打通土力学和地下水动力学

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,仁者乐山 智者乐水,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,仁者乐山 智者乐水,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,仁者乐山 智者乐水,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,仁者乐山 智者乐水,土中水使大地充满生气,打通土力学和地下水动力学,水土的工程性质,汇 报 提 纲,一、水土,工程地质的,成因,论,-,沉积相,二、土的,两,个特殊性、学科,两,个特点、降水 的,两,个物理过程,三、土的,三,个基,本,特性,四、初判地下水渗透性的,四,个维度,五、水土的,五个,重要工程特性（变形是过程）,六、归纳：水土的,六,个基本原理,七、水土,七,种逻辑方法,-,分析法，类比法，反演法,八、结语,0,引言,-,水、土、关系,很有挑战性的问题,：如何把,水,文地质勘察的成果用到基坑的各个方面？使得所有的基坑都做水勘！,想要一把水尖刀捅整个岩土工程，水的内涵可以拓宽,-,水,+,土,+,工程,张在明院士说：岩土工程翻译有问题，,漏了重要的要素：水,垫定（饱和土）土力学基石：有效应力原理,Karl Terzaghi,被誉为土力学之父，把土与金属等连续介质区分开,静力平衡！,应力平衡式,有效应力的特性,有效性,剪切强度,(,水没有抗剪强度）；,变形；与有效应力增量相关；,平均性（与流速）,虚拟性（不可测量）,U:,中和性,水压力是球应力；,假定水不可压缩的,平均性（与流速）,虚拟性（不可测量）,没有有效应力原理，就没有土力学,?,其他原理来自于力学,现在还在学步阶段,两相，碎散体的力学！,10000米海底土的有效应力,没有有效应力原理，也就没有非稳定流理论！,两边乘以,-,，,dt,;,公式的假定：三维流动，一维压缩,水、土、关系,问题,1,：国金：两墙合一；基底在,7-1,层上，有,6,层，底板下的浮力是多少？,浮力的平衡：结构自重、桩的抗拔力,国金地库的逆筑：地库底板完成后，全部抵抗浮力的构件施工基本完毕。,承压水面力法分析，脱离体分析法，微元分析法,潜水位的恢复及浮力，指什么水的浮力？,那,层水？,金茂大厦裙房：,不考虑抗拔；,铰接、型钢砼柱,北勘院有一项有业务：抗浮设防水位咨询；,科研积累！,=,现场测试,（时间有限）,+,理论研究,问题,2,：有,6,层时，层中的侧向水压力是多少？,北勘院的两把尖刀,北勘院的两把尖刀,土吸水就像人吸毒品,快覆盖！,200M2,，四周必须设置排水沟、土的膨胀速度很快！负孔压！,注意：边界条件！,地下水控制（治理）手段之一：,降,降水：把基坑或指定范围的,U,（,H),减小、,d,，,0,的物理过程，,决定地下水侧向补给能力的,T=KM,不同，达到相同的降水深度，,Q,有显著不同,(,回灌）,边界条件不同；使渗流场发生质的变化，技术难度、环境效应显著不同,降水类型的划分：边界条件（按帷幕类型划分）,降水要诱发沉降：,地层结构,(k,V,),如：；,渗透系数减小，坑内同样降深，坑外降深减小。,降水类型,技术特征,管材,布井方式,开挖到底时，是否留井,计算方法,疏干,型,含水层土性为夹粉土、砂土的粘性土、降低土体含水量，,钢管、无砂混凝土管、,PVC,管,坑内布井,不需要留井,疏干,a,型,含水层土性为粉土、砂土、碎石土、帷幕隔断含水层,坑内布井,可留,50%,井,疏干,b,型,含水层土性为粉土、砂土、碎石土、帷幕未隔断含水层,坑内布井,留井,封闭式帷幕减压降水,Y-,型,帷幕隔断承压含水层,坑内布井,可留,50%,井,悬挂式帷幕减压降水,Y-,型,帷幕未完全隔断承压含水层,坑内布井,留井,敞开式减压降水,Y-,型,帷幕未深入承压含水层,坑内布井，坑外布井,留井,组合式减压降水,Y-,型,帷幕已深入承压含水层，坑内井滤管底标高低于帷幕底标高,坑内布井，坑外布井,留井,减压疏干型,Y-,坑底已揭露承压含水层，须先减压，后疏干；有帷幕,坑内布井，,留井,混合井,Y-,过滤器设置在两个或多个含水层中，其中至少有一层是减压降水,坑内布井，,留井,降水类型划分一览表,失效模式,条件,主要原因,主要措施,坑底突涌,降深不满足设计要求,单井干扰涌水量不满足设计要求；,帷幕有重大缺陷；,局部井间距过大；,局部承压含水层透镜体未查明；,井的封闭层之上未填土；,备用器材不足。