基于ADNIA的基坑滲流有限元分析

張冬冬，孫瑞瑞，袁新明，王　剛

(1.上海交通大學(xué) 船建學(xué)院安全與防災(zāi)工程研究所， 上海 200240；2.上海市地礦工程勘察院， 上海 200072； 3.揚(yáng)州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇 揚(yáng)州 225009；4.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利土木工程學(xué)院， 山東 泰安 271000)

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基于ADNIA的基坑滲流有限元分析

張冬冬1，孫瑞瑞2，袁新明3，王剛4

(1.上海交通大學(xué) 船建學(xué)院安全與防災(zāi)工程研究所， 上海 200240；2.上海市地礦工程勘察院， 上海 200072； 3.揚(yáng)州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇 揚(yáng)州 225009；4.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利土木工程學(xué)院， 山東 泰安 271000)

基坑工程許多事故是地下水引起的，船塢基坑中常采用防滲設(shè)施來減小地下水的危害，而對(duì)滲流規(guī)律的分析研究尚未明確。為了進(jìn)一步研究基坑防滲設(shè)施對(duì)滲流場(chǎng)的影響，應(yīng)用溫度場(chǎng)數(shù)學(xué)模型來模擬滲流計(jì)算，通過ADINA-T進(jìn)行滲流模擬，得到不同工況下船塢基坑典型斷面的滲透水頭及坡降的分布變化規(guī)律，防滲設(shè)施對(duì)滲透水頭和壓力均有明顯的下降作用，形成了較大的滲徑長度，有效的縮小了滲透坡降，分析研究結(jié)果有利于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)基坑在防滲設(shè)施下的滲流規(guī)律，為基坑滲流和防滲設(shè)施的研究提供理論依據(jù)。

三維水動(dòng)力；船塢基坑；滲透水頭；防滲設(shè)置；滲流控制

臨江船塢基坑處于水位高處，常采用基坑減壓降水措施降低地下水位，在基坑降水過程中底板與周圍形成較大的水位差，存在一定的水力坡降，基坑安全存在隱患。采用減壓防滲設(shè)施可以減小船塢底板的滲透水頭確?；影踩玔1-5]。

實(shí)際工程中由于模型邊界條件實(shí)現(xiàn)方式復(fù)雜，采用通常的水力及滲流學(xué)解法難以準(zhǔn)確模擬實(shí)際流場(chǎng)情況[6]。隨著計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)發(fā)展，利用數(shù)值模擬手段采用有限元法計(jì)算防滲設(shè)置對(duì)地下水阻擋產(chǎn)生的滲流場(chǎng)影響[7-12]。本文以基坑防滲設(shè)施對(duì)滲流場(chǎng)影響為核心，對(duì)滲流場(chǎng)模型進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)溫度場(chǎng)與滲流場(chǎng)相應(yīng)量類似，采用ADINA軟件模擬斷面的滲透場(chǎng)基本情況。

1　數(shù)學(xué)模型

1.1基本思路

將滲流區(qū)域剖分成有限元的組合體，在滲流微分方程中采取數(shù)學(xué)方法建立單元支配方程，采用多項(xiàng)式插值表示水頭函數(shù)，描述滲流區(qū)域內(nèi)的水頭曲線。

1.2滲流計(jì)算在ADINA中的實(shí)現(xiàn)

ADINA采取的溫度場(chǎng)控制方程為：

(1)

式中：θ為溫度；kx，ky，kz為導(dǎo)熱系數(shù)；qB為域內(nèi)熱單位體積生成率。模型邊界滿足：

(2)

(3)

式中：S1，S2為溫度和熱源密度；qS為熱源密度邊界條件。

式(1)中對(duì)和導(dǎo)熱系數(shù)分別以水頭h和滲透系數(shù)代替，令qB=0，則式變換為：

(4)

