文摘

antifloating地下结构设计是非常重要的在高地下水位地区,和浮力的合理评价是基于准确描述地下水位的分布。然而,天然地下水流量将被结构,不考虑antifloating设计。摘要,地下结构的宽度的影响,地下水位在均匀土壤研究首先通过室内物理模型试验,数值模拟作为基准。然后,参量的研究是进行数值模拟。结果表明,结构的宽度对周围的水位影响最大的结构,其次是插入深度的影响,而长度几乎没有影响。水力梯度有明显的影响。此外,渗透系数比值不同土壤层次也会影响水位级。根据结果,地下水位的预测方法在均匀土壤的结构和多层土壤已经开发和评估。

1。介绍

随着社会经济的发展,越来越多的地下基础设施正在建设(1- - - - - -3]。已经建了许多的结构区域岩土条件差,如地下主要组成的软沉积物具有高地下水位和一个大厚度含水层(4- - - - - -6]。他们通常暴露于高浮力部队,这可能提升地下结构。因此,合理的antifloating地下结构的设计是最重要的一个项目在这些领域(7- - - - - -9]。

目前,最常用的方法计算浮力作用于结构是基于经典的阿基米德原理,进一步减少通常是在考虑土壤属性(9,10]。因此,一个合理的预测地下水位的前提是准确的浮力计算。然而,地下水一般动态流动;在稳态流之前,地下结构的施工。当一个不透水地下结构相交含水层,自然地下水流模式将被修改,因为地下结构减少了含水层部分完全或部分,形成一个“障碍”水流,并阻碍水流的速度和方向(11- - - - - -13]。这种效应可以分为两种类型:施工期间产生的影响,施工后产生。许多研究已进行了调查在施工期间产生的影响(14- - - - - -17),然而,这一效应通常是本地和不稳定,此外,它还对浮力的结构几乎没有影响。考虑到长期影响,在稳态扰动,达到另一个稳态扰动后,地下结构构造(18]。这将导致一个增量的水位在一侧的结构(上游侧)和衰减另一边(下游一侧)19,水压力差作用于双方的结构产生20.),这将导致浮力的变化。然而,这不是考虑的影响在antifloating设计的工程实践。

屏障效应产生的水头变化可以用数学表达之间的差异未扰动水力梯度和水力梯度一旦地下结构构造(20.]。这种变化的大小正比于地下水的自然梯度垂直于建设(21,22),它将是巨大的在该地区的地方水力梯度相对较大,特别是在沿海地区的一些城市,例如,一个近似15%的地区水力梯度报道香港康在中国(23],马里诺和Kavvadas [24)得出的结论是,一系列的水力梯度从10至15%,当隧道位于地下水以下的表面,生成的头上升覆盖区域定义为35 - 55%隧道的高度。此外,屏障效应也与几何结构(即有关。、插入深度和宽度)[25- - - - - -28(即,含水层土壤特征。,一个quifer permeability coefficient and aquifer thickness) [29日,30.]。然而,在大多数的研究中,问题是简化为一个二维问题[31日,32),或在3 d数值模拟,但结构扩展到边界沿方向垂直于流动方向(27),这可以称为quasi-2D,导致过高的屏障作用所产生的局部防渗结构(33),最重要的是,魔草的平均或最大水位变化的大小通常是提供考虑不同结构几何(14,20.,34,35]。然而,很少有文献的非均匀分布在结构、地下水位和简化计算方法可以成立于均匀和多层土壤的先前的研究。

因此,在本文中,渗流模型试验与不同的地下结构几何图形进行研究渗流的非均匀分布的影响水位和地下结构的孔隙水压力。通过三维有限元模型的计算,渗流场的分布研究了一系列不同的工作条件下,修改公式,建立了结构周围的水位。此外,结果扩展到多层土壤,提出多层土壤的简化计算方法。