,确保必要的观察孔，定期观察；,强化单井质量验收；,必须实施群井验收工序；,底侧突涌,目的含水层的帷幕段有重大缺陷，基坑内外水头差的作用，,1,、隔水帷幕有缺陷,1,、加强帷幕施工质量控制,2,、加强帷幕施工质量检测,侧壁渗漏,坑底以上土层渗透性大,1,、隔水帷幕有缺陷,1,、加强帷幕施工质量控制,2,、加强帷幕施工质量检测,坑底流土,坑底竖向水力坡度大于临界水力坡度,隔水帷幕长度不足,1,、进行抗渗流稳定性验算,环境损伤,坑外降深较大,帷幕长度较短；,井深偏深；,帷幕漏水,回灌效果不明显,1,、推行围护,-,降水,-,回灌一体化设计,地下水主要失效模式及措施,有效应力损失,基坑开挖,竖向卸荷；,水压力,U,不变的话；,竖向有效应力减少；,球应力减少（或者说围压减少），刚度减少；,墙体水平向变形增加，土体隆起量增加，立柱隆起原因之一,由于竖向有效应力减少，土对立柱桩的摩擦力减少，立柱隆起原因之二。,坑底隆起和围护踢脚位移,案例：,4,号线溧阳路站,1,刘国彬,王洪新,.,上海浅层粉砂地层承压水对基坑的危害及治理,.,岩土工程学报, 2002.11,坑底隆起和围护踢脚位移,降水来减少,立柱隆起,立柱隆起有后果：由于立柱之间、立柱与连续墙之间的不均匀竖向位移！会对支撑形成作用（,1/400, 2CM),降水井的位置？,中间有井降水对基坑应急处置的作用,水土关系紧密！,孔隙水压力是两者联系的桥梁！,把勘察当学问来做！,三部曲积累理性经验,专著：,地下水与基础工程,地下水与基础工程,目录,地下水,水在饱和土中的流动,水在非饱和土中的流动,渗流的有限元解法,土体中的孔隙水压力,对建筑物地基变形的影响,地下水对地基承载力的影响,对边坡稳定性的影响,对围护结构的影响,建筑抗浮验算,思考：渗透力产生变形吗？,孔隙水压力,（,概念与孔隙水压力观测,）,原生水压力,静水压力：,水重力形成的压强,r,w,*h;,分层水头时？降水时分开考虑，基坑围护时算水压力时，潜水承压水水位不同的，但是未分开；,一维稳态渗流时的水压力：发生渗透阻力；不只是受重力，还受到土对水的渗流阻力！,坑内：水向上,(,假定）运动时，渗透力向下，与水重力方向一致；水压力增加；,坑外：水向下（假定）运动时，渗透力向上与水重力方向相反，水压力减少；,边坡上的斜向渗流？：,矢量，,无渗流的砂质土坡的稳定性,K=Wcos(,)tan(,)/Wsin(,),坡面流,K=Wcos(,)tan(,)/Wsin(,)+W/r*sin(,)*,W,地基问题中的理解,初始状态：,OCR=1,时：,K,0,;,无渗流，,等势体。,静水压力,有效自重应力,方程中只需列入超孔隙水压力，,这时超孔隙水压力,=,超静水压力；,也就是说：静水压力不等于,w,*H,其他情形应推敲,静,水压力不等于,w,*H,条件：稳态渗流，浸润线不变！每点的水压力不变,超孔隙水压力,超孔隙水压力（,不叫超静水压力,）,外部荷载引起；荷载,-,土体中总应力,-,孔隙水压力,-,消散,（应力场驱动渗流场,；,机理如下：要有边界条件，在太沙基的一维固结模型中，土样的顶部，孔隙水压力,=0,，排水,边界,-,土样中形成水力坡度，向下扩展，直至,U=0),-,有效应力,抗剪强度,(,不是有效应力强度指标）提高；,饱和土的固结，顶边界上,U=0.,且水位线用于在顶面。,比如：油罐的充水预压地基处理方法。,以水为脱离体；重力（作用）,-,静水压力（内力），荷载（作用）,-,超静水压力（内力）、渗流,土对水的渗透阻力；方向向下！,平衡方程去理解：水压力必然增加，体力向面力的转换！,注意：顶面上的外荷载全部已有土骨架承担了！,对以水为脱离体时，渗透阻力是作用，超孔隙水压力是内力！,有效应力,超孔隙水压力,渗透阻力的合力=超静水压力差！