即為滲流基本微分方程。

根據(jù)溫度場(chǎng)與滲流場(chǎng)相似原理，位函數(shù)將溫度場(chǎng)換為滲流水頭，導(dǎo)熱系數(shù)替換為滲透系數(shù)，比熱換成單位儲(chǔ)存量，外滲強(qiáng)度以熱產(chǎn)生率表征，采用ADINA-T模塊邊界條件設(shè)置并進(jìn)行滲流計(jì)算。

1.3算例

采用以低滲透性地基的均質(zhì)壩體為例計(jì)算穩(wěn)定滲流自由等水頭面，設(shè)置壩體參數(shù)為壩體上部和下部水頭分別為6.0 m、1.0 m來計(jì)算穩(wěn)定滲流自由面位置。

圖1為低滲透地基均質(zhì)壩體穩(wěn)定滲流自由面。實(shí)線為ADINA-T模塊計(jì)算出的溫度場(chǎng)結(jié)果，虛線為甘油模型的實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果，最大誤差僅為7.0%，可以看出兩者結(jié)果誤差較小，滿足計(jì)算精度要求。

2　有限元模型

2.1工程概況

船塢基坑工程[13]包括塢首、室及連接段等結(jié)構(gòu)組成，平面尺寸為10 200 mm×46 000 mm，地下連續(xù)墻采用450 mm厚鋼筋混凝土。底板采用鋼筋混凝土梁板，在最底部鋪設(shè)土工布，兩側(cè)設(shè)置為500 mm×800 mm的排水溝。

塢首采用三塊分離式塊基結(jié)構(gòu)，塢門采用寬為15 m的整體浮箱式鋼塢門。船塢設(shè)置第一道為塢首450 mm和塢外220 mm厚地下連續(xù)墻，第二道由塢首450 mm厚地下連續(xù)墻和塢室板樁墻。圖2為船塢基坑底部平面圖，圖3為船塢基坑縱剖面圖。

圖1　低滲透地基均質(zhì)壩體穩(wěn)定滲流自由面

圖2　基坑平面圖

圖3基坑縱剖面圖

2.2有限元模型

(1) 計(jì)算區(qū)域的確定[8,14-16]。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)及有限元分析，計(jì)算模型范圍取基坑寬度的2～4倍，長度的1～3倍。本基坑寬度為102 m，長度為460 m，計(jì)算模型寬度為459.04 m，長度為840.27 m。

(2) 單元剖分的劃分。由于模擬計(jì)算區(qū)域較大，采用六面體單元結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合的方法，結(jié)合基坑和計(jì)算域的對(duì)稱性，整個(gè)區(qū)域網(wǎng)格單元數(shù)劃分為64 028個(gè)。劃分網(wǎng)格時(shí)，針對(duì)重點(diǎn)部位進(jìn)行適當(dāng)加密處理，一般部位可以適當(dāng)放寬的原則進(jìn)行，對(duì)防滲墻作為不透水單元處理。圖4為整個(gè)計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分。

圖4基坑數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格劃分

(3) 計(jì)算參數(shù)的選取。表1為基坑的材料計(jì)算參數(shù)。材料參數(shù)根據(jù)計(jì)算區(qū)域內(nèi)基坑土體和材料的物理力學(xué)性質(zhì)劃分計(jì)算單元，混凝土面層采用3-D soild線彈性實(shí)體單元。

表1　基坑的材料參數(shù)[13]

(4) 邊界條件處理與求解工況。模型中的邊界類型為給定水頭邊界，計(jì)算模型左后兩側(cè)分別給定3.50 m的地下水位，在迎水面及右側(cè)分別給定5.20 m的水頭。根據(jù)基坑設(shè)計(jì)的上游作用水頭及基坑右側(cè)水位，將計(jì)算分為兩種工況。

