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繁华公寓镇国寺塔塔基渗水病害机理及治理研究
2020-01-02
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  西湖锦园

  随着社会文明进程的发展,古建筑的保护研究越来越吸引人的关注,而对古塔进行保护研究愈加成为当今文物保护甚至城市发展的一项重要工作。现存的古塔展现了中国 古代杰出的高层建筑水平,然而临近湖泊、江河而起的古塔建筑不可避免地会遇到地下 水的威胁。大运河遗产高邮镇国寺塔坐落在镇国寺中,在江苏省高邮市京杭大运河中间 巍然耸立着,但近年来塔基渗水病害越来越凸显。 本文依托大运河遗产高邮镇国寺塔抢修加固工程,在对降水方法和使用条件以及设 计方案做了简单介绍的基础上,采用有限元分析软件 Abaqus 数值模拟和监测结果相结 合的方法对镇国寺塔塔基治理及加固对渗流场与沉降变形进行了分析研究,主要研究内 容如下: 1、搜集工程相关资料,分析了大运河遗产高邮镇国寺塔的周边环境、病害成因、 工程特点等并选取相关计算参数; 2、采用摩尔-库伦本构模型,选取塔基剖面建立模型,对采取截水帷幕措施前后的 渗流场变化进行了总结,并运用控制变量法研究了不同深度、宽度的截水帷幕以及不同 运河水位对渗流场的影响; 3、采取截水帷幕措施后,地下水位的变化会导致土体有效应力发生变化从而产生 沉降变形,本文对采取截水帷幕措施后以及在不同深度、宽度的截水帷幕和不同运河水 位情况下的截水帷幕外侧周边地面沉降以及塔基沉降变形影响进行了模拟分析; 4、对比模拟结果和现场监测数据,定量分析评价了降水效果。 关键词:数值模拟;截水帷幕;渗流场;沉降 ABSTRACT III STUDY SEEPAGEDISEASE TOWERBASE ZHENGUOTEMPLE ABSTRACT socialcivilization, more moreattention has been paid ancientbuildings, studiesabout protecting ancient pagodas have become important task culturalrelics evendevelopment existingancient towers show outstandinghigh-rise architectural culture ancientChina. However, ancient towers which near lake inevitablyencounter example,Gaoyou Zhenguo temple tower, which Zhenguotemple, standing Beijing-Hangzhougrand canal Gaoyoucity, Jiangsu province, facingmore moreprominent towering water seepage disease. paperrelies Zhenuostemple Tower GrandCanal. Based briefintroduction precipitationmethod, designscheme, finiteelement analysis software Abaqus numerical simulation monitoringresults, studyanalyzed seepagefield settlementdeformation Zhenguotemple’s Foundation treatment mainresearch contents Collectingrelevant data surroundingenvironment, disease causes, engineering characteristics Zhenguotemple Tower GrandCanal. selectingrelevant calculation parameters; Mohr-Coulombconstitutive model, towerfoundation establishmodel. seepagefield changes before