滲流—應(yīng)力場耦合作用下蘇州工業(yè)園區(qū)某地下車庫基坑的變形分析

摘 要：地下水滲流對基坑變形的影響成為當(dāng)前研究的熱點，以蘇州工業(yè)園區(qū)某地下車庫基坑為例，采用ABAQUS模擬基坑開挖及支護(hù)過程，分析基坑開挖過程中的變形及滲流場規(guī)律。結(jié)果表明：在開挖間歇期的坑外地表沉降量均比同期開挖結(jié)束后的沉降量要小，而基底隆起量比同期開挖結(jié)束后的隆起量要大。每步開挖間歇結(jié)束時，圍護(hù)墻的水平位移有所減小。隨著開挖的進(jìn)行，圍護(hù)墻周圍的水頭等勢線越來越密，地面沉降形狀為下凹的盆地形狀。

關(guān)鍵詞：基坑 滲流-應(yīng)力耦合分析 有限元模擬

中圖分類號：TU43 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）05（b）-0039-04

基坑開挖時，坑內(nèi)外通常存在著水頭差，地下水將在坑內(nèi)外水頭差作用下發(fā)生滲流?；娱_挖過程是地下水滲流與巖土變形動態(tài)耦合的過程。利用滲流-應(yīng)力耦合理論研究開挖過程中地下水的滲流形態(tài)和孔隙水壓力場的分布，分析地下水滲流對基坑穩(wěn)定性的影響具有重要意義。

近幾年來，許多研究者在分析滲流穩(wěn)定問題時，引入了滲流場與應(yīng)力場的關(guān)系，即滲流-應(yīng)力耦合關(guān)系，并在巖土工程的各個領(lǐng)域取得了一定的成果和進(jìn)展，滲流-應(yīng)力耦合問題已成了研究的熱點問題。謝兼量[1]進(jìn)行了滲流應(yīng)力耦合條件下的海堤邊坡穩(wěn)定性研究；賈善坡等[2]進(jìn)行了泥巖隧道施工過程中，滲流場與應(yīng)力場完全耦合的損傷模型研究；張巍等[3]對大型地下洞室群圍巖進(jìn)行了應(yīng)力-損傷-滲流的耦合分析；張媛媛[4]，苗麗等，周建國等[6]在土壩的滲流場與應(yīng)力場的耦合應(yīng)用方面的研究獲得了一些進(jìn)展；王強(qiáng)等[7]，楊永恒[8]，郭娟[9]，周舒威等[10]基于滲流-應(yīng)力耦合對尾礦壩的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究；李筱艷[11]、紀(jì)佑軍等[12]采用滲流-應(yīng)力耦合分析，求解基坑的滲流場以及位移場。

本文結(jié)合蘇州工業(yè)園區(qū)星海街站南北兩側(cè)公共地塊地下車庫項目，利用ABAQU

S有限元軟件進(jìn)行了基坑工程在滲流-應(yīng)力耦合作用下的變形分析，可為基坑工程的設(shè)計和施工提供參考。

1 工程概況和地質(zhì)條件

星海街站南北兩側(cè)公共地塊地下車庫場地，位于蘇州工業(yè)園區(qū)星海街及其以西、蘇華路南北兩側(cè)的公共地塊內(nèi)。項目主要包括綠地、下沉式廣場、地下兩、三層停車場及局部商業(yè)、預(yù)留地下通道，部分地面建（構(gòu)）筑物。地下車庫北基坑北側(cè)5 m為蘇雅路，東側(cè)基坑邊線位于星海街慢車道上，距離建園大廈4～7 m，南側(cè)基坑邊線位于蘇華路慢車道上，西側(cè)較為空曠，現(xiàn)為綠化草坪。南基坑北側(cè)基坑邊線位于蘇華路慢車道上，東側(cè)基坑邊線位于星海街慢車道上，距離星海大廈3～7 m，南側(cè)基坑邊線以南7 m有一近東西走向河道（相門塘），C25孔以南現(xiàn)為在建工地，西側(cè)較為空曠，為綠化草坪。地下室結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架體系，地下室結(jié)構(gòu)底板（無論地下兩層或三層）均處于同一標(biāo)高，地下室結(jié)構(gòu)頂板上部覆土（至自然地面）地下三層處約1.3 m，地下兩層處約3.0 m，基坑深度為自然地面以下約14.5 m。

3 有限元分析

3.1 模型尺寸與計算參數(shù)