2。模型试验

2.1。测试设备

图1显示了模型试验系统的示意图,其中包括一个测试箱,地下结构、供水系统和监控系统。测试坦克是由钢架和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA), 1.5米长,1.0米宽,1.5米高,储罐的壁厚是20毫米。有些铁角焊接的外框,防止过度变形;坦克设计用于满足水密性要求。循环水电路和采用溢流供水设备供水系统,以确保供水水箱中的水位保持稳定。、直径25毫米的排水管道,阀门两侧排列的坦克;布局如图1。防止水流动沿井壁的盒子,排水管道应该渗透槽所需。需要一些空间来做操作,安装管道到坦克和管道,因此,管道穿透100毫米坦克。因此,渗流边界开始和结束的出口管道,也就是说,从0.1米到1.4米。和土工布覆盖管道防止砂颗粒被水冲走的孔管道。


图1
实验室测试系统的示意图(单位:毫米)。
2.2。地下结构模型和土壤属性

三个长方体地下结构模型是用PMMA;模型的尺寸为200毫米×200毫米×450毫米,200毫米×300毫米×450毫米,200毫米×400毫米×450毫米(长度(l)×宽(b)×高度(d)),每个模型用于一组不同的测试来研究地下结构宽度渗流特性的影响。

细沙与粒径小于0.5毫米用于测试;沙子已筛框后干燥和分层模型。样本的物理参数测量模型盒子。沙滩上的基本物理参数如表所示1。

表1
砂的参数在实验室测试。
2.3。监测设备的布局

图2显示水头监测管道的布局,是薄壁PVC管直径20毫米,和用于监测地下水位在不同埋藏深度,所有的管道开口底部的监控管覆盖土工织物,以防止砂颗粒流入管。总共有30个地下水头监控:他们被排成三行(A、B和C),每一行之间的间距为200毫米,同一行中的每个测点之间的间距大约是100毫米。管排的埋藏深度,B和C是0.55米,0.45米,0.4米,分别。

(一)
(一)
(b)
(b)
图2
水位监测管的布局(单位:毫米)。(一)计划视图。(b)垂直的视图。

孔隙水压力传感器,被安排在一个与压强计管的位置一一对应,用于测量孔隙水压力在相应的位置。测量数据收集DATATAKER数据采集仪器。

2.4。测试程序

测试程序如下:

2.4.1。填土和系统安装

干沙涌上盒使用砂斗,和沙质土壤的压实层进行一层一层的厚度10厘米厚的36]。当土壤都充满着高度的底部结构和水位监测管应该安装、结构模型和水位监测管准确定位和安装,及其位置应保持,直到填充到达预定的高度。,位于底部的结构的深度0.45米,底部的水位监控管行,B和C的深度0.55米,0.45米,0.4米,分别如图2。

2.4.2。浸泡和饱和度

土壤压实后,逐渐涌上水箱通过上游供水管道,直到水位到达沙滩上的上表面;小心注意,这样沙子并不是打扰。然后水位保持在相同的水平上表面的沙子24 h。

2.4.3。渗透测试

在渗透测试,维护主管水上游边界和1.28米和1.14米的下游边界。供水和排水管道保持打开状态,直到渗流稳定。孔隙水压力监测使用孔隙水压力传感器。

四组测试与不同结构的宽度进行了通过这个过程。

2.5。测试结果

图3显示了孔隙水压力的分布沿渗流方向不同的结构在三个不同的深度宽度,其中美联社表示根据阿基米德原理计算结果。可以看出,所有的孔隙水压力大小考虑地下水渗流普遍比,计算了阿基米德原理,这表明它是难以保证结构的安全,如果通过只有阿基米德浮力计算原则。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图3
纵向分布的孔隙水压力对不同结构宽度。(一)行a (b)行b . (c)行c。

与孔隙水压力分布在没有结构的情况下,当一个地下结构存在,一个阻塞影响附近的地下水渗流表达结构和初始渗流场扰动,导致孔隙水压力分布的变化:增加上游侧的结构和减少下游一侧。的宽度b结构的增加,递增/递减的速率逐渐增加;此外,接近结构,更大的递增/递减。比较在不同深度的孔隙水压力值的三行,它可以注意到,由于压强计管行位于边缘的基金会和埋深超过底部的基础,至少这个地下结构的存在对孔隙水压力的影响在行;三行,这个地下结构对孔隙水压力的影响最大的行B由于压强计管行位于中心线的结构部分和埋藏深度高于基础底部。因此,可以得出结论,地下结构对渗流的影响仅限于上面的土壤的底部基础,影响土壤中少下面的底部结构。