,B,A,1,、荷载,最初,形成超孔压；,2,、由于边界；超孔压有梯度（不是线性,),，水产生渗流；有渗透阻力，向下的,3,、水的微元，平衡,我们对水说他受的外力的话：重力、渗透阻力，静水压力、超孔隙压力是相应的内力！,土骨架微元,b,a,土骨架的微元分析法中：向上的渗透力，改变有效应力；,t0,时，顶部增加了有效应力,p;,前面已证明孔隙水压力差,=,渗透力的合力！,土的整体分析法,式中没有渗透力！,结论,土骨架有效应力减少值，就等于渗透力的合力；,孔隙水压力的增量,=,向下的渗透阻力的合力,渗透力是土水之间相互作用。,对土整体来说，渗透力不出现的！,整体法方便，广泛采用,渗流场的渗流矢量求解复杂！还要对体积积分！,水头差，形成渗流、,渗透力、改变超孔隙水压力对地下水来说，是渗流场的三位一体的物理过程,真空预压时的孔隙水压力,真空预压时，量测得到的是负超孔隙水压力；,塑料排水板中与土体中，产生负压差，导致渗流，从而产生土体固结，使土体成为了超固结土，含水量，孔隙比均减小，在再加荷载时，相当于有一个前期固结压力,-,在大于或小于,PC,时，一个是压缩指数，一个是回弹指数。,OCR,与年代，不必疏干,Henry Darcy (1803-1858),Karl,Terzaghi,(1883-1963),M. King Hubbert (1903-1989),Charles Vernon Theis,(1900-1987),Oscar Edward Meinzer (1876-1948),Charles Edward Jacob,(1914-1970),著名科学家和科学发展,要明白水土，就必须了解他的出身！,讨论：成因论,-,沉积相,一、水土工程地质宏观把握,土的形成,搬运与沉积,残积土,无搬运,运积土,有搬运,风化所形成的土颗粒，受自然力的作用搬运到远近不同的地点所沉积的堆积物,坡积土：,土粒粗细不同，性质不均,洪积土：,有分选性，近粗远细,冲积土：,浑圆度分选性明显，土层交迭,湖泊沼泽沉积土：,含有机物淤泥，土性差,海相沉积物：,颗粒细，表层松软，土性差,冰积土：,土粒粗细变化较大，性质不均匀,风积土：,颗粒均匀，层厚而不具层理,上海勘察规范：,地貌划分：地貌形态、,沉积环境、时代成因、物质组成、,滨海平原（正常、古河道），湖沼、潮坪、砂嘴砂岛、剥蚀残丘,沉积年代：,Q4(1-5),、,Q3,粘性土性质：与年代有很紧密的关系；,渗透性：,Q3,，老粘土（,K,小，,Ss,小，充分的固结和次固结。 不存在疏干问题,力学性质：很好；但是卸荷后，浸水后，软化，指标打折；毛细力问题,;,膨胀是弹性变形，比固结快得多！,一、水土工程地质宏观把握：成因论,-,沉积相,宏观把握，总体上才会比较正确！,宏观把握，有利于概化、建立比较合理的地质模型；,宏观把握，提高对数值模拟结果、监测结果的分析判断力,地质学的观点，岩土工程方法,地质条件和数值模拟陈崇希教授说,以基坑和环境的双安全为目标,防止模拟失真！,从大师们的研究，看发展方向！,稳定流存在吗？只有,t,无穷时有解的情形,地下水分析方法,解析法（,teis,解的条件,-,苛刻！）,室内物理模拟,现场原型试验、监测,数值模拟,在此基础上，,Morgenstern,更是将工程判断的作用贯穿与整个岩土工程的工作方法中。在所有的工作过程中，基于理论基础和工作经验的工程判断（,engineering judgment,）都起着重要的作用。,关于数值法,针对三维非稳定渗流、地层的非均质、各向异性，仅用解析方法求解是困难的。水文地质问题的复杂性，决定了数值方法应用的必要性和重要性。,可靠性很大程度上取决于对水文地质条件的把握、正确理解和合理概化，因此，地质调查、水文地质条件研究、水文地质问题的定性分析，永远处于水文地质数值法研究的主导地位，而先进的数值方法的正确使用将对水文地质问题的研究起到验证和深化的重要作用。,案例,1,：环球金融中心基坑,H0=26M,S=15M,说明：,H-,基坑开挖面标高,G1-,地下承压水水位标高,S6-,东泰路上水管,M6-,东泰路煤气管,D5-,东泰路电缆管,S17-,世纪大道上水管,J1-,世纪大道立交,J15-,银城东路立交,F1-,业主建筑,41,案例,1,：环球金融中心,问题讨论（沉降现象、滞后的机理）,上海的,6,层隔水性：,7,层降水，,6,层以上有无水头降？