长江三角洲地区分布有复杂巨厚的第四纪松散沉积层,地下水位高,深基坑开挖降水幅度大,由此引发的地面沉降问题极为显著。本文以比奥固结理论为基础,将地下水渗流场与土体应力场相耦合,建立了基坑降水与地面沉降全耦合模型,应用有限单元法推导了其空间八节点六面体等参元的有限元离散方程。该模型考虑了自由面边界、流量边界、基坑围护连续墙、井边界、土体非线性特性、土的渗透性随应力状态的变化。接着将该模型的整个求解过程编制成了计算机程序,形成了计算机模型。 该成果最终应用于上海环球金融中心基坑降水工程和上海地铁4号线董家渡隧道修复基坑降水工程的模拟预测,其预测结果经后续工程验证正确可靠。由此可以得出以下结论: (1)本文建立的深基坑降水与地面沉降三维耦合模型,可一次性同时求解出地下水位和土体变形位移量,能应用于实际工程。 (2)考虑土体的非线性特征及渗透性与应力之间的相互影响,应用增量切线刚度法求解弹塑性问题,使得对土体变形过程的刻画更切合实际,能够提高模型的计算精度和收敛速度。 (3)在固定网格复合单元渗透矩阵调整法的基础上,对自由面边界条件求解提出了改进的复合单元渗透矩阵调整法,将自由面单元分为干湿单元以及过渡单元,对于自由面穿越的过渡单元采用双参数罚函数法,解决了在高斯点附近解易出现振荡、稳定性不好的缺点。 (4)在现有对井数值模拟方法评价基础之上,引入排水子结构方法,并将其应用于基坑降水与地面沉降耦合数值模拟中,以高效、精细、定量分析基坑降水复杂渗流场中的井问题。