图4显示了孔隙水压力增量的分布(一个增量的没有地下结构)在不同的位置在地下结构的两面。随着结构的宽度增加,所有的孔隙水压力逐渐增加。在B点(中心线的一侧的结构)是最大的,其次是在C点(结构)的侧边,这是最小的点(下图)底部。孔隙水压力在结构方面表现出一个“凸”分布在不同宽度条件:最高压力发生在中间和两侧出现的最低压力。此外,在上游和下游的变化趋势是对称的。

(一)
(一)
(b)
(b)
图4
在孔隙水压力增量变化的两面结构。(一)孔隙水压力增量的变化与结构的宽度。(b)的孔隙压力分布的结构。

3所示。数值模拟模型的测试

3.1。有限元模型

建立三维有限元模型来模拟物理模型试验。图5显示3 d模型的有限元网格,1.5米长,1.0米宽,1.5米的深度。有限元模拟中,土壤是建模使用eight-node六面体孔隙压力元件(C3D8P)和参数值相同的物理模型试验,如表所示1。地下结构建模通过设置不透水边界之间的界面结构和土壤;尺寸是相同的物理模型中使用的测试。边界水位与物理模型试验是一致的(即。上游边界和1.28米,1.14米的下游边界)。应用于边界一个对应的孔隙水压力与静水压力分布是一致的上游和下游边界。


图5
有限元网格的示意图。
3.2。对比有限元方法和物理模型试验的结果

图6显示了孔隙水压力的有限元分析结果和物理模型试验。孔隙水压力值在不同的位置的物理模型试验与相应的有限元结果有很好的一致性,这表明数值模拟模型是正确的,可以准确地用于进一步的讨论和分析。

(一)
(一)
(b)
(b)
图6
比较的孔隙水压力的有限元方法和物理模型试验结果。(一)b= 0.2 m。(b)b= 0.4 m。

4所示。参数研究

地下水位的分布是一个函数的导水率、渗流面积,水力梯度和渗流时间。地下结构是一个障碍补给区,和部分穿透了含水层是障碍区。当结构的面积增加,渗流面积减少,地下水流速和水位将会改变在空间和时间域(25]。本文关注的情况下,渗流是稳定的。因此,结构维度(渗流区)、水力梯度和渗透系数比k1/k2两层土壤中不同层之间的选择进行研究。

4.1。边界效应

地下水渗流数值模拟时,一些不透水边界应设置,这将影响渗流场的结果;这被称为边界效应。然而,在实际工程中,不透水边界是罕见的,或者这些边界的地下结构,因此可以忽略。因此,边界效应之前必须确定参数研究,合理的相对尺寸模型可以确定。

以下4.4.1。有限元模型

渗流模型的示意图如图7。土壤是均匀的,而土壤参数值表中所示的相同1。结构宽度b= 40米,长度是多少l= 10 m,插入深度d= 30米。模型的变形限制在整个渗流过程,以确保地下结构的尺寸保持不变和水力梯度保持在2%。然后,边界效应研究通过改变宽度、长度和高度的整个网格。


图7
渗流模型的示意图。
4.1.2。结果

图8显示了一个示意图的地下水位分布,线的地方一个- - - - - -d代表原始水位(没有地下结构),行一个- - - - - -e和f- - - - - -d代表实际水位,行一个- - - - - -b和c- - - - - -d是计算基线,选择相应的上游和下游边界水位的高度(H1,H2)。由于孔隙水压力大约是沿着垂直方向线性分布,可以使用拉格朗日线性插值方法计算水位高度如下: 在哪里 和 地下水位和相应的孔隙水压力, 。H1和H2选择基线的高度,P1x和P2x是孔隙水压力与基线的有限元计算。