时间多少？,6,层有释水吗？,土工试验的启发，压力范围，,6,层土的固结试验！,如果,6,层以上在一年内无水头降，则沉降缓慢发展是什么原因？是,7,层水头缓慢下降？还是砂层本身的在水平向的水力坡度下的,渗透力作用,下，剪切压缩，趋稳性,下部还有斜向向上的渗流、渗透力？有增量吗？！ 二元结构土层的管涌造成？、,HELM,理论？,还是水位观察误差造成？,案例,2-,武汉人信汇沉降判断,江汉平原武汉地区概化地质剖面图,越流天窗、天津、竖向水力联系！,粉质粘土、粉土、粉砂互层,粉细砂,中粗砂、砾砂、卵砾石,承压水,1.,二元结构、滤管怎么开？、滤料如何定、出砂？,2.,如,4,层中不开滤管，按需降水的对象是？观察井的滤管设置在哪里？对环境的影响问题；,3.,砂井、打了砂井，就会形成承压水与潜水的沟通,!,4.,上部开滤管，比例多少？（底板重量、立柱桩地墙的抗拔力）,-,注册师如何准备？,（假如,6t/m2-,开挖到底板时，降到,20,米，降水,18,米，,1/3,的井可开滤管,),5,、落地式帷幕！承压水的性质。地墙的质量？南京青奥中心,5.,隔水帷幕,越流天窗,开挖面,回筑阶段！,承压含水层中的,层互层土（夹花层）与其下的,层虽同属承压含水层，但在降水过程中由于这两层土的渗透系数,K,值差别很大，第,层垂直渗透系数远远小于,层，,故在降水过程中,层土中水位降存在滞后并将恒定高于,层中水位。,含于层杂填土、层淤泥和层淤泥质粉质粘土中的粉土、粉砂夹层中。为不连续的、厚度及含水性很不均匀的含水层。,上层滞水,含于,层粉质粘土、粉土、粉砂互层土和,层粉细砂,.,中粗砂、砾砂、卵砾石中。与长江水体有直接的水力联系，因而具承压性，其压力水头受长江水位涨落控制，承压水头年变幅,35,米，最大可达,8,米。,下层承压水,井结构设计特点：,范大师：深基坑指南中，讨论了地质成因问题,湖北省标准：管井降水技术规范,如何在工程实践中准备注册？,地下工程,基坑围护,监测,水土性质,降水,Ground Water Control,Geotechnical Engineering,Civil Engineering,基本观点：工程问题导向；聚焦、循环,岩土工程勘察规范,(GB50021,2001,，,2009,年版,),；,建筑基坑支护技术规程,(JG J120-2012),行业标准,建筑与市政降水工程技术规范,（,JGJ/T111-98,）,建筑桩基技术规范,(JGJ94,2008),国家标准,地基基础设计规范,（,GB50007-2002,）；,建筑基坑监测规范,GB50497-2009,上海地区降水诱发沉降的地层结构控制,实践,正常沉积区（环球金融中心、,4,号线修复，,S=30,，,56,米,),，,6,层土的特性（,Q3,区域连续性,PS OCR,，,Pc, ,d W C,Kv),古河道沉积区：,5-2,5-3-2,，连,7,；,有稳定的,5-3-,（,1,）,(,人民广场地下变电站）,9,层降水，,8-2,7,相连地区，,S,最大；,比单位沉降：,0.07mm/MM,水文地质分区原则（有,6,层，无,6,：有,5-2,，无,5-2,；有,8,、无,8,）,工程降水地层结构分区表,工程降水地层结构分区,土层组合特征,正常地层区域,（层分布区）,层普遍存在；层层顶埋深约,30m,；有层分布,。,1,层厚度薄，局部缺失；层顶板埋深浅，约,20m,。,层层顶埋深约,30m,；、层相连。,古河道区域,（层缺失区）,地层结构复杂；举例说明,2,层缺失,；,3,层夹少量粉砂透镜体；,2,层顶板埋深约,40m,；有层分布。,有,2,层分布,，局部厚度大；,部分区域,2,层与层相连；,2,层顶板埋深约,22m,；,3,层粘性土中也夹有少量砂性土透镜体；有层分布。,2,层缺失；层埋深约,45m,；、层相连。,有,2,层分布，局部厚度大；局部,2,层与层相连；层与层相连；局部承压含水层总厚度达,130m,。