深基坑降水中分层沉降分叉、逆回弹及变形协调机理研究

针对现场监测发现的基坑降水分层沉降分叉、逆回弹、局部地层膨胀、分层沉降之和远大于地面沉降的新规律，设计现场原型试验，基于分层沉降、分层水位和地面沉降监测，总结和分析分层沉降分叉、逆回弹的一般规律。对原型进行概化后，采用室内模型试验、离心模型试验对其过程进行再现；改变试验条件，探索分层沉降分叉和逆回弹发生的过程和机理。采用真三维流固耦合方法模拟现场试验和模型试验中的地层变形协调过程，进行数值模拟试验，进行影响因素和参数敏感性分析。采用土力学、地下水动力学、基坑渗流理论、流固耦合理论、周边地层约束及变形协调理论，建立概念模型，解释分层沉降分叉、逆回弹、局部地层膨胀、分层沉降之和远大于地面沉降的过程和机理。进行分析和推导，建立数学模型，提出新的降水沉降计算模型和预测方法，进行工程应用、验证与修正，用于解决现有计算方法的不足，提高地面沉降预测的精度。

按照计划任务书，针对深基坑降水中地层分层沉降分叉、逆回弹新现象展开研究，超额完成任务，共发表论文25篇，其中SCI检索10篇，EI检索14篇，ISTP检索2篇；获得教育部科技进步二等奖1项；申请发明专利17项，授权3项；获得软件著作权3项；培养博士研究生2人，硕士研究生11人。本课题利用试验手段和数值模拟方法再现了基坑降水过程中分层沉降分叉、逆回弹现象，从多尺度论证该现象存在的客观性，分析论证其发生机制并提出了基坑降水沉降的修正计算方法，取得的主要成果有：（1）设计并实施考虑降水效应力路径的抽水-水位恢复-回灌三轴应力路径试验，在试样尺度上分析基坑降水中目标含水层的变形规律。（2）在模型试验的尺度上论证该现象存在的客观性，将下伏目标含水层的变形概化为利用单轴铰接可移动钢板移动产生的位移，然后分析上覆盖层分层沉降分叉和逆回弹现象，直观再现了分层沉降分叉和逆回弹现象及其作用的时间效应。（3）为在更大尺度上再现基坑降水中分层沉降分叉-逆回弹现象，设计并实施了离心模型试验。在离心试验中用气囊模拟下伏目标含水层的可控移动边界并再现了分层沉降分叉和逆回弹现象，论证了其存在的客观性。（4）在上海地铁11号线祁连山南路站开展了分层沉降分叉和逆回弹现象的现场监测工作，在整个基坑抽水试验和降水运行过程中，利用分层沉降标，客观地监测到了分层沉降分叉和逆回弹现象，论证了该现象存在的客观性，排除了测量误差等起因。（5）利用三维有限单元流固耦合理论以及三维数值模拟技术模拟了祁连山南路站基坑降水过程，在数学模型上再现了该现象。（6）提出了高、低渗透-压缩性地层组合、深源减压-上覆地层逆回弹、深源固结-变形协调、渐进边界的机制分析。研究成果表明，在基坑降水条件下，不是所有地层都在压缩，有些地层因为分层沉降分叉和逆回弹现象在膨胀，客观解释了现有基坑降水沉降计算数值比实际数值明显偏大的问题，对于传统固结理论提出了挑战。（7）基于分层沉降分叉和逆回弹规律修正了现有的基坑降水沉降计算方法。