【正文】 土釘軸力最大值（kN）工況一工況二工況三工況四工況五第一層土釘?shù)诙油玲數(shù)谌龑油玲數(shù)谒膶油玲斢杀碇袛?shù)據(jù)看出，加載后，起主要作用的土釘依然是位于中部。隨著止水帷幕向基坑外側(cè)偏移，土釘軸力的變化規(guī)律與開挖完成時(shí)相似，但是對土釘軸力控制作用有所降低，即加載后土釘所承擔(dān)的作用逐漸增強(qiáng)。止水帷幕位于基坑邊時(shí)，土釘軸力最大值約為無止水帷幕時(shí)的55%~60%。 止水帷幕的彈性模量對基坑支護(hù)效果的影響 對基坑位移的影響從上一節(jié)的研究可以看出，止水帷幕離基坑外側(cè)越近越好。但是由于在實(shí)際工程中止水帷幕與基坑外側(cè)之間要給降水井留出工作面，所以選擇工況三作為研究對象。將工況三中止水帷幕的彈性模量擴(kuò)大到原來的10倍（工況六），開挖后得到的基坑位移圖如下圖所示。 開挖后工況六基坑復(fù)合位移圖提取最大沉降位移和最大水平位移與工況三進(jìn)行對比，如下表所示。表313 開挖后基坑位移工況三工況六最大沉降位移（mm）最大水平位移（mm）加載后的基坑位移圖如下。 加載后工況六基坑復(fù)合位移圖提取最大沉降位移和最大水平位移與工況三進(jìn)行對比，如下表所示。表314 加載后基坑位移工況三工況六最大沉降位移（mm）最大水平位移（mm）由以上對比可以看出，提高止水帷幕的彈性模量可以進(jìn)一步降低基坑開挖和加載時(shí)的沉降位移和水平位移。但是將彈性模量提高到十倍，加載后的位移僅減少約25%，在工程上并不經(jīng)濟(jì)。 對土釘軸力的影響第一層土釘 第二層土釘?shù)谌龑油玲? 第四層土釘 開挖后土釘軸力對比第一層土釘 第二層土釘?shù)谌龑油玲? 第四層土釘 加載后土釘軸力對比表315 土釘軸力最大值開挖后土釘軸力最大值（kN）加載后土釘軸力最大值（kN）工況三工況六工況三工況六第一層土釘?shù)诙油玲數(shù)谌龑油玲數(shù)谒膶油玲攲⒐r三和工況六在基坑開挖后和加載后的土釘軸力進(jìn)行對比可知，增加止水帷幕的彈性模量后，土釘?shù)氖芰μ卣骰静蛔?，土釘軸力較之前有所降低，最多降低32%。 止水帷幕的厚度對基坑支護(hù)效果的影響 對基坑位移的影響將工況三中攪拌樁設(shè)置為雙排，即止水帷幕的厚度擴(kuò)大到原來的2倍（工況七），開挖后得到的基坑位移圖如下圖所示。 開挖后工況七基坑復(fù)合位移圖提取最大沉降位移和最大水平位移與工況三進(jìn)行對比，如下表所示。表316 開挖后基坑位移工況三工況七最大沉降位移（mm）最大水平位移（mm）加載后的基坑位移圖如下。 加載后工況七基坑復(fù)合位移圖提取最大沉降位移和最大水平位移與工況三進(jìn)行對比，如下表所示。表314 加載后基坑位移工況三工況七最大沉降位移（mm）最大水平位移（mm）由以上對比可以看出，增加止水帷幕的厚度后，基坑開挖后的沉降位移和水平位移反而有少許上升，此位移應(yīng)為帷幕自重等造成。在加載后也僅能稍微降低基坑沉降值，水平位移依舊高于增加厚度前的值。 對土釘軸力的影響第一層土釘 第二層土釘?shù)谌龑油玲? 第四層土釘 開挖后土釘軸力對比第一層土釘 第二層土釘?shù)谌龑油玲? 第四層土釘 加載后土釘軸力對比表315 土釘軸力最大值開挖后土釘軸力最大值（kN）加載后土釘軸力最大值（kN）工況三工況七工況三工況七第一層土釘?shù)诙油玲數(shù)谌龑油玲數(shù)谒膶油玲攲⒐r三和工況七在基坑開挖后和加載后的土釘軸力進(jìn)行對比可知，增加止水帷幕的厚度后，土釘?shù)氖芰μ卣骰静蛔?，第一層土釘軸力反而變大，其余層的土釘軸力有所降低，其中降幅最大的僅降至工況三的80%。 