,市光路、长寿路、汉中路,大华，,7,号线,陆家嘴,无,5-2,5-3,7,8,9,虹桥磁浮,无,5-2,5-3,7,8,9,有,5-2,5-3,7,8,9,淮海路工地,有,5-2,5-3,7,8,9,无,5-2,5-3,7,9,，,无,8,鼎鼎广场,无,5-2,5-3,7,9,，,无,8,5-3,降水特点,层承压含水层组，厚度大于,30m,青草沙,3,无,5-2,5-3,7,9,，,无,8,田林,龙华地区：上中路,5-2,5-3,7,9,，无,8,5-2,砂质粉土,5-3-2,粉质粘土,5-3-2,含粘性土粉砂,12,号线龙漕路站,5-2,5-3,7,9,案例,3,：昆明恒隆广场,区域上：潜水含水层,-5,5,层中间夹粘性土隔水层,基坑地墙帷幕，隔断,5,上，未隔断,5,下；,基坑范围内,35,米处有粘性土隔水层,局部表现为承压性,疏干降水，渗流场特点；,另布深井,地铁线，,附近如缺失,5,夹层，沉降就会比较大！,二、土的特殊性,-,土的特殊性：,粗糙性（龚院士的话）,不确定性,只求判断正确，不求计算正确（顾宝和,),要计算，不是不计算,数值模拟可以提高判断力！,土力学是很感性的,复合地基、土的塑性力学,案例,4,：国金的不确定性分析,要进行,KV/Kh,不确定性分析（结构上的包络分析）,Kv/Kh=?,、不确定的，,0.10.40.8?),参数是不确定的，工程要,100%,成功的！,裙楼逆筑法，没办法补井的，群井试抽很关键！,随着,Kv/Kh,增加，竖向补给能力大了，同样的抽水量，降深小了；,总的涌水量会增加，问题是井的滤管位置和长度设计，是否有能力提高抽水量！,40M,见,7-2,层，井深度,45,、,48M;,换泵！,流速加大了！渗透力问题、管涌问题；出砂问题，学者在讨论这个问题。,冲孔包网：垫网的寿命，,PVC,垫网。桥式；新问题,管涌与变形,两个学科特点,所有理论都是鼻祖提出的（达西，裘不衣；太沙基,-),很土的力学,感性、,启发,1,：理论发展是缓慢的，经验对解决工程问题是非常重要的！,启发,2,：学科方法,-,中医；,2003,年小案例：上海市指挥所：,5-2,5-3-2,厚,5-3-3,，,7,，帷幕未隔断,5-3-2,，,2500M2,，,H0=13M,程洪涛诊断：扬程小了，加了,8,口井,经验与岩土工程的中医方法,望闻问切，综合判断；,岩土工程勘察：钻探取土、土工试验、原位测试,-,综合评价,对症治病，因地制宜；,沉积相不同，特殊土，,国标规范取消了老版本的经验公式；,地方标准,经验投药，随时调整；,试验与监测、动态设计、信息化施工,中医也有理论：黄帝内经，伤寒论,理论导向，实测定量，经验判断，检测验证。,软土隧道之父,水土是一个复杂体系,L.A.Zadeh,：“当系统的复杂性日益增加时，我们作出系统特点的精确而有意义的描述的能力将相应降低。”,土的本构关系模型的检验：“没有为任何一个模型戴上王冠。”,岩土工程的预测,-,非常不确定的事,薛禹群院士说：用数值模拟的结果指导设计，不进行不确定性分析，是不可思议的！,降水的,两个,物理过程,导水,侧向径流，,K,h,M ,T,-,竖向越流，,Kv,m, Kv/M,B,富水性：短时间试验是错误的,释水,-,水压力下降、地层压缩，水量释出！,S,Ss,Sw, Setmemt,S=,mvi*rwsw*bi(,分层总和法）,=,Ssi*sw*bi,参数：,mv,，,S-,描述两维流、,Kv,stress history,两种计算思路：（土力学、水文地质学的）,导压：,a=Km/s=k/Ss=KEs/rw,固结系数,右是导水，左边是释水,就,饱水土层的应力,-,变形,而言（地下水流的水头水压有效应力,-,介质变形），,理论上说三维,Biot,模型是比较合适的,。但对于,地下水开采,-,地面沉降,问题，通常是,涉及数百至数万平方公里面积大尺度,的,多层非均质含水系统,，且具,大量的各种类型抽注水井等源汇,，要,建立一个实用的,Biot,模型涉及的参数过多而不现实,。,当前比较实用的,且能,基本滿足要求,的是,地下水（准）三维流,-,土层垂向一维固结模型,。对于这类模型，需讨论的,主要有下列几个问题,：,建立准三维流模型还是三维流模型；,地面沉降（土层固结）与地下水流如何耦合；,土层固结后参数如何刻画；,软土层的固结滞后于含水层水头的变化如何刻画,。