图8
地下水位分布的示意图。

更好地说明了渗流场分布变化在以下讨论,这是最好的无量纲形式所示使用的最大水位增量比率(MWLIR)η,定义如下: 在哪里hb最大水位在地下结构时,结构的宽度是什么b,h0是原来的水位,那么(hb−h0)是最高水位增量(MWLI)。我水力梯度,l结构长度呢伊尔长度内水位下降吗l当没有结构,如图8。

由于分布在双方相互对称的结构,只有选择上游侧进行分析(x=−l/ 2)。在接下来的讨论中,x=−l/ 2代表了上游侧x=l/ 2代表了下游一侧。图9显示了变化在MWLIR模型尺寸比例变化。显然,MWLIR只是稍微维度比当宽度比的影响地下结构模型(b/B)小于0.4,长度比(l/l)小于0.1,深度比(d/D)小于0.6。然后它可以得出结论,渗流场分布不受边界效应的影响,当上述空间的需求得到满足。因此,使用这个方案为基础的相对尺寸确定后续有限元法。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图9
MWLIR与模型相对尺寸的变化。(一)宽度比的影响b/B。(b)长度比的影响l/l。(c)高比率的影响d/D。
4.2。地下结构维度的影响

整个网格尺寸设置为200×200×100(长×宽×高);考虑边界效应的影响,研究了地下结构的宽度都是0米,十米,二十米,和40米;长度是0米、10米,20米,和40米;和插入深度0 m, 15米、30米,60米。土壤是均匀的,而土壤参数表中所示的相同1;水力梯度是2%。

图10显示了MWLI变化(hb−h0)的结构的结构尺寸变化。结构尺寸(长度、宽度、或插入深度)的增加,水位逐渐增加,但影响程度是不同的。其中,宽度变化对地下水位的影响。虽然有轻微的对地下水位的影响,结构长度短,当大于30米,长度的影响可以忽略。类似地,插入深度效应是有限的条件与结构比30米深度浅。当深度比30米深,没有插入深度的效果。根据试验结果提出了在这一节中,三维空间的结构宽度最大的效果,其次是插入深度和长度对MWLI最小的影响。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图10
MWLIR变化与结构维度结构的宽度(a)的影响b。(b)的结构长度的影响l。(c)影响结构的插入深度d。
4.3。水力梯度的影响

在接下来的工作,水力梯度设置为1%,2%,4%。以来对MWLI长度结构几乎没有影响,结构长度设置为10米,不变在下面讨论。插入深度为30米,结构宽度设置为10米,20米,40米。土壤参数表中所示的相同1。

图11显示了MWLI在结构方面的变化,当水力梯度的变化。MWLI增加与水力梯度结构在不同宽度的增加,这是符合声明(22),增加的速度与宽度;结构宽度越大,MWLI增加越快。此外,双方的水位变化的结构是对称的。虽然MWLI受到水力梯度的影响,MWLIR是恒定在一定宽度和与水力梯度的变化不会改变,因为最大水位增量之间的线性关系(hb−h0)和减少价值伊尔在一定宽度。


图11
MWLI与水力梯度的变化。
4.4。渗透系数比k1/k2

图12显示了一个两层土壤系统。两层之间的水力传导率的比率(k1/k2)设置为10−4,10−3,10−2,0.5,0.1,1(工作条件GK1 GK6),和较低的层的渗透系数k2设置为1×10−3m / s。结构宽度设置为10米,二十米,和40米,长度是10米;考虑不同深度土壤结构的插入到低,结构的插入深度设置为30米,40米、50米,60米。部分计算结果如表所示2。


图12
两层土壤的示意图。
表2
水位比较增量比率由水力传导率比变化引起的。

结果表明,土壤导水率之间的差异不同土壤层次有一定影响的地下水位变化相同的地下结构。具体来说,上层土壤的导水率越大,水位增加越大。这种现象可以归因于:结构尺寸保持不变时,不同的渗流长度也是类似的状况,然后从达西定律(37),一个土层的水头损失是土壤的导水率成反比,也就是说,渗透系数越大,土壤中的水头损失越少,那么在结构端水位相对更高。