本章小結(jié)通過對不同工況進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了止水帷幕不同位置、彈性模量、厚度對基坑支護(hù)效果的影響,得到如下結(jié)論：（1）只要止水帷幕距離基坑外側(cè)不太遠(yuǎn)（在本文中是6m內(nèi)），止水帷幕就能有效地降低基坑開挖和加載時(shí)的基坑位移和土釘軸力，提高基坑頂部的承載力，且帷幕距離基坑越近效果越好。（2）加載后止水帷幕對土釘軸力的控制作用較不加載時(shí)雖有所降低，但是效果依舊明顯。（3）提高止水帷幕的彈性模量雖能降低基坑開挖和加載時(shí)的基坑位移和土釘軸力，但是效果不明顯。（4）增加止水帷幕的厚度不能有效降低基坑開挖和加載時(shí)的基坑位移以及上層土釘?shù)妮S力，能適當(dāng)降低中、下層土釘?shù)妮S力。（5）止水帷幕能改變土釘軸力的分布特征，該特征與止水帷幕的位置有關(guān)，與止水帷幕的彈性模量和厚度無顯著關(guān)系。第4章 止水帷幕在深基坑降水中的作用研究 前言在處理深基坑降水問題時(shí)現(xiàn)在的主要方法依然是通過解析法進(jìn)行計(jì)算。在前面的章節(jié)中也提到了解析法所采用的主要理論，在計(jì)算中依賴基本微分方程及定解條件先求壓力水頭曲線。但是這種方法在對簡單的問題求解時(shí)還相當(dāng)方便，一旦問題復(fù)雜，求解過程將異常繁瑣?！督ㄖc市政降水工程技術(shù)規(guī)范》[49]給出了在簡化條件下降水的基本公式。由于條件進(jìn)行了簡化，在工程實(shí)際中便不能盲目依賴，否則實(shí)際結(jié)果可能與公式相差甚遠(yuǎn)。在一般降水工程中，應(yīng)事先設(shè)定好降水的深度，再求出水位在下降到這個(gè)位置時(shí)所需要的抽水量，可是如果依賴解析法無法事先預(yù)測出水位降深[50]。而且，如果地質(zhì)條件及水質(zhì)條件無法用單純的函數(shù)表示出來，則用解析法根本無從下手。綜上所述，解析法僅適合解決簡單的降水問題，而在處理解析法難以解決的問題時(shí)需要另辟蹊徑。數(shù)值模擬包括有限差分法、有限單元法和邊界元法 [51,52]。有限差分法的核心是對微分方程進(jìn)行離散化，以得到差分方程，然后通過迭代對目標(biāo)進(jìn)行求解；有限單元法是實(shí)際就是數(shù)學(xué)物理方法[51]，將物理問題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)方法，每個(gè)單元之間相互獨(dú)立求解；邊界元法的原理的先化整為零，在合零為整，即先將區(qū)域分成多個(gè)小塊，在對這些小塊建立平衡方程組統(tǒng)一求解。 ABAQUS簡介軟件是由美國的，amp。有限公司開發(fā)研制的。該公司自從于年建成以來一直在開發(fā)有限元軟件，而是其中最著名也是最實(shí)用的一款。隨著計(jì)算機(jī)硬件的飛快發(fā)展，也越來越成熟，在國際上享有盛譽(yù)。在對實(shí)際工程的模擬方面，不僅能解決常見的線性問題，在非線性方面也毫不遜色。程序內(nèi)部自帶幾乎所有的目前已知的材料類型，從鋼結(jié)構(gòu)到混凝土甚至巖土方面都應(yīng)有盡有，可以說功能十分齊全，在解決土木工程問題上非常實(shí)用。并且軟件本身擁有強(qiáng)大的建模能量，能建立出幾乎所有類型的單元。除了能解決土木工程中的力學(xué)與滲流問題，也能解決其他領(lǐng)域的眾多問題，幾乎涵蓋了整個(gè)物理學(xué)范疇，例如聲音傳播、熱傳導(dǎo)、電介質(zhì)等。滲流問題在牽涉到地下水處理的問題中具有十分重要的地位，處理的精確與否將極大地影響構(gòu)筑物的安全與造價(jià)。