,建立准三维流模型,还是三维流模型？,Neuman,等,(1969),认为：,当含水层的渗透系数,K,比相邻弱透水层的渗透系数,K,大两个数量级以上时，假定弱透水层中的地下水为垂向流动（即准三维流），其误差不超过,5%,。对于,实际问题,，,含水层与弱透水层的渗透系数之比,往往,超过三个数量级,，另外，准三维流模型对水文地质,资料,的要求、数据,整理,和,模型运行工作量,等诸方面都比三维流模型,简单、省时,得多，基于这两个原因，对于实际问题的模拟,大多采用准三维流模型,。,就我国来说，,1989,年,比利时地质调查所,完成的,长江三角洲,上海地区,第四纪地质、水文地质、工程地质及,地面沉降数学模型,研究,（为中华人民共和国地质矿产部与比利时王国科学规划署之间的国际合作项目），报告中多处表明,：“假设弱透水土层内的渗流方向是在垂直方向上的。”,因此，实质上该模型属,准三维流,。（一些模型，说的是三维流模型，实际上却是准三维的，没有将其严格分开。）此后我国于,1995,年,分别对,上海市,和,上海市浦东区,及,天津市,做了三个地下水开采,-,地面沉降模型，都是,准三维流模型,。其思路基本仿照,1989,年比利时做的我国第一个地下水开采,-,地面沉降模型。,国外九十年代做的几个主要实例模型，例如,R.Bravo(1991),等做的,美国休斯敦模型,，,A.Rivera(1991),等做的,墨西哥城模型,，,G.Gambolati(1991),做的,意大利拉温纳区域,地下水流模型，,K.Daito(1991),做的,日本大鳄平原,的模型等等，都属于,准三维流模型,。,我们注意到，,长江三角洲的沉积物，弱透水层中存在“千层饼状”的薄互层岩性，,实际上自然界中大量存在“米级”至“毫米级”或更小尺度的互层状沉积物，它们在,模型的“层”中表现出各向异性的特征,。那么，这种情况下,准三维流模型的相对误差还是小于,5%,吗？,本研究带着此问题做了数值模拟研究，,发现：,准三维流模型的“,误差小于,5%”,的结论仅适用于弱透水层为各向同性介质,；,对于弱透水层的各向异性比为,10,时，误差已超过,27.7%,，而且,随着弱透水层,单位储水系数的减小,和,模拟时间的延长,，误差还要增大，已存在,超过,30.5%,的情况。基于此研究结果，我们对苏州市采用,三维不稳定流动模型,(,陈崇希等,2001),。,地面沉降（土层固结）与地下水流如何耦合？,(,陈崇希等,2001),据了解,在笔者做苏州的地面沉降模型,(1997-2000),之前,国內外做的模型,上海,;,天津,;Gambolati 1973; Bravo R., J.R.Rogers and T.G.Cleveland, 1991;Gambolati 1991; Daito K., M.Mizuno and K.Ueshita, 1991;,包括国外为我国做的第一个模型,即,1989,年比利时地调所做的,上海地区地面沉降数学模型,，其沉降模型都是,“地下水流动模型加上一维垂直流动固结模型”,。即,先由水流模型解出每一时间步长的水头,/,水压值，再把地下水流动模型“所给出的水压做为边界条件加于包括含水层和弱透水层的一维土柱模型的边界上,”,比利时,1989,简称其,“两步模型,”。并在一维土柱模型中加密其结点数，如此求取地面沉降量。显然，这种方法,不是耦合,。它将两个相关的参数,(,单位储水系数和土的压缩系数,),独立地使用，因此这种“两步法”使得土层固结量比较容易拟合好,(,陈崇希等,2001),。当时,由我国华东区高校的教授等组成的专家评审组,，,并没有对“两步法”提出异议,，且给予此报告以,国际先进水平,的评语。,众所周知，,地下水不稳定流控制方程,式中,单位储水系数,，其中,含有,土的,体积压缩系数,，即水流方程中已包含刻画土固结的参数。具体地说，一旦解得某时阶地下水流的水头分布,就意味着各模拟层單位水平面积土层水的释放量 （ 为模拟层的厚度）已确定。依 的定义， 厚度介质的固结量为 。对于主要固结层,弱透水的粘性土层而言， ，因此,介质的释放水量可视为层的固结量。