5。简化的地下水位计算方法

5.1。均质土壤

从分析执行,水位分布在结构方面有一个凸形状。定义水位差比(WLDR)ξ如下: 在哪里hy的水位高度和横向坐标位置吗y,例如,hy=One hundred.横向协调时的水位高度吗y是100。结构的距离远时,水位变化仅略受结构影响,几乎等于和水位,当没有结构h0。hy=0水位在中心线的一侧的结构和最大水位在整个部分吗hb。然后,两者的区别(hy=0−hy=One hundred.)是最高水位增量的结构与没有结构的条件相比,等于(hb−h0)以上。

图13显示的横向分布曲线WLDR在均匀土壤的结构。这个结果近似服从正态分布,与结构的宽度有一定的关系,而深度分布几乎没有影响。进行曲线拟合,和实证估计WLDR在上游端是通过下列公式,由于双方的对称结构,在下游端对应的结果可以通过添加一个负号的右边下面的公式,和后来的公式只对上游,下游的结果可以得到相同的程序。

(一)
(一)
(b)
(b)
图13
横向分布WLDR在均匀土壤的结构。(一)b= 20米,l= 10米。(b)d= 30米,l= 10米。

MWLI (hb−h0)是需要计算水位的分布。然而,它的宽度和插入深度有关结构的分析。

图14显示了MWLIR变异,η,有效的高宽比 的结构。采用这种方法的结果,因为它是更普遍,使简单的免税额几何差异的影响。它可以注意到MWLIR随的增加有效的高宽比,和上游和下游变化趋势相互对称。因为他均匀土壤,MWLIR可以通过以下公式渗流时稳定。 在哪里 的有效深度结构,定义为最大深度低于地下水位没有地下结构,如图8。这个结果是因为地下水位变化根据现场条件;因此,它是更合理的表达通过有效深度的深度。


图14
MWLIR的变异与有效的结构的高宽比。

因此,MWLI可以由下面的规范化形式:

然后,用公式(6)到公式(4),水位hy在任何位置沿结构面均匀土壤可以获得。

5.2。两层土壤

图15显示的横向分布曲线WLDR在两层土壤的结构对不同渗透系数比。结果表明,渗透系数比值的变化并不影响WLDR的横向分布。即WLDR两层土壤可以由公式计算(4)均质土壤。


图15
WLDR的横向分布在两层土壤的结构(b= 40米,l= 10米,d= 30米)。

虽然渗透系数比值的变化并不影响WLDR的横向分布,在4.4节的分析,两层的MWLIR土壤渗透系数比值有关,这是需要获得水位高度hy。图16显示了变化MWLIR有效的高宽比的结构在不同渗透系数比。可以看出,渗透系数比MWLIR有一定的影响。MWLIR减少和增加有效的高宽比和不同渗透系数比值的变化趋势是相似的。然后,曲线拟合可以得到MWLIR执行,可以表示如下: 在哪里h汉堡王的最大水位高度的地下结构在不同渗透系数比在两层土壤,然后呢一个和B拟合参数相关的土壤导水率。


图16
MWLIR的变异与有效的在一个两层的土壤结构的高宽比(d= 30米,x=−l/ 2)。

将上述结果扩展到任意两层土壤,土壤层提出了一个简化的方法。任意两层土壤,如图12,可以简化为两层有限结构的底部通过等效渗透系数的方法,如图17。上部土层的等效渗透系数可以由以下公式计算,而下层土层的渗透系数k2。


图17
两层土壤的简化示意图。

简化的两层土壤用于数值模拟检查土层简化方法的正确性。表3显示了MWLI值的比较得到实际土层之间的模拟和简化土层;结果非常相似,所以被认为是有效的方法。

表3
比较MWLIs通过模拟考虑实际土层和简化土层。

系数的变化规律一个和B在公式(7)等效渗透系数比 如图18。MWLIR可以得到以下公式:

(一)
(一)
(b)
(b)
图18
的变异系数对不同等效渗透系数比。(一)系数一个。(b)系数B。

因此,MWLI在双层土壤结构方面可以由以下形式:

类似地,用公式(10)(4),水位在两层土壤沿结构面在任何位置 可以获得。

自土壤层次领域通常由几层,而不是简单的两层以上,因此,进一步的土壤等效需要应进行。对于任意多层土壤,如图19,也可以简化为一个两层的底界的土壤模型结构。相应的等效渗透系数可以计算如下(37]: 在哪里 和 渗透系数和厚度吗我th层以上结构底板, 和 是那些在jth层以下结构底板。然后,用这两个表达式为公式(10),k2在公式(10)= ,然后可以获得最大水位增量。

(一)
(一)
(b)
(b)
图19
多层土壤简化原理图。(一)多层土壤图。(b)简化两层土壤。

6。验证的简化方法

图20.显示了一个三层土壤系统,顶部层厚度(D1)30 m和导水率(k1) 米/秒,而在过渡层30米 (D2,k2),和那些在底层40 m和 (D3,k3)。结构长度是10米,它穿透了中间层,插入深度是40米。然后,等效渗透系数 和 是 和 ,分别,渗透系数比是0.72。表4显示了MWLI的比较结果数值模拟和简化计算方法。简化方法的结果是更大的,但错误是相对较小的,被认为是有效的简化计算方法。


图20
三层土壤分布和等效图。
表4
比较MWLI method6t通过模拟和简化计算。

7所示。讨论

这项研究的结果表明,地下水位变化的大小取决于整个地下结构的位置点,最大的头上升(或下降)常发生接近屏障,减少随着距离增加,这与之前的研究一致(20.]。不同计算方法的最大头上升只是提供,本研究强调,非均匀分布(“凸”分布)同时展览结构部分,这可以解释为绕过效应的维度结构垂直渗流方向工程实践总是有限的。它进一步解释高估基于2 d的影响或quasi-2D问题。此外,虽然研究参数影响最大的头大幅上升,几乎没有差异不同的参数分布形式的结构部分。这是非常有用的预测地下水位具有不同的影响因素。提出的经验公式做出进一步的贡献的计算结构和周围的地下水位的预测提供了依据地下水位进行更合理的antifloating地下结构的设计。然而,土层中采用简化方法的研究仅限于头部区别上游边界和下游边界,在工程实践中,这取决于地区水力梯度,梯度越大,通过使用这种简化方法将发生更大的错误。扩展的工作可能包括在考虑一个更合适的等效方法简化了多层土壤;此外,含水层厚度并不认为,这将影响水位变化的机制,例如,如果一个地下结构完全降低了含水层部分沿垂直方向完全。

8。结论

通过物理模型试验和数值分析,地下水渗流的分布在地下结构在不同的影响因素进行了研究。在此基础上,地下结构附近的静压头纠正。结论如下:(1)地下结构有一个对地下水渗流屏障的影响:上游侧水位上升,减少下游一侧。随着地下结构的宽度增加,水位上涨,但仅限于上述土壤影响底部的基础,土壤中不存在低于基础。孔隙水压力展览约“凸”分布的结构。(2)在均匀土壤结构的宽度对渗流场的影响最大,其次是插入深度、长度的影响最小。水力梯度显著影响水位增加,但不影响MWLIR。在多层土壤渗透系数比值不同土壤层次影响地下水位的分布。(3)根据数值模拟结果,简化公式计算水位分布在不同工作条件下的地下结构。进一步扩展了应用多层土壤的公式通过等效渗透系数的方法,并验证了简化方法的有效性通过一些例子。

数据可用性

所有的数据都包含在通讯作者的手稿。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者要感谢陕西省重点实验室的支持特殊的土壤和岩石的性质和治疗(KF2020-06),陕西省重点研发项目(2020 zdlsf06-03), CMEC 2017科技研发基金项目(cmeckjyf - 2017 - 05),和上海自然科学基金(22 zr1464600)。