而與其他理論方法相比，有限元方法在處理復(fù)雜的地質(zhì)條件與滲流條件時(shí)具有極大的優(yōu)勢。例如對于浸潤面在下游邊坡的位置高于該處水位及類似的情況，由于邊界條件未知，其他方法將無從下手。而在Standard模塊中只需將下游邊坡的孔隙水壓力取為零，程序便能根據(jù)內(nèi)設(shè)的基礎(chǔ)理論計(jì)算出浸潤面的位置，并且結(jié)果證明與實(shí)際相符。非飽和土的滲透系數(shù)跟孔隙比和飽和度（或含水量）之間并不是相互獨(dú)立的，實(shí)際上它們之間存在某種數(shù)量關(guān)系。這三個(gè)參數(shù)也是求解非飽和滲流問題必須設(shè)置的流體性質(zhì)參數(shù)。在中可以直接指定滲流邊界上的孔隙水壓力或滲流速度，這兩者之間存在如下代數(shù)關(guān)系： （41）式中，是流體在邊界上沿著其垂直方向的流速；是滲流系數(shù)，而不是滲透系數(shù)；是邊界處的孔隙水壓力；是參考孔隙水壓力。在中可以指定自由出水邊界，這種邊界可以通過指定該邊界的孔隙水壓力為0實(shí)現(xiàn)。研究區(qū)域內(nèi)的水可以從這種邊界上自由流出，而區(qū)域外的水不會(huì)從這種邊界流入研究區(qū)域。，在ABAQUS中，雖然自由出水邊界上的孔隙水壓力被設(shè)置為0，但是該區(qū)域內(nèi)在此邊界面上的實(shí)際孔壓未必為0。程序設(shè)定當(dāng)邊界面上的實(shí)際孔壓為正時(shí)，該邊界上流體的流速與實(shí)際孔壓成正比；當(dāng)實(shí)際孔壓為負(fù)值時(shí)，此時(shí)區(qū)域內(nèi)部在該邊界上表現(xiàn)為吸力，但是區(qū)域外的水不會(huì)從該邊界流入，所以流速為零，即： （42） 自由滲出段邊界中流速與孔壓的關(guān)系對于浸潤面在下游邊坡的位置高于該處水位及類似的情況，也可以通過設(shè)定較大的滲流速度來模擬自由出水邊界。實(shí)際上當(dāng)滲流速度足夠大時(shí)，就可以認(rèn)為該邊界孔壓為0。給出了這種情況下的取值標(biāo)準(zhǔn)： （43）式中是研究區(qū)域的滲透系數(shù)，是水的容重，是邊界上單元的加權(quán)平均長度。實(shí)際取值一般為。在應(yīng)用分析非飽和土的滲流問題時(shí)，除了上面的參數(shù)，還需要指定流體的吸濕曲線（absorption）、脫水曲線（exsorption）以及兩者之間的關(guān)系（scanning behavior）。這三個(gè)參數(shù)是系統(tǒng)認(rèn)定土體為非飽和土的關(guān)鍵因素，若不定義或定義不完全，不論之前的參數(shù)如何設(shè)置，ABAQUS都會(huì)認(rèn)為土體是飽和的，這樣會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的計(jì)算結(jié)果。一般在定義吸濕和脫水曲線時(shí)，是通過在程序中輸入一系列關(guān)鍵的控制點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)然也有別的定義方法，例如利用理論公式。這些公式是根據(jù)非飽和土的力學(xué)公式得來的。式（44）和（45）。在定義公式的時(shí)候只需給出A、B這兩個(gè)土體參數(shù)即可。 （44） （45）式中，A、B等參數(shù)需要根據(jù)試驗(yàn)確定；和所表示的意義見下圖。 吸濕和脫水曲線的理論曲線 工程概況模擬基坑大小為95m55m，假設(shè)地面標(biāo)高為177。0，初始水位為3m，3m～30m為潛水層，30m～32m為隔水層。