【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种考虑地下水位下降时总应力与土体参数变化的地面沉降计算方法，属于地质环境保护及地面沉降预测计算领域。
技术介绍
1、由于地下工程的快速发展，基坑工程随之增多，在基坑降水的过程中，随着地下水的排出，使得含水层中的水位降低，土体中有效应力随之改变，从而诱发土体固结，产生了严重的危害和影响。研究发现，水位变化诱发土体固结的同时也会导致土体的水文地质参数和物理力学参数的变化，继而与地面沉降相互影响。但是，根据传统的太沙基固结理论计算沉降时均假设土体的水文地质参数和物理力学参数不随时间发生改变，这就导致计算结果常常与实际情况不符。
2、在传统的沉降计算模型中，大部分都采用经典的太沙基理论作为计算基础，部分研究考虑了总应力变化对沉降计算的影响，也有部分研究考虑了参数非线性对沉降的影响，其中主要考虑了沉降过程中渗透系数的变化规律。但是，鲜有同时考虑总应力变化及参数非线性耦合的研究。根据现有研究及工程实践发现，目前主要采用的地面沉降计算方法大都具有较强的不确定性，理论依据不全面，沉降计算值普遍偏大，甚至出现地下水位下降引发的地面沉降计算值远大于实测值的情况。因此，本专利技术在原有理论的基础上，综合考虑了地下水位下降过程中总应力及土体参数变化情况，建立了渗流-地面沉降耦合模型。本专利技术的提出，可为类似工程开展地面沉降预测提供参考和指导，具有重要的现实意义。
技术实现思路
1、本专利技术公开了一种考虑地下水位下降时总应力与土体参数变化的地面沉降计算方法，在地下水位下降的过
2、为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案如下：
3、一种考虑地下水位下降时总应力与土体参数变化的地面沉降计算方法，包括如下步骤：
4、1)根据现场地形地貌、地层岩性、水文地质条件及工程地质条件等因素，确定地面沉降模型计算区域，确定三维地质模型的含水层结构、边界条件和初始条件，构建地下水三维渗流数值模型；
5、2)根据研究区基础数据、前期现场试验以及室内试验综合确定研究区的水文地质参数及物理力学参数初始值，并对三维数值模型进行参数赋值；
6、3)运行步骤2)中构建完成的地下水三维渗流数值模型，模拟现场地下水位下降情况，通过水位观测点的实测数据进行参数调整，模拟出与天然情况相一致的地下水渗流场模型；
7、4)导出研究区各点的水位数据变化情况，确定地面沉降计算步长，当第i步的水位降深取0.01m时可满足计算精度要求，根据目标水位总降深与0.01m的比值可得到计算步长n，如果需要进一步提高计算精度，只需要减小第i步的水位降深取值即可；
8、5)根据地下水位下降时总应力变化规律、地面沉降时土体参数变化规律以及渗流-地面沉降耦合模型理论，利用python编写代码进行应力、土体参数以及沉降的计算；
9、6)根据第i步水位变化及第i-1步沉降计算结果调整总应力值及土体参数值变化情况，计算出第i步的地面沉降值以及第1至第i步沉降总和；
10、7)逐步计算第1～n步沉降及沉降总和，将最终地面沉降的计算值与现场沉降观测点的实测值进行对比，若计算值与实测值的差值大于允许误差，返回步骤2)调整参数直至计算值与实测值的差值≤允许误差，如果现场缺少地面沉降的实测资料，则根据水位数据进行参数调整，以沉降计算结果作为沉降预测模型的结果；
11、8)将计算所得的总应力、孔隙水压力、有效应力、水文地质参数、物理力学参数以及各点地面沉降值输出并储存，导入origin软件中绘制各应力、参数以及沉降变化的等值线图，完成考虑地下水位下降时总应力与土体参数变化的地面沉降计算。
12、上述计算方法，在地下水位下降的过程中，综合考虑总应力和土体参数的变化情况，建立渗流-地面沉降耦合模型对降水诱发的地面沉降进行计算。进行计算时先输入初始参数值(渗透系数、孔隙率、土体压缩指数、土体的饱和重度、降水后非饱和带土体的持水重度、水的重度、土体的天然重度)并确定计算步长，将目标水位总降深均分为n次。先根据初始参数构建数值模型，运行模型得到初始水位随时间的变化情况，利用python对总应力与土体参数变化的渗流-地面沉降耦合模型中推导的理论及相关公式进行编程编写，实现在水位下降过程中应力、参数及沉降变化情况的计算及存储。重复上述过程直到模拟水位达到目标水位，每次循环时将前一步计算所得的参数变化值作为本次循环时使用的参数初始值，以实现参数的动态变化，采用循环迭代的方式进行最终沉降的计算。本专利技术具有严谨的数学模型和严格的数学理论推导，完善了地下水位下降过程中地面沉降计算的相关理论与方法，可以合理解释以往研究中沉降计算值都明显大于实测值的现象，更加符合实际沉降过程。研究成果可为类似工程开展地面沉降预测提供参考和指导，具有重要的现实意义。