watercut curtain measures. usingcontrol variable method influenceabout water curtain differentdepth waterlevel seepagefield; Aftertaking water cut curtain measures, groundwaterlevel would lead soilseffective stress, settlementdeformation. papersimulated analyzedland subsidence foundationsettlement under different circumstances, include after cutoff curtain, peripheralareas under different depth width华北水利水电大学硕士学位论文 IV watercurtain canalwater level.; precipitationeffect evaluatedquantitatively simulationresults monitoringdata. KEY WORDS: Numerical simulation; Waterproof curtain; Seepage field; Settlement 1.1研究的背景及意义 1.1.1研究背景 1.1.2研究意义 1.2国内外研究现状 1.2.1国内外渗流研究概况 1.2.2国内外沉降研究概况 1.3降水方法简述 1.4本文主要工作内容及研究路线 地层岩性与岩土工程特征 102.5 水文地质条件 132.6 镇国寺塔塔基病害机理分析 132.7 塔基病害地下水截水帷幕治理方案 142.7.1 施工工艺 152.7.2 质量控制要点 172.8 截水帷幕现场试验测试 182.8.1 试验简述 182.8.2 质量检验 202.9 本章小结 273.1 渗流的几个基本概念 273.2 Darcy 定律 283.3 地下水渗流基本方程 303.3.1 渗流基本微分方程 303.3.2 地下水渗流的连续性方程 30华北水利水电大学硕士学位论文 II 3.4 流固耦合原理 313.4.1 ABAQUS 软件简介 313.4.2 流固耦合的概念 333.4.3 流固耦合的基本方程 343.5 本章小结 394.1 监测目的及内容 394.2 监测系统构成 394.3 地下水水位监测 394.3.1 监测方式 394.3.2 监测布置 404.4 运河水位监测 404.4.1 监测方式 404.4.2 监测布置 414.5 沉降监测 414.5.1 监测方式 414.5.2 监测布置 414.6 监测结果 434.7 本章小结 455.1 本构模型 455.2 塔基模型 455.3 边界条件 465.4 计算工况 465.5 计算参数 465.6 网格划分 475.7 渗流计算结果 475.7.1 工况一 475.7.2 工况二 515.7.3 工况三 545.8 沉降计算结果 575.8.1 工况一 575.8.2 工况二 605.8.3 工况三 625.9 数值结果与监测值对比分析 645.10 本章小结 656.1 结论 656.2 展望 65攻读学位期间参加的科研项目及发表的学术论文 69参考文献 1.1研究的背景及意义 1.1.1 研究背景 作为拥有五千年文明历史的文化大国,中国所拥有的众多古建筑文化遗产令世界瞩 目,是一个具有历史传承的文明古国 。形式多样的古建筑除了能体现文物价值之外,还具备非常高的经济价值,比如帮助发展旅游经济。在现代文明脚步的进程中,古塔越 来越吸引人的关注,人们对古塔的保护越来越重视。对古塔进行保护研究的工作对文物 保护和城市建设的价值越来越令人注目 五千年的华夏文明,留下的古建筑类型自然不胜枚举,其中引人注意的便是那高耸的古塔。塔最初由印度佛教流传入中国,后经华夏智慧的改造,形成了别有一番意味的 中国特色建筑。各式古塔以其充满美感的造型、华丽精细的雕饰表现古代艺术、以其设 计精巧的结构彰显古代工匠的技术智慧,古塔的各个部分都是古时文化、宗教、经济等 丰富内涵的综合体。