表2　計(jì)算工況表

3　分析討論

3.1滲透水頭分析

圖5、圖6為工況一、工況二基坑滲流等水頭線。基坑內(nèi)部存在滲透壓力，防滲墻的設(shè)置對(duì)壓力分布也有一定的影響。

圖5　工況一基坑滲流等水頭線

圖6工況二基坑滲流等水頭線

(1) 防滲墻對(duì)降低滲透水頭具有明顯阻擋作用?；邮滋?、橫縱向的滲透水頭均呈下降趨勢(shì)，右側(cè)的滲透水頭也下降明顯。

(2) 基坑所受的壓力非均勻分布?；铀艿臐B透壓力水頭不相等，在防滲墻附近壓力下降最快。

(3) 基坑周圍滲透水頭變化呈下降趨勢(shì)。在基坑前中線，底板所受3.0 m水柱高的滲透壓力。

3.2滲透坡降分析

由于采用基坑減壓降水措施降低地下水位，底板與周圍形成較大的水位差，存在一定的水力坡降。

表3　基坑滲透坡降結(jié)果

表3為滲透坡降計(jì)算結(jié)果。圖3截面的J-K、P-Q段在地下水位為5.20 m時(shí)的坡降為0.48、0.49均在允許范圍內(nèi)滿足計(jì)算要求。

4　結(jié)　論

本文以基坑防滲設(shè)施對(duì)滲流場(chǎng)影響為核心，對(duì)滲流場(chǎng)模型進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)溫度場(chǎng)與滲流場(chǎng)相應(yīng)量類似，采用ADINA計(jì)算結(jié)果如下：

(1) 防滲設(shè)施對(duì)降低滲透水頭具有明顯阻擋作用。滲透水頭在基坑底部呈下降趨勢(shì)，防滲墻作用明顯，基坑與周圍的變化趨勢(shì)相同呈下降趨勢(shì)。

(2) 防滲設(shè)施對(duì)滲透水頭和壓力均有明顯的下降作用，形成了較大的滲徑長度，有效的縮小了滲透坡降，有效減小發(fā)生管涌和流土的概率。

(3) 基于ADNIA軟件建立三維數(shù)學(xué)模型能夠準(zhǔn)確模擬基坑滲流三維水流動(dòng)力特性，模擬方法有利于進(jìn)行多工況的比較，適用于大基坑建筑內(nèi)的水流流態(tài)。

文中提到的數(shù)值模型僅對(duì)滲流場(chǎng)進(jìn)行分析研究，對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的耦合模型未能完成，但該方法證明了ADINA有限元軟件對(duì)基坑滲流場(chǎng)的模擬有效性。

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The Finite Element Analysis of Foundation Seepage Based on ADNIA

ZHANG Dongdong1, SUN Ruirui2, YUAN Xinming3, WANG Gang4

(1.InstituteofEngineeringSafetyandDisasterPrevention,OceanandCivilEngineering,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200240,China; 2.ShanghaiInstituteofGeologicalEngineeringExploration,Shanghai200072,China; 3.CollegeofHydraulicScienceandEngineering,YangzhouUniversity,Yangzhou,Jiangsu225009,China; 4.WaterConservancyandCivilEngineeringCollege,ShandongAgriculturalUniversity,Taian,Shandong271000,China)

Deep excavation is often affected by groundwater that results in many accidents. Seepage control facilities were adopted in dry dock foundation to reduce the harm of groundwater seepage, yet the seepage law is not yet clear. In order to further study the effect of foundation seepage prevention facilities of seepage field and temperature field mathematical model to simulate the seepage, a three-dimensional mathematical model was developed by using ADNIA-T, which could provide us the distribution of seepage head and grade on typical section under different working condition. The results indicate that arrangement of anti-seepage dock has increased the seepage path length, reduced the seepage slope, and prevented the occurrence of piping and flow soil. This research is helpful to further recognize the seepage law of foundation pit under seepage control facilities, and could provide the reliable theory basis for foundation pit seepage and facilities design.

3D-water power; dry dock foundation; cut-off wall; seepage control

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.04.005

2016-04-01

2016-05-03

張冬冬(1984—)，男，上海靜安人，博士研究生，研究方向?yàn)樯罨庸こ汤碚撆c技術(shù)。 E-mail：mengdong02@163.com

TU44

A

1672—1144(2016)04—0021—04