基坑二维稳态渗流场的解析解及简化解

在基坑工程中,地下水渗流对基坑稳定性的影响不可忽视,但现有的一维渗流理论无法完全满足渗流计算的安全性要求。针对现有理论的不足,对悬挂式不考虑厚度挡墙支护下的各向同性土层中基坑的二维稳态渗流场进行了解析。依据对称性取基坑半截面,将周围土层分成4个规则区域,利用叠加原理和分离变量法分别将4个区域内的水头表示为级数解的形式,结合区域间连续条件及级数解的正交性得出渗流场的显式解。对比解析解与PLAXIS 2D软件的水头计算结果,发现级数项取20的解收敛且取1时的解仍具有一定的精度,可分别视为精确解和简化解。提出的简化解计算方便,借助计算器即可快速完成对基坑任意一点水头的求解。对比一维静水压力、一维考虑渗流的水压力、流网法、简化解、精确解及数值解水压力计算结果,发现精确解与数值解吻合较好且较流网法精度更高,简化解较一维静水压力、一维考虑渗流的水压力精度更高。参数分析表明:精确解和简化解计算的水压力合力相对误差主要受基坑内侧水位和挡墙至不透水层距离的影响;简化解适用于基坑尺寸不大,尤其内侧水位线到挡墙底部距离大于7 m、底部不透水层到挡墙距离小于30 m的基坑,计算挡墙水压力合力作用点则适用于任意尺寸的基坑;与精确解相比,简化解误差主要出现在挡墙底部,其余位置在基坑尺寸不大时,水头误差小于5%。

考虑潜水面的基坑二维稳态渗流场解析解

对考虑潜水面悬挂式止水帷幕支护下的基坑二维稳态渗流场进行了解析研究,并给出一种求解潜水面的解析方法。根据对称性取基坑半截面,并根据边界的连续条件将其分为3个规则区域,使用分离变量法分别将3个区域的水头分布表示为级数解的形式,结合区域之间的连续性条件及级数正交条件得到各区域渗流场的显式解,根据潜水面所满足的总水头等于位置水头的条件确定潜水面。将解析解方法计算结果与室内试验、有限元分析结果进行比对分析,结果验证了解析解的正确性,解析方法相较于有限元数值方法具有更高效的计算效率。对潜水面位置进行参数分析,发现止水帷幕插入深度、基坑宽度及深度对潜水面位置有不可忽视的影响。随着过水断面厚度的增加,潜水面位置逐渐降低,不考虑极端状态的情况下可认为帷幕底部至不透水层顶面的距离与潜水面在止水帷幕上的位置呈线性关系;随着基坑尺寸的增加,潜水面位置呈下降趋势,基坑内侧半宽度对潜水面的影响明显小于帷幕底部至不透水层顶面的距离,且随着基坑内侧半宽度的增加影响越来越小;潜水面位置随着基坑深度的增大而降低,基坑深度对潜水面位置的影响相对较大。

考虑挡墙厚度基坑稳态渗流场的解析解

对悬挂式考虑厚度挡墙支护下的各向同性土层中基坑的二维稳态渗流场进行了解析研究。根据对称性取基坑半截面,将周围土层划分为5个规则的区域,利用叠加法和分离变量法将5个区域内的水头分布表示为级数解的形式,结合区域间的连续条件得出基坑周围渗流场的显式解析解。将本文解析解得到的水头计算结果和挡墙上水压力计算结果与有限元软件进行对比,结果吻合较好,验证了本文解析解的正确性。将一维渗流、二维渗流中流网法以及不考虑挡墙厚度情况下和考虑挡墙厚度情况下本文解析解计算得到的挡墙上的水压力与有限元解进行对比分析,发现考虑挡墙厚度情况下本文解析解的计算结果最为精确,指出了其他几种解法的误差。最后对基坑渗流场影响因素进行了参数分析,基坑内侧宽度、不透水层顶面至挡墙底部距离、坑内水位、挡墙厚度等因素对基坑水头分布有较大影响,随着挡墙厚度增大,最大水力梯度降到挡墙底部,基坑外侧渗流场远场水头增大,挡墙底部水头明显减小。

水位波动条件下有封底基坑渗流场孔压解析解

对水位波动条件下有封底基坑二维渗流场孔压响应进行了解析研究。将基坑周围土体划分为多个区域,应用叠加原理和分离变量法将各区域超静孔压响应分布用级数形式进行表达,结合区域间边界条件和连续条件求解系数矩阵,得到水位波动条件下有封底层基坑二维渗流场超静孔压分布的显式解析解。将解析解结果与数值计算结果进行对比,验证了解析方法的正确性。基于该解析解进一步给出了水位波动引起出逸比降和涌水量的计算公式,对封底层作用效果和封底层厚度、渗透系数变化产生的影响进行了探讨,并结合基坑工程实例进行了分析。结果表明:随着封底层厚度减小和渗透系数增大,出逸比降和单宽渗流量均增大,但增大的速率降低。