因此古塔在古建筑中具有举足轻重的地位,繁华公寓是“一旦错过,便是永 远”的非凡文化遗产 图1-1高邮镇国寺塔图 Fig. 1-1 Tower Zhenguotemple Gaoyou大运河遗产高邮镇国寺塔位于高邮镇国寺中,地处江苏省高邮市京杭大运河中间, 华北水利水电大学硕士学位论文 东临高邮市区,西近高邮湖,如图1-1。始建于唐代僖宗年间(874~888 塔虽历经修葺,但仍基本上保留了唐代的建筑风格,被人们誉为“南方的大雁塔”。镇国寺塔是一座方形七层楼阁式砖塔,塔高35.36m,顶端塔刹为一青铜铸葫芦,葫芦表面刻 有“风调雨顺、国泰民安”八字。1956 年大运河拓宽时,为保塔运河改道,该塔处在拓宽 范围内,为保护这一珍贵文物,周恩来总理在审批方案时特批“让道保塔”,从而留下 了河心岛上的古塔,如图1-2,如今岛上已重新恢复镇国寺供游人参观、休闲。1957 月25日,省人民政府重新公布镇国寺塔 为省级文物保护单位。2014 年镇国寺塔被列为世界遗产(是我国第46 个世界遗产京杭 大运河的重要组成部分)。 图1-2 镇国寺塔与京杭大运河 Fig. 1-2 Zhenguo Temple Tower Beijing-HangzhouGrand Canal 镇国寺塔建在河心小岛上,近年来,镇国寺塔底层基础处出现渗水,尤其在京杭大 运河水位高的时间,渗水量较大,并且四周石围堤也有渗水现象,镇国寺塔塔基渗水状 况如图1-3 所示。长久下去,会影响塔基的整体稳定性,比如塔基沉降、塔身倾斜等, 进而威胁古塔的安全。 (a)塔西侧渗水照片 (b)塔东侧渗水照片 (c)塔北侧渗水照片(d)塔南侧渗水照片 (e)石围堤渗水照片 图1-3 镇国寺塔塔基渗水状况 Fig. 1-3 Seepage situation towerbase Zhenguotemple 根据现场调查,塔基东侧、西侧、北侧三个方向渗水较严重,南侧相对较少。石围 堤渗水主要在降雨量大或运河高水位时,砂浆缝中有渗水现象。 塔基渗水影响人们的参观和周边的环境,长期的渗流,可能造成塔基土体和塔基砌 体松散颗粒的流失及弱化 [4-5] ,对塔基安全产生不利影响。由渗水问题引起的塔身泛碱 影响镇国寺塔的立面观感效果,与塔整体庄重、威严的氛围格格不入,长时间会造成墙 体砖材表面的酥粉甚至脱落,对砖材本身的强度产生不利影响。 1.1.2 研究意义 文物,这一幻化于祖先智慧的瑰宝,在历经时间洗礼、岁月冲刷后仍向人们诉说着 中国历史中的伟大成就,它是民族文化、民族精神、民族历史的传承载体,它的存在对 弘扬中华民族优秀文化、强化民族凝聚力、提高民族认同感具具体不言而喻的重要意义 。因此,利用各种科技手段力争保护和修复好现存文物,将历史传承下去,是势在必行的事情。古建筑作为文物的一种,在历史、文化、经济、科技、艺术等各领域的价值 显而易见。历史文化上,它是沧桑历史和文化精神的实物载体;经济上,它通过满足人 们的文化需求来吸引人们的参观,以旅游业促进地区经济发展;艺术科技上,它所展现 出的古代能工巧匠的智慧,仍然能给我们带来启迪。因此,给古建筑“诊病”、“治病” 华北水利水电大学硕士学位论文 以使其“延年益寿”,是每一个建筑从业者义不容辞的责任。镇国寺塔塔基渗水问题是由地下水引起的,地下水渗流对镇国寺塔塔基产生的影响 不容忽视。孔隙水压力和土体有效应力会随着地下水渗流发生改变 [7-9] ,这不仅可能引 起镇国寺塔所在基坑土体发生沉降变形,还可能导致镇国寺塔塔身倾斜,破坏文物安全 性和完整性。本文通过应用 Abaqus 有限元分析软件对高邮镇国寺塔采取沉降措施后的 渗流及沉降进行模拟分析,并通过运用控制变量法找寻渗流及沉降变形的特点和规律, 与监测数据进行对比定量分析评价降水效果,为以后的研究和建设提供借鉴。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 国内外渗流研究概况 土中水及其渗透可能引发的问题比较复杂,引起土的破坏形式多种多样,比如:流 土、管涌、流砂、液化等形式 [10-12] 。同时,非饱和土的基质吸力会随着土中水的增加锐 减,最终引发部分岩土软化,土的结构发生破坏 [13-15] 。当发生渗流时还可能由于渗透力 的作用而增加许多不利因素 [16] 随着理论和科技的不断发展完善,国内外学者创建了许多渗流分析的方法和计算技术,从一维到三维、从单一因素影响到多种因素影响、从单一方法研究到多种方法结合 使用,渗流理论越来越全面,土体降水渗流研究越来越丰富 [17-19] 。