,如果一定要精确计算，从 厚度饱水介质释放量 中减去水的释放量 也不难。,“,由此可见，,地下水流问题一旦获得解,介质固结问题已完成（包含在单位储水系数中），无需也不应该再用算得的该层上下界面处的水压,/,有效应力作为边界条件通过一维垂直土柱求其沉降量,。反过来说，,如果（由固结引起）介质释放的水量未知，又怎能求出各层结点的水头呢？,因此,两步法是不对的,”,(,陈崇希等,2001),。,基于上述分析,苏州地面沉降模型,的做法,“,是将地下水流动问题与固结问题合成一步进行。,实质上固结问题已经包含在上述地下水流动问题中，”,(,陈崇希等,2001),固结量只是从中提取有关信息而已,。,土层固结过程中参数如何考虑？,(,陈崇希等,2001),参数变化及选取涉及两个问题：其一是土层固结过程中,参数发生变化,；其二是,土体变形与应力历史的关系,。,在土层固结过程中，,土层被压密,，,孔隙率,和孔隙比,减小,，因此会改变土的,渗透系数,K,和,单位储水系数,。如果把,K,和,s,视为常量，则属于线性固结问题；若随着固结过程参数,K,和是变量，则是非线性固结问题。目前大多模型做的是线性固结问题。当然，非线性关系能更实际地刻画固结问题。苏州地面沉降模型考虑,K,、,s,随固结过程而变化，渗透系数的变化采用,Kozeny-Carman,方程：,由此可得：,（,4-17-1,）,式中,n,0,和,n,初始孔隙率和固结过程中的孔隙率,;,K,0,和,K,初始渗透系数和对应,n,的渗透系数。,关于,储水系数的变化,，根据固结实验曲线,e-log,，其斜率定义为压缩指数,Cc,即,（,4-17-2,）,此式,压缩指数,Cc,用于,有效应力 大于前期结固应力,（水头,小于前期最小水头,，即预结固水头）的情况；,若 小于前期固结应力,，则式中的压缩指数,Cc,改为,膨胀（回弹）指数,Cs,。将上式 代入 ，获得 随,e,变化的关系,（,4-17-3,）,我们用（,4-17-1,）和（,4-17-3,）式表示,K,和 随,e,（,n,）的变化关系，以此处理非线性固结问题。,本模型体现了,地下水开采,-,水头下降,-,土层固结,-,土层孔隙率减小,-,渗透系数降低,-,反过来又,影响地下水运动,的实际复杂过程。,图,4-17-1*,表示地面沉降中心第,4,软土层笫,9,分层的,孔隙率、渗透系数,1983,年,1997,年的变化过程,。随着地下水水头的降低,有效应力的增加,土层固结,孔隙率,由,0.477,减小至,0.442,减小了,7.34%,。相应地,渗透系数,从,0.00101,减至,0.00067,减小了,33.7%,。由此可见,非线性弹塑性固结问题是应当考虑的，且缺少实验室土样固结实验的一般条件也可做得到的。,图,沉降中心处,孔隙度,n,和,渗透系数,K,动态曲线,(,陈崇希等,2001),软土层的固结滞后于含水层水头的变化如何刻画？,(,陈崇希等,2001),本研究所建模型将软土层进一步细分，以刻画软土层固结的滞后性。,苏州市,自然土层,已有,11,层,，其中有,3,个软土层,，为了刻画地面沉降的滞后性，本研究将,主要压缩层（第,4,软土层）,细分为,9,层,，将两层,次压缩层,（第,2,、,3,软土层）各自又,细分为,3,层,，模型的总层数达,23,层,。,这样地细分土层，保证了软土层固结滞后性的刻画。,图,表示地下水开采层的水头,/,水压变化在笫,4,弱土层中的垂向传递速度。可以看出,:,地下水开采层的水头波幅向上传递过程会衰减,;,地下水开采层的水头动态于冬季回灌地下水而形成的小波动在向上传递过程中而逐渐消失,;,最上分层的峰值出现时间比最下层,地下水开采层的时间,滞后约,2,个月,。,第,4,软土层,第四硬土层,第承压含水层,交大、南大都是如此技术路径，悬挂式帷幕降水课题的技术路径！