任意埋深下排水系统非对称堵塞隧道渗流场的解析研究

基于目前未见对任意埋深情况下排水系统非对称堵塞隧道渗流场的解析研究,结合保角变换和分离变量法2种方法,推导出任意埋深情况下排水系统非对称堵塞后隧道渗流场的显式解析解,并利用正交性对解析解中的未知数进行求解,首次提出可以适用于浅埋隧道排水系统非对称堵塞后渗流场的显式解析解。该解析解经试算后发现,当级数项数N≥20时,解析解计算结果收敛程度已经很好,且在改变工程参数时仅需要对输入值进行调整,计算耗时远小于需要重新建模和划分网格的数值软件。深埋隧道算例和浅埋隧道算例情况下,分别将解析解水头和水压力计算结果与有限元软件计算结果进行对比,发现解析解计算结果与有限元软件均吻合很好,验证了解析解的正确性,说明解析解可以准确地预测任意埋深情况下隧道发生非对称堵塞时隧道周围渗流场情况。对不同埋深、不同地表水头情况下的隧道周围渗流场、衬砌水压力和渗流量进行分析,发现随着隧道埋深的增大,隧道周围总水头明显降低,而距离隧道较远位置的水头变化较小,隧道衬砌水压力逐渐增大,且最大衬砌水压力出现在隧道排水系统被堵塞一侧衬砌的中心,渗流量则会先减小后增大;随着地表水头的增大,总水头线分布情况一致,但水头线对应的水头值随着地表水头的增大会相应增大,隧道衬砌水压力和渗流量均逐渐增大,且渗流量最小值所对应的隧道埋深也会逐渐增大。

土压平衡盾构渗流场解析解及喷涌判别研究

考虑土压平衡盾构土舱的二维渗流效应,用解析方法分析了土压平衡盾构的喷涌问题。将土舱渗流场划分成两个区域,利用分离变量法并结合区域间连续条件得到土舱水头显式级数解,将螺旋输送机内流场视为一维渗流,通过土舱与螺旋输送机交界面水流量及水头连续条件得到盾构的渗流场解析解。分别将土舱和螺旋输送机渗流场解析解与数值软件计算结果和试验结果进行对比,结果吻合较好,验证了解的正确性。分析盾构及土层参数对螺旋输送机排土口水流量及水压力的影响,分析结果表明:在螺旋输送机排土口内外水压力差为0的情况下,螺旋输送机内水流量及水压力与刀盘面中心水头近似线性关系;增加螺旋输送机长度和倾角、减小螺旋输送机的直径有利于防止喷涌。基于已有的喷涌研究成果,给出了典型盾构喷涌判别图。通过对盾构喷涌实例进行判别,并与盾构一维解析解的喷涌判别结果进行对比,证明基于本解析解的喷涌判别更为准确。

焦炭矿物质对燃料氮转化及NO异相还原影响机制研究进展

焦炭氮转化及焦炭异相还原NO是燃煤锅炉中含氮组分转化的关键环节,而焦炭中的矿物质对二者有显著催化作用。本文总结实验和量子化学计算相关研究,总结煤种、矿物质分散度、流动性对矿物质催化焦炭氮转化,以及焦炭异相还原NO的影响。综合已有研究,Ca存在形式及分散度都影响HCN和NH_(3)的分布,对NO_(x)生成表现出促进和抑制双重作用。Fe在焦炭异相还原NO的反应中表现出优异的催化性能。关于量化计算,需要探索能够采用更复杂焦炭分子模型并引入元素化合物进行计算的可行方法,系统探究各矿物质之间协同作用,完善矿物质催化作用机理。

纳滤膜深度处理抗生素制药废水的运行条件优化

以抗生素制药废水的二级生化出水为研究对象,采用DK纳滤膜对其进行深度处理。优化了操作压力、pH值、进水流量、温度等操作参数,并考察了增加活性炭预处理对产水水质及膜污染的影响。结果表明,操作压力为1 000 kPa、pH值为6. 0、进水流量为8. 0 L/min是纳滤的最佳操作条件,在此操作条件下,采用纳滤膜深度处理经活性炭预处理后的抗生素制药废水的二级生化出水,TOC基本降至零左右,色度降至零,脱盐率达到31. 51%,产水可回用于原厂生产过程。活性炭预处理可提高膜通量,改善产水水质,有效降低膜污染,运行216 h后,膜通量衰减率可由14. 87%降至10. 30%。