13、上述步骤1)中，三维地质模型的含水层结构包括潜水含水层和承压含水层，边界条件包括第一类定水头边界、第二类定流量边界和第三类混合边界，初始条件包括初始水头条件和初始应力条件；
14、上述步骤2)中，根据地质研究报告、现场抽水试验、微水试验、注水试验；室内常水头试验、变水头试验、土工试验等求取计算所需的渗透系数、孔隙度、体积压缩系数、重度等水文地质参数及物理力学参数初始值。
15、上述步骤3)中，现场地下水位下降情况包括但不限于天然水位波动、地下水开采和基坑降水等，其中通过水位观测点的实测数据进行参数调整时可能出现多解性，在进行调参时需要关注土体参数所表达的物理意义；
16、上述步骤5)中，地下水位下降时总应力变化规律如下：
17、对于潜水含水层，计算地面沉降时目标层的总应力为上部荷载的应力之和，在没有附加应力的情况下，即为上覆地层中土体和孔隙水的总重。当潜水水位下降时，孔隙水被疏干排出，上覆荷载减小，总应力也会随之减小。对于承压含水层，当上部潜水水位下降时，孔隙水被疏干排出，上覆荷载减小，总应力也会随之减小，但是当承压水位下降时，上覆荷载基本没有变化，可认为总应力不变。
18、当h＜δh时，即位于降水后水位面以上的土体单元，其应力变化如下：
19、δσ＝-(γsat-γ0)h (1)
20、δp＝-γwh (2)
21、δσ′＝δσ-δp＝(γ0-γ′)h (3)
22、当h＞δh时，即位于降水后水位面以下的土体单元，其应力变化如下：
23、δσ＝-(γsat-γ0)δh (4)
24、δp＝-γwδh (5)
25、δσ′＝δσ-δp＝(γ0-γ′)δh (6)
26、式中：δσ为水位下降后的总应本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种考虑地下水位下降时总应力与土体参数变化的地面沉降计算方法，其特征在于：包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种考虑地下水位下降时总应力与土体参数变化的地面沉降计算方法，其特征在于，步骤1)中，三维地质模型的含水层结构包括潜水含水层和承压含水层，边界条件包括第一类定水头边界、第二类定流量边界和第三类混合边界，初始条件包括初始水头条件和初始应力条件。
3.根据权利要求1所述的一种考虑地下水位下降时总应力与土体参数变化的地面沉降计算方法，其特征在于，步骤3)中，现场地下水位下降情况包括但不限于天然水位波动、地下水开采和基坑降水。
4.根据权利要求2所述的一种考虑地下水位下降时总应力与土体参数变化的地面沉降计算方法，其特征在于，步骤5)中，地下水位下降时总应力变化规律如下：
5.根据权利要求1所述的一种考虑地下水位下降时总应力与土体参数变化的地面沉降计算方法，其特征在于，步骤5)中，地面沉降时土体参数变化规律如下：
6.根据权利要求1所述的一种考虑地下水位下降时总应力与土体参数变化的地面沉降计算方法，其特征在于，步骤
...【技术特征摘要】
1.一种考虑地下水位下降时总应力与土体参数变化的地面沉降计算方法，其特征在于：包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种考虑地下水位下降时总应力与土体参数变化的地面沉降计算方法，其特征在于，步骤1)中，三维地质模型的含水层结构包括潜水含水层和承压含水层，边界条件包括第一类定水头边界、第二类定流量边界和第三类混合边界，初始条件包括初始水头条件和初始应力条件。
3.根据权利要求1所述的一种考虑地下水位下降时总应力与土体参数变化的地面沉降计算方法，其特征在于，步骤3)中，现场地下水位下降情况...
【专利技术属性】
技术研发人员：董小松，赵燕容，卢凤民，黄勇，赵亮，刘川川，李明欣，石林，李晓杰，毛世龙，苗柯韩，杨洁，张杰，徐杰，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：
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