软土地区密集高层建筑群引起地面沉降研究

摘要

地面沉降是世界各地城市所面临的共性课题,随着高层建筑的不断增多,人为诱发的地面沉降有加速的趋势。地面沉降的发生是一个比较缓慢的过程,但长期的沉降累计已造成道路开裂、各类管线受损、建筑物倾斜或开裂等,给城市居民带来严重的不便,并造成巨大的经济损失。在严格控制地下水开采的情况下,密集高层建筑群等工程环境效应诱发的地面沉降已成为地面沉降的主要影响因素。本文以上海软土地区密集高层建筑群为研究对象,通过现场实测、室内一般模型试验和离心模型试验,结合环境扫描电镜试验和压汞试验,运用非等时距GM(1,1)模型和自适应模糊神经网络,对上海软土地区密集高层建筑群作用下的地面沉降机理、地面沉降预测和建筑容积率进行了研究,得出以下结论。　　 (1)通过室内一般模型试验,得出密集高层建筑群造成的区域性地面沉降特点是距离建筑物中心一倍基础宽度范围内的地面沉降大于建筑物本身的沉降,以高层建筑群区域中心的沉降最大,密集高层建筑群之间存在明显的沉降叠加效应。密集高层建筑群对地面沉降的影响与建筑物的施工顺序有关。叠加效应表现在超静孔隙水压力与土压力均呈阶梯形增长,对应于土层的变形与建筑物的沉降也呈现阶梯形增长,在荷重的施加阶段变形会有明显的突变,这会造成变形与沉降超过预期的估计,使建筑物的沉降超过容许值。　　 (2)离心模型试验能够使模型达到与原型相同的应力水平,并且可以模拟长时间的地面沉降,而室内一般模型试验远远达不到这个要求,所以在区域不同位置及土层分层沉降研究中,两者表现出一些差异,但沉降总体趋势是一致的。区域中心位置沉降量很大,体现了密集高层建筑群对区域中心的叠加效应非常显著,可能会使区域中心沉降超过容许值,带来地面沉降灾害。离心模型试验模拟了密集高层建筑群不同建筑间距对地面沉降的影响,间距越小时,对区域中心的沉降叠加效应越明显,因此可以适当增大密集高层建筑群建筑物之间的间距来降低叠加效应对地面沉降的影响。离心模型试验桩基持力层区域中心位置的孔隙水压力较大,体现了密集高层建筑群对区域中心位置的叠加效应比较大；受到桩端不断扰动和不断调整过程的影响,建筑物下方的土压力呈现出一定的波动性。　　 (3)离心模型试验在达到稳定加速度前的加速阶段,可以较好地模拟密集高层建筑群的施工过程。室内一般模型试验中四幢建筑物荷载按照先后顺序进行施加,体现出密集高层建筑物之间施工先后顺序对沉降的叠加效应。　　 (4)在密集高层建筑群离心模型试验引起地面沉降的研究中,首次提出了离心模型土体比降概念,并用三阶衰减指数函数对不同土层的沉降历时曲线进行了拟合,该函数可以预测土层沉降。　　 (5)粘性土颗粒在密集高层建筑群荷载及叠加效应的作用下,微观结构中片状棱角被钝化,随着颗粒结构单元的压密,大孔隙减少并形成大量较小孔隙,试验后土体中较大孔隙没有减少反而增多,最终造成孔径平均值增大,总孔隙度反而有所减少。粉砂土在试验前颗粒与颗粒之间交错排列,颗粒之间孔隙较大,棱角比较明显,在受力过程中,以颗粒与颗粒之间接触角度调整为主,孔隙变小,最终导致试验后土体孔径平均值和总比表面积有所减小。　　 (6)上海地区粘土和粉砂土均以大孔为主,并且在进汞过程中存在着“瓶颈”效应。粉砂土的孔径平均值随离心模型土体比降的增大而减小；粘性土的孔径平均值随比降的增大而增大。粉砂和粘土的总比表面积皆随比降的增大而减小。粉砂土的总孔隙度随着土体比降的增大而减小；粘土的总孔隙度随着土体比降的增大而增大。粉砂土的持水(汞)系数随着土体比降的增大而减小；粘土的持水(汞)系数随着土体比降的增大而增大。粘性土在不同的孔径范围具有四组不同的分形维数,粉砂土在不同的孔径范围具有三组不同的分形维数,由于砂性土中大孔隙所占比例比粘性土高,分形特征曲线上的直线段由粘性土的四段退化为砂性土的三段,分形维数段数的缺失说明不同土类的孔隙分布具有不同的分形特征。　　 (7)应用灰色理论建立的非等时距模型,对上海陆家嘴地区某高层建筑的沉降进行了预测,预测结果和实际监测结果相符合；对室内一般模型试验进行了沉降预测,并和试验观测数据以及自适应神经网络预测结果进行了比较。研究发现,对于工程环境效应引起的地面沉降,应用非等时距灰色理论模型进行沉降预测是可行的、精确的。　　 (8)地面建筑地质环境容量主要由地面沉降控制,其输出指标为建筑容积率。对上海软土地区工程地质水文地质条件、地面沉降灾害发育程度分区、建筑容积率、建筑密度对地面沉降的影响以及地下水的开采利用情况进行了全面分析,建立了地面建筑地质环境容量的评价体系。针对陆家嘴、徐家汇、中原和长桥四个典型地区不同地质结构和沉降控制要求,应用自适应模糊神经网络输出建筑容积率并绘制了四个典型地区的建筑容积率示意图,为城市的规划制定提供参考。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 地面沉降研究现状

