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基于基坑止水缺陷的漏水漏砂数值模拟与试验研究
| 论文题名： | 基于基坑止水缺陷的漏水漏砂数值模拟与试验研究 |
| 关键词： | 地铁基坑;漏水漏砂现象;颗粒级配;缺陷宽度;缺陷深度 |
| 摘要： | 近年来，我国城镇化率快速提升，地铁总里程十年翻了4倍，已超4600公里。然而地铁基坑在施工过程中漏水漏砂事故频发，带来了巨大的经济损失，也对人民群众生命安全产生了威胁。在富水砂层地质条件下，基坑支护往往因存在止水缺陷导致水土大量流失，进而引发地表沉降。目前因止水缺陷导致基坑漏水漏砂的灾害过程及机理等方面的研究还有待于深入。本文取江西省南昌市赣江边某地铁基坑砂土作为研究对象，开展以下方面的研究： （1）通过室内常规三轴试验获得不同级配土样在不同围压下的应力应变曲线，并采用PFC3D软件建立常规三轴数值模拟，通过与室内试验所得应力应变曲线相对比，对土样细观参数进行了标定。 （2）应用PFC-CFD的三维流固耦合原理和离心机原理，基于常规三轴试验标定的细观参数，建立了地铁基坑漏水漏砂数值模型，研究基坑漏水漏砂形变过程。 （3）基于建立的漏水漏砂PFC3D数值模型，通过平均配位数、平均孔隙率、漏砂量和流体网格压力等参数揭示了颗粒级配、缺陷宽度和缺陷深度对漏水漏砂过程的影响。结果表明，含细颗粒较多的砂土土样更易受到水流侵蚀，受侵蚀土体范围也越大；止水缺陷宽度越大，漏水漏砂发展速度越快，颗粒流失速率越大；同时，三种级配临界漏水漏砂（出现土拱效应）宽度分别为10.3mm、6.7mm、4.2mm；缺陷深度越深，砂土颗粒受侵蚀范围越大。 （4）设计并制作了可视化室内试验模型装置，开展了颗粒级配、缺陷宽度和缺陷深度对漏水漏砂过程试验研究，研究表明基坑漏水漏砂试验过程中几何形态的变化可分为三个阶段，分别为砂土沉降阶段、砂土塌陷阶段和崩塌阶段。通过漏砂量、地表沉降量和夹角等宏观数据分析三种不同因素的影响。结果表明，颗粒级配影响着漏水漏砂的发展，级配C型172秒＜级配A型222秒＜级配B型320秒；缺陷宽度影响土体受侵蚀范围与漏砂量速率，10mm、15mm与20mm缺陷宽度漏砂质量分别为：17.02kg＜19.33kg＜23.87kg，漏水漏砂时间分别为320秒＞161秒＞53秒；缺陷深度的增大，扩大了受漏水漏砂破坏土体的范围；同时解释了形成稳定土拱的机理。 （5）通过与室内模型试验中几何形态、数据结果的对比，验证了PFC-CFD模拟基坑漏水漏砂的可靠性，揭示基坑漏水漏砂灾害机理，指出灾害的启动是由于土体平衡应力场的破坏而产生的，水土的流失导致孔隙率与渗透系数的增加，进而又加剧了漏水漏砂现象。 |
| 作者： | 何星辰 |
| 专业： | 建筑与土木工程 |
| 导师： | 刘伟平;谭光伟 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 南昌大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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