理论 28

2.3.1 太沙基一维固结理论 28

2.3.2 比奥固结理论 30

2.4 本章小结 31

3 高层建筑群和地下水位变化共同作用引起的地面沉降模型试验 33

3.1 引言 33

3.2 试验材料 33

3.2.1 试验土的物理力学性质 33

3.2.2 桩基材料 34

3.3 试验模型 34

3.3.1模型箱及地基土设计方案 34

3.3.2建筑物、桩基以及建筑荷载 37

3.3.3 监测系统 37

3.4 试验过程 41

3.4.1模型制备 41

3.4.2 试验方案实施 42

3.5 试验结果分析 43

3.5.1 地基土层自重固结阶段 43

3.5.2 建筑荷载阶段 43

3.5.3 开采地下水阶段 51

3.5.4 回灌地下水阶段 61

3.5.5 建筑荷载和地下水位变化对地基土层沉降变形的影响 65

3.6 本章小结 69

4 地面沉降多因素数值分析 71

4.1 引言 71

4.2 ABAQUS有限元软件介绍 71

4.3 三维地面沉降模型建立及试验方案 71

4.4 多因素地面沉降模型结果分析 73

4.4.1 地应力平衡 73

4.4.2 建筑荷载引起的地面沉降 73

4.4.3 基坑降水引起的地面沉降 77

4.4.4 基坑降水对建筑物沉降的影响 88

4.5 本章小结 90

5 结论与展望 92

5.1 结论 92

5.2 展望 93

参考文献 94

附录 98

第二部分 外文翻译及致谢

翻译原文 100

中文译文 116

致谢 125

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