2.2 邊界條件

模型左邊界為軸對稱邊界條件，右邊設(shè)置水平方向位移約束，底部邊界設(shè)置水平、豎直方向位移約束。模型右邊界假定孔隙水壓力不發(fā)生變化為定水頭邊界，即水源源不斷地補(bǔ)充，模型底部為不透水邊界，模型左邊界孔隙水壓力隨著降水水頭的變化而變化。

2.3 有限元模擬的實施步驟

3 計算結(jié)果與分析

3.1 降水開挖引起的基坑變形

地下水滲流作用貫穿于基坑工程整個施工過程中，無論是降水階段，還是開挖加撐階段。而基坑的變形主要就是樁體的變形、樁后地面沉降和基坑底部隆起。圖2為二維基坑模型降水開挖過程中的土體沉降變形圖?？梢园l(fā)現(xiàn)：（1）隨著開挖過程的不斷進(jìn)行，樁后地面的沉降量和基坑底部的隆起量都在不斷增加。（2）在考慮滲流作用的情況下，基坑在開挖間歇期的沉降變形值均比同期開挖結(jié)束后的沉降變形值要小，而基坑隆起量卻比同期開挖結(jié)束后的隆起量要大，但兩者的變化量不大。

3.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移

圖3為不同開挖階段圍護(hù)墻的水平位移變化曲線，每步開挖和間歇期的趨勢一致，最大水平位移發(fā)生的位置隨著開挖深度的增大而逐漸下移，與各步開挖面基本保持一致，最終在基坑底面處達(dá)到最大。從圖中還可以看出：（1）隨著開挖深度的增加，墻身下部的位移隨之增大，而頂部位移有減小的趨勢，其最大位移發(fā)生在第三次開挖結(jié)束之后。（2）在每步開挖間歇結(jié)束時圍護(hù)墻的水平位移均有所減小，這是由于超靜孔隙水壓力的消散和滲流造成坑外水壓力的減小，使得墻體的位移有所回落，有利于基坑的穩(wěn)定性。

3.3 基坑底隆起變形

3.4 孔隙水壓力變化

基坑降水開挖引起的滲流場總靜孔隙水壓力如圖5所示，a為地應(yīng)力平衡時的初始孔隙水壓力分布圖，此時孔壓不存在超靜孔壓，孔壓分布和重力場平衡，所以不發(fā)生滲流；b～d為每步開挖結(jié)束時和開挖間歇期結(jié)束時土體中的總靜孔壓的分布圖，由于降水開挖后基坑內(nèi)外產(chǎn)生水頭差變化，開挖卸載也同時在土中產(chǎn)生負(fù)的超靜孔隙水壓力，土中水在重力勢（水頭差）和壓力勢（超靜孔壓）的共同作用下發(fā)生滲流。等勢線從入水邊界到出水邊界逐漸變密集，在圍護(hù)墻底部附近分布最密，隨著開挖的進(jìn)行，圍護(hù)墻周圍的等勢線也是越來越密，水力梯度也就越來越大，故此時地下水的流速也就越大。

3.5 地面沉降

圖6是支護(hù)墻外地面沉降的變化曲線，可以看出，三層基坑開挖引起的地面沉降，從整個變形趨勢來看，它們的形狀都是一個類似于向下凹的盆地形狀，最大沉降量并不是出現(xiàn)在坑壁，而是在離基坑一定距離的地方，再隨著距支護(hù)結(jié)構(gòu)邊緣距離的增加，沉降變形值逐漸減小。所以，在坑外附近有建筑物的情況下，要嚴(yán)格注意地表的沉降，防止產(chǎn)生允許值之外的不均勻沉降而造成嚴(yán)重?fù)p失。

4 結(jié)論

在考慮滲流作用的情況下，基坑在開挖間歇期的坑外地表沉降量均比同期開挖結(jié)束后的沉降量要小，而基底隆起量卻比同期開挖結(jié)束后的隆起量要大。圍護(hù)墻在開挖過程中的最大水平位移發(fā)生的位置隨著開挖深度的增大而逐漸下移，與各步開挖面基本保持一致，最終在基坑底面處達(dá)到最大。而在每步開挖間歇結(jié)束時圍護(hù)墻的水平位移均有所減小。隨著開挖的進(jìn)行，圍護(hù)墻周圍的水頭等勢線越來越密，流速也越來越大。地面沉降形狀為下凹的盆地形狀，最大沉降量不是出現(xiàn)在坑壁，而是離基坑一定距離的地方。

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