1.2.1 国外现状

1.2.2 国内现状

1.2.3 地面沉降产生原因

1.2.4 地面沉降机理研究

1.2.5 地面沉降监测与预测

1.3 土工离心模型试验研究现状

1.3.1 土工离心模型试验国外研究现状

1.3.2 土工离心模型试验国内研究现状

1.4 本文主要研究内容与创新

1.4.1 主要研究内容

1.4.2 创新点

第2章 软土地面沉降的机理与理论分析

2.1 软土地面沉降机理

2.1.1 开采地下水引起地面沉降

2.1.2 大规模工程建设引起地面沉降机理分析

2.2 软土地面沉降的理论分析

2.2.1 软粘土的固结特性

2.2.2 软粘土的固结理论

2.2.3 软粘土的蠕变

2.2.4 软粘土的粘弹塑性本构模型

2.2.5 三维粘弹塑性固结方程

2.3 软土地面沉降的数值计算

2.3.1 抽取地下水引起的沉降计算

2.3.2 密集高层建筑群桩引起的沉降计算

2.4 本章小结

第3章 密集高层建筑群的工程环境效应

3.1 密集建筑群的地面沉降叠加效应

3.1.1 密集高层建筑群附加应力的叠加效应

3.1.2 密集高层建筑群叠加效应影响范围

3.1.3 工程实例分析

3.2 密集高层建筑基础施工对周边环境的影响

3.2.1 桩基施工的影响

3.2.2 深基坑施工的影响

3.2.3 井点降水的影响

3.2.4 工程实例分析

3.3 本章小结

第4章 密集高层建筑群引起地面沉降的室内一般模型试验

4.1 试验材料

4.1.1 试验土的物理力学性质

4.1.2 桩基材料

4.2 试验设计

4.3 试验方法

4.4 试验结果分析

4.4.1 不同土层变形的比较

4.4.2 建筑物及其中心、周边区域沉降

4.4.3 粘性土层中压力变化与变形

4.4.4 建筑物下土压力变化与沉降

4.5 本章小结

第5章 密集高层建筑群引起地面沉降的离心模型试验

5.1 土工离心机原理

5.1.1 相似定律

5.1.2 土工离心机原理

5.2 离心模型试验设备介绍

5.2.1 150g·t土工离心机

5.2.2 离心机的力场与特性

5.2.3 模型比尺的选择

5.3 离心模型试验方案设计与实施

5.3.1 单桩承载力离心模型试验

5.3.2 密集高层建筑群离心模型试验

5.4 试验结果与分析

5.4.1 密集高层建筑群不同土层的沉降

5.4.2 密集高层建筑群区域不同位置的地面沉降

5.4.3 密集高层建筑群不同建筑间距的地面沉降

5.4.4 密集高层建筑群土压、水压变化与土层沉降

5.5 本章小结

第6章 密集高层建筑群作用下软土的微观结构特征

6.1 引言

6.2 扫描电镜试验

6.2.1 土样制备要求

6.2.2 土样制备步骤

6.2.3 微观结构测定

6.2.4 试验结果定性分析

6.3 压汞试验

6.3.1 压汞法孔径分布测试原理

6.3.2 压汞试验参数

6.3.3 试验结果定量分析

6.3.4 微观机理分析

6.3.5 孔隙结构的分形特征

6.4 本章小结

第7章 密集高层建筑群引起地面沉降的预测

7.1 灰色预测模型

7.1.1 等时距GM(1,1)模型

7.1.2 非等时距GM(1,1)模型

7.1.3 预测精度分析及检验

7.1.4 残差序列建模

7.2 地面沉降预测方法

7.3 地面沉降现场预测

7.3.1 工程地质水文地质条件

7.3.2 现场地面沉降预测

7.4 地面沉降室内模型试验预测

7.4.1 试验概况

7.4.2 试验数据预测

7.5 本章小结

第8章 沉降因素影响下基于ANFIS的建筑容积率

8.1 地面沉降影响因素

8.1.1 工程地质水文地质条件

8.1.2 地面沉降灾害分区

8.1.3 建筑容积率与建筑密度

8.1.4 地下水开发利用概况及其特点

8.2 自适应模糊神经网络

8.2.1 ANFIS原理及结构

8.2.2 基于ANFIS的建筑容积率算法

8.2.3 建筑容积率的ANFIS推理方法的建立

8.3 典型区域建筑容积率

8.4 本章小结

第9章 结论与展望

9.1 结论

9.2 进一步工作的方向

致谢

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果.