变化地下水头作用下基坑工程土体的力学特性和破坏机理研究

The geotechnical and hydraulic conditions in coastal areas are complicated, leading to dynamic groundwater conditions, and thus increasing the susceptibility of excavation engineering projects to catastrophic failure. Investigating the mechanical behaviors and failure mechanism of the soils under varying groundwater conditions plays a crucial role in characterizing the failure of soil and revealing the failure mechanism of excavations under complicated groundwater conditions of coastal areas. The proposed project aims to investigate the mechanical behaviors and failure mechanism of soils in an excavation project subjected to varying groundwater conditions, by performing complex stress path triaxial tests using anisotropically consolidated specimens subjected to seepage. To induce the seepage, a specially designed seepage module will be installed to the GDS triaxial testing system, by considering the influence of pore pressure variation and seepage force induced by varying groundwater head. Based on the results of triaxial tests, the analytical solution of pore water pressure in the excavation and the numerical simulation of the excavation performance will be analyzed for characterizing the failure of soil and revealing the failure mechanism of excavation projects under complicated groundwater conditions. The outcomes of the proposed study can be used to improve current design theory of excavations subjected to groundwater impact, as well as to anticipate and prevent engineering failures and geo-hazards due to natural disasters such as storm and flood.

滨海地区水文地质条件复杂，导致该地区地下水呈动态变化的特点，容易引发基坑工程灾变事故。变化地下水条件下基坑工程土体的力学特性和破坏机理的研究，是揭示滨海地区复杂地下水环境下土体灾变特性以及基坑工程致灾机制的关键所在。本项目拟在GDS动三轴仪上增加渗流模块，兼顾变化地下水头引起的基坑工程土体中孔压变化和渗透力作用的影响，系统地开展考虑土单元体中存在渗流作用的各向异性初始状态的复杂应力路径三轴试验，探究变化地下水头作用下基坑工程土体的力学特性和破坏机理。基于三轴试验研究成果，通过解析研究和数值方法获得土体中孔压分布的解析解答和基坑工程的数值模拟结果用于变化地下水头作用基坑的工程性状分析，探究复杂地下水环境下土体的灾变特性和基坑工程的致灾机制。研究成果可用于完善现有地下水作用基坑的设计理论，亦可用于暴雨、洪水等自然灾害下的地质灾害和工程灾变的预警和预防。

随着我国滨海、沿江重要城市的工程建设，涌现出了大量高层、超高层建筑、大型地下空间开发项目、跨江/海大桥、越江隧道、过海隧道以及重要海港等工程。滨海和沿江、河地区水文气候地质条件复杂，河流水系发达，地下水蕴藏丰富。受海水或河水波动以及暴雨、河流洪峰、管线爆裂、工程降水和回灌等因素的影响，地下水具有动态变化的特点。已有的研究统计表明60%以上的基坑事故直接或间接与地下水相关，富水地层中地下水头的变化作用将使得位于该类地区的基坑工程及其施工周边环境的渗流问题变得更为复杂，在一定程度上增加了基坑工程发生灾变的风险。. 本项目紧密结合我国沿海、沿江富水地区工程建设重要需求，针对开挖卸荷后经受变化地下水作用基坑工程土体的力学特性和破坏机理，通过改造的室内土单元体试验装置和试样制备装置，开展了系统的土单元体应力路径试验研究以及小应变刚度试验研究，揭示了复杂地下水环境下基坑工程土体的应力应变关系、体变发展规律、小应变刚度特性以及破坏机理；考虑坑底弱透水土层的压缩非线性、渗透非线性以及非Darcy渗流的影响，提出了变化地下水头作用下基坑底部弱透水土层的孔压和变形响应的计算方法，讨论了动态承压水作用下基坑底部土体受力和稳定性变化特征；通过改进Duncan-Chang渐近线公式和状态相关的剪胀方程，在弹塑性理论框架下建立了砂土状态相关剪胀行为的本构模型；基于上述理论、试验研究成果，进一步地明确了变化地下水头作用下基坑的工程性状和致灾机制，研发了富水地层基坑工程渗透破坏防治技术。研究成果可用于富水地层基坑工程的设计计算以及渗透破坏的预防和治理，具有重要的科学意义和应用价值。