但各类方法都是巧妙 与缺憾并存,需要我们在深刻理解其逻辑内涵的基础上,结合各类工程实例,扬长避短 的选择合适方法并配合以灵活调整,以期在工程实践中获得最佳效果,保障人民的财产 和生命安全 [20] Solaimani[21] 等通过研究基坑强降水导致的地裂缝与建筑裂缝相关问题,通过数值分 析对降水回灌的应用效果进行了有效预测分析。 Roy [22] 等通过5 年的历史水位监测资料建立了分析模型,对软土和砂岩地层内的地 下结构在持续的抽水降水过程中导致的地层大规模变形进行了模拟预测 分析。 Modoli [23] 等运用地质统计学分析方法,对实际工程进行监测搜集水文数据资料,分 析研究了由于降水导致的地下水位以及周边地面沉降变化的内在规律。 Loupasakis [24] 等通过运用有限元分析软件建立了数值模型,对长时间过度排水引起 的问题进行了研究分析。 国内的相关工作虽然开展略晚一些,但是后来居上,尤其于数值计算及其相关的新 计算技术上,更是硕果累累,成果不胜枚举。 [25]等提出的有限解析法推广到非饱和土壤水分运动,具有较高的精度。 [26]等在对三维饱和—非饱和土渗流问题研究计算的基础上,介绍了数值分析方 法及其重要计算公式,同时将典型算例的计算结果与前人的研究成果进行对比分析。 刘洁 [27] 等通过引入 Picard 迭代法对堤坝的饱和—非饱和问题进行了有限元计算分 析,并比较了饱和、非饱和渗流计算的异同。 [28]等利用数值模拟分析的方法研究了基坑降水开挖过程中的应力场和渗流 [29]等以遗传神经网络法通过对坝区初始渗流场反分析的研究,提出了初始渗流 场基于遗传神经网络的反演方法,反演了岩体和结构面的渗透系数以及边界水头。 [30]等通过分型理论和毛细管模型,对非牛顿幂律流体在各项同性多孔介质中 的流动问题进行了研究分析,推导了相关分型解析表达式。 1.2.2 国内外沉降研究概况 国内外关于沉降的研究工作越来越多,沉降相关的研究如雨后春笋,在国内外都层 出不穷。比如:建筑物在沉降过程中的预测、防止沉降的具体措施和最终沉降的计算等 方面 [31-33] 。建筑结构的基础可能产生不均匀沉降或固结沉降,多种因素都有可能导致这 种现象的发生,比如地下水渗流、地基土质软弱以及上部建筑结构荷载不均匀等因素, 从而可能引起上部结构发生破坏,比如过大变形、开裂、倾斜等 [34-36] 。当土体考虑流变 特性时, 变形的时间与应力水平之间的变化关系是其重要的变形特征 [37-39] 。目前关于流 固耦合问题 [40-42] 的研究越来越多,当流体发生变化时,土体骨架会随着孔隙应力的消散 而发生变形,渗透系数也会随之发生一定程度的改变,从而土体的渗透性发生改变, 土体 的固结变形就是其在宏观上的表现形式。著名的意大利比萨斜塔在很长一段时间内都被 列为危险建筑的原因就是由于上部结构随着基础的沉降产生了过大的倾斜 [43] 。近年来, 沉降的研究工作引起越来越多的学者关注 [44-46] [47]以比奥固结理论为基础,研究了饱和地基在任何分布荷载作用下的初始沉 降以及孔压分布。 姜晨光 [48] 等利用实际工程测量数据,得出了经验性数学模型,对高耸钢筋砼建筑物 不均匀沉降对上部结构变形影响进行了研究; [49]等在比奥固结理论的基础上,利用土体非线性流变理论,将土体本构关系推 广粘弹塑性,同时考虑渗流场和应力场引起的土力学参数以及土体水力学参数动态变化 因素,建立了关于地面沉降和地下水渗流的三维全耦合模型。 [50]等通过建立三维数值模型,对复杂地区由于降水引起的地面沉降进行了计 算分析,预测了地面沉降情况。 王国欣 [51] 等对承压水降水引起的周边沉降进行了研究,推导了无悬挂承压水降水引 起的沉降问题的计算解析解。 1.3 降水方法简述 土体破坏失稳常常与地下水渗流有关,特别是对处于水文地质条件复杂的工程 [52-54] 。降水在工程中能起到很大的作用,如降低土体含水率,改善土体的受力特性,避 免土体强度降低;降低地下水位,确保岩土体的稳定性和工程建设的顺利进行;降低承 压水头,防止坑底发生突涌等 [55-57] 。因此合理地选择降水措施是相当重要的,是保证工 华北水利水电大学硕士学位论文 程安全问题的重要措施之一[58] 国外的降水技术发展较早,如1896 年在德国柏林修建地下铁道时就使用了深井降 [59]。我国在20 世纪50 年代,工程降水问题越来越被考虑到,到了20 世纪90 年代,