,水土,三,个基本特性,土的基本特性,土的工程性质,地下水的工程性质,孔隙性、三相性,渗透性,压缩性,渗透性、导水性、,释水性,储水性 、固结、给水性、延迟性，越流性、,碎散性,抗剪强度：,c,，,小、摩檫性材料，,M,渗透失稳：,流土（流砂、突涌）、管涌、水侧向压力、浮力；,释水性必然带来,：,降水诱发沉降；腐蚀性,天然性,（变异性、不确定性,变异性、各向异性、不确定性、尺度效应,Po Shan Road,Conduit Road,Notewell Road,香港宝城滑坡现场,目前：塔向南倾斜，南北两端沉降差,1.80m,，塔顶离中心线已达,5.27m,，倾斜,5.5,原因：,地基持力层为粉砂，下面为粉土和粘土层，强度低，变形大。,比 萨 斜 塔,1590,年,:,伽利略在此塔做 自由落体实验,九江大堤决口,上海近几年的基坑事故,1998,年,8,月,7,日,13:10,发生管涌险情，,20,分钟后，在堤外迎水面找到,2,处进水口。,又过,20,分钟，防水墙后的土堤突然塌陷出,1,个洞，,5 m,宽的堤顶随即全部塌陷，并很快形成宽约,62m,的溃口。,溃口原因：,堤基管涌,焦点词汇：,豆腐渣工程,渗透变形,-,流土、管涌,-,堤防工程设计,粘性土,k,1,50%,对其中的细颗粒不管，而,K,与细颗粒的含量关系密切！,d10!,d3,K=(100-150 )d102; K=f(Ip),Henry Darcy Law,达西定律,多层介质的等效渗透系数，水平流，竖向流；非完整井的流线弯曲！,H=,Ii*Li;Ii=V/k,i,=V,i,H,由边界条件确定,适用于定水头试验,折射问题,逸出坡降（内聚力有无！）,渗透（沉积、应力、强度、变形）的,各向异性,K,与孔隙直径平方成正比！,渗透力,j=ir,w,渗流速度是矢量！按矢量法则合成！,反滤层的功能：保土，过水，抗离析,stady flow,:Laplace,方程,:,各向同性：,2,H=0;,物理意义,；一阶导，二阶导。无释水，,H,不随时间变化！,流网（流线，势线，,Vx=Kx,H/,x,各向异性中不正交,渗流连续方程（质量守恒）,One dimension flow, One dimension compression,three dimension flow,One dimension compression,1925,年,Terzaghi;rundulic; c.v.Theis:1931,年,七,.,岩土工程的科学方法,归纳和演绎；,抽象和具体；,外推和内插；,分析和综合 ；,概化和细化；,类比与借鉴；,移植与引进。,高等土力学,岩土工程五十讲,分析和综合,西方还原论的精华,分析,实体分析：,有限差分,有限单元法，,条分法，等,成份分析：,颗粒分析，,应力分析,总应力有效应力孔隙压力,注意两点,分析时出现而综合时消失的，如渗透力,综合时存在而分析时消失的，如人体筋络系统，地应力？,虚构的概念,渗透流速，有效应力,分析的关键是如何划分,分析,I,II,土骨架,水,静水压力，重力； 浮力，浮重度，自重有效应力； 荷载，总应力，超静水压力，有效应力,渗透力，体力,-,面力，,桩,井,单桩极限承载力，容许承载力,单井涌水量，单井干扰出水量,单桩，沉降，刚度,降深，单位涌水量？,群桩效应变形增加，,群井效应降深增加,：有泥皮，影响；后注浆,井有泥皮，影响；活塞洗井,由，构成,有本层的侧补，越补；上部，下部；,f,先发挥,滤管所在部位的水平层位先释水，降深比其他地方大,关键是确定持力层；,浅了，,S,大，深了，沉桩难度高。,关键是开好滤管，短了，小，井密，,长了，水量很大，对泵、电要求高,环境影响大,：荷载，需求值，持力层,，验算,S,h0,；坑底以下的含水层层顶滤管长度，；,n,；复核；是边界，反复,布桩：调平；核芯筒下长桩加强；局部平衡，整体平衡；,布井：调平；角井，边井，央井；深坑要大；,原理：力的传递、分配、平衡、抗力,均衡：排水释水，,有效的释水范围控制,，！释水沉降！,原位测试,+,原型观测,+,理性经验（数据库）,地下水咨询的路怎么走好？,咨询的含义,按照目前的规范，设计；,没有规范或规范未明确；,桩基沉降,华东院：超高层,要有经验的积累，数据！,要提升到理性经验！,要有库,上勘院顾总给桩基咨询下过一个定义：是全过程控制。因为施工单位也偷工减料，两节桩打一节的，,结 语,1、,理论（土力学、地下水动力学）是龙头；,2、现场（水文地质）试验、监测，是基础、营养；,3、应用是动力；,4、计算（地下水动力学）是经脉,敬请批评指正！,