止水帷幕厚300mm，繞基坑一圈成封閉型態(tài)。降水井和疏干井深18m，井管直徑500mm，成孔700mm，共計(jì)16個(gè)降水井、8個(gè)疏干井。 井管平面布置圖 建立模型 模型概況相對于降水井的尺寸，整個(gè)基坑的計(jì)算模型過大。若以整個(gè)基坑進(jìn)行計(jì)算分析，必然會(huì)由于網(wǎng)格數(shù)過多而使計(jì)算時(shí)間過長?？紤]到基坑及降水井布置的對稱性，數(shù)值模擬時(shí)可僅取基坑的四分之一部分。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算降水的影響范圍大致為100m~180m，本模型帷幕外側(cè)范圍取200m，計(jì)算深度為32m。模型總長250m，寬230m，深32m；基坑部分長45m，寬25m。在對網(wǎng)格指派類型時(shí)選擇C3D8P單元，該單元具有三向線性位移及三向線性孔隙壓力。在近似全局尺寸中設(shè)為3m，并將遠(yuǎn)處網(wǎng)格按邊布置較稀疏的種子。模型最終劃分了72509個(gè)單元、80946個(gè)節(jié)點(diǎn)。 計(jì)算模型 初始條件與邊界條件在預(yù)定義場中定義沿深度直線變化的初始水壓力；定義初始孔隙比為1，初始飽和度為1。不考慮土體的變形，故約束模型所有方向的位移及轉(zhuǎn)角自由度。假定基坑外側(cè)200m開外水位不受降水影響，將邊界邊界2設(shè)為定水頭邊界；假定降水井、疏干井自由出水，固定孔壓為0；其余邊界為不透水邊界。 計(jì)算參數(shù)土體密度為2000，彈性模量為20MPa，()，孔隙比為1；止水帷幕密度為為2300，彈性模量為150MPa，滲透系數(shù)為1，隔水層為不透水材料。重力取10，水的重度取1。 計(jì)算結(jié)果與分析 止水帷幕對水頭壓力的影響計(jì)算模型共考慮了六種工況，分別是無止水帷幕(工況1)及止水帷幕深18m(工況2)、21m(工況3)、24m(工況4)、27m(工況5)、30m(工況6)，計(jì)算總時(shí)長60天。工況1孔壓云圖 工況2孔壓云圖 工況3孔壓云圖工況4孔壓云圖工況5孔壓云圖工況6孔壓云圖 各種工況下孔隙水壓力云圖工況5為懸掛式止水帷幕，工況6為落地式止水帷幕，各工況下基坑內(nèi)外水位及降水影響范圍（取水位降深≥1m的范圍）如表41所示。表41 各工況降水效果工況1工況2工況3工況4工況5工況6基坑內(nèi)水位（m）帷幕外側(cè)水位（m）影響范圍（m）1511441381341280，無止水帷幕時(shí)降水效果差，影響范圍大，降水漏斗曲線連續(xù)；存在止水帷幕時(shí)，由于帷幕的“隔斷”作用，降水漏斗曲線在帷幕兩側(cè)不連續(xù)、發(fā)生突變，帷幕兩側(cè)產(chǎn)生水頭差；增加止水帷幕的深度，可以延長滲徑，提高止水帷幕對基坑內(nèi)的降水效果和帷幕外側(cè)的止水效果；采用懸掛式止水帷幕并不能顯著控制遠(yuǎn)處地下水位的下降，其地下水位的影響范圍為128m～144m，%～%；落地式止水帷幕由于深入到隔水層，完全封堵了基坑與周邊的水力聯(lián)系，降水和止水效果顯著。 止水帷幕對基坑涌水量的影響各工況降水60天后的單井出水量如表42所示。表42 各工況單井出水量工況1工況2工況3工況4工況5工況6井171449736031327416井261443938935231318井357741436132628916井464544638634830817井553236136234130717井653034335733630317合計(jì)36122500221520161794101由上表可見：采用止水帷幕