土體滲流場與應(yīng)力場耦合作用對深基坑影響分析

李志強(qiáng) 崔中興

摘要：首先介紹了滲流場與應(yīng)力場耦合關(guān)系對深基坑工程的影響，再運用GEO-SLOPE對深基坑進(jìn)行數(shù)值模擬進(jìn)行論證，從而更好地模擬條件，對深基坑工程開挖及支護(hù)數(shù)值模擬研究具有實際意義。

關(guān)鍵詞：滲流場；應(yīng)力場；耦合；深基坑

1 引言

由于在土體中進(jìn)行深基坑工程施工時，大幅度降低基坑及周邊地區(qū)地下水位所形成的坑內(nèi)外巨大的水頭差，使得深基坑開挖區(qū)附近地下水激烈流動[2]。因為土體孔隙中水的大量排出，引起孔隙水應(yīng)力的消散，而總的應(yīng)力是不變的。必然使土體骨架受的荷載增加，也就是有效應(yīng)力增加，有效應(yīng)力增加的必然后果就是土體的固結(jié)，表現(xiàn)為地面的沉降或變形。這實際上就是滲流場耦合作用的過程。[3]因此，在基坑開挖支護(hù)時，需綜合考慮多場耦合分析，預(yù)測在降排水過程中，可能產(chǎn)生的地基及基坑周圍土體的變形。所以說，應(yīng)力場、滲流場等對深基坑的影響是必然的。

2 深基坑耦合作用數(shù)值計算土參數(shù)和邊界條件

基坑的應(yīng)力場與滲流場耦合作用的數(shù)值計算采用 模型模型，再運用Geo-slope中的SEEP/W與SIGMA/W兩種模塊進(jìn)行耦合計算，然后再對其兩種結(jié)果進(jìn)行對比分析。而Geo-slope中的SEEP/W與SIGMA/兩種模塊進(jìn)行耦合計算的原理是，SIGMA/ W模塊的全局變量為應(yīng)變增量，SEEP/ W中的全局變量為孔隙水壓力增量。耦合分析中，孔隙水壓力的計算由SEEP/ W模塊完成，而后將每一時段不同的孔隙水壓力變化作為一種節(jié)點荷載賦于到SIGMA/ W模塊中，在SIGMA/ W模塊中計算每一時段土體中應(yīng)力應(yīng)變的變化，而且滲流場與應(yīng)力場的耦合過程中，應(yīng)力應(yīng)變與孔隙水壓力是同步求解的。

設(shè)某深基坑開挖深度為12 m，寬度為20 m。取對稱軸120 m為水平邊界，沒有流量交換；隔水層埋深為-36 m，初始墻外地下水位于地表。土層結(jié)構(gòu)為埋深0～12 m為粘壤土；12～24 m為砂壤土；24～36m為粉砂。滲透系數(shù)K分別為7.00×10-7m/s，5.83×10-6m/s，9.23×10-6m/s；容重 分別為16 kN/m，18 kN/m，20 kN/m；，彈性模量 分別為4 ，8 ，12 ；泊松比 分別為0.35，0.25，0.20；給水度W分別取0.04，0.06，0.08。設(shè)開挖基坑為三級，各級開挖深度分別為4m，8m和12m。支護(hù)隔滲深度分別考慮三種情況：16m，24m和32m?；优潘疄榭拥酌鳒吓潘?，坑底地下水位為坑底標(biāo)高；初始墻外地下水位于地表，標(biāo)高為36m。內(nèi)排外灌，計算滲流場為定水頭穩(wěn)定流。如以三級開挖所需要的時間分別為15天、15天和20天，計算滲流場為地下水自由表面補給邊界的變水頭穩(wěn)定流。計算區(qū)域用軟件Geo-Slope離散為四邊形單元，剖分結(jié)果如圖1所示，計算滲流場各結(jié)點水頭與滲透等效結(jié)點力。計算時段是從基坑開挖完全后的，對于在基坑底部附加均布荷載是一次性加荷完成以后開始的，計算均采用直接求解法。

對基坑周圍排水邊界設(shè)為上，下、左、右邊界和基坑本身支護(hù)體為不排水邊界，基坑底部為排水邊界，具體如圖1所示。

本深基坑土層簡化為粘壤土、砂壤土和粉砂三層。計算時基坑土層本構(gòu)模型選用線彈性模型。

3 深基坑的滲流場與應(yīng)力場耦合作用計算分析

深基坑最終目的是為了建地下基礎(chǔ)，再在上面建建筑物，這樣必然有建筑物的靜荷載對深基坑底部施加壓力的作用，從而會對深基坑有影響。為使得本例的數(shù)值計算與實際工程相結(jié)合。數(shù)值計算方案是：先不考慮在深基坑加荷載，即模擬開挖中或開挖后的基坑的滲流場與應(yīng)力場耦合作用，對基坑周邊的影響；然后考慮深基坑加荷載后，相當(dāng)于模擬基坑上部建了建筑物后，基坑的滲流場與應(yīng)力場耦合作用對基坑周邊的影響。最后對兩種計算結(jié)果進(jìn)行分析，得出結(jié)論。

3.1 不考慮荷載下深基坑的滲流場與應(yīng)力場耦合作用計算結(jié)果

運用軟件Geo-Slope中的SEEP/W與SIGMA/W兩種模塊進(jìn)行耦合，在不考慮荷載下深基坑的滲流場與應(yīng)力場耦合作用計算結(jié)果數(shù)值模擬。通過計算，可以得到基坑地下水滲流區(qū)域內(nèi)的X及 方向的位移圖、孔隙水壓力變化圖、土層的流速變化趨勢圖、壓水頭分布等，如以下圖2、3、4、5、6所示。

3.2 考慮荷載下深基坑的滲流場與應(yīng)力場耦合作用計算結(jié)果

用軟件Geo-Slope中的SEEP/W與SIGMA/W兩種模塊進(jìn)行耦合，并在考慮荷載下（即對深基坑底部施加垂直向下，大小為100KPa的壓力，施加荷載示意圖6，

對深基坑的滲流場與應(yīng)力場耦合作用計算結(jié)果數(shù)值模擬。計算后得到基坑地下水滲流區(qū)域內(nèi)的X及Y方向的位移圖、孔隙水壓力變化圖、土層的流速變化趨勢圖等，如圖7、8、9、10。

3.3 對兩種情況下的計算結(jié)果對比分析

本數(shù)值模擬在分析深基坑的滲流場與應(yīng)力場耦合作用影響時，不進(jìn)行細(xì)觀數(shù)據(jù)處理或定量分型，只是定性分析得到它們的變化趨勢就可[1]。

兩種情況的結(jié)果圖形分析可獲得以下結(jié)論：

1）在不加荷載和加荷載下，前者的耦合作用會使得基坑出現(xiàn)比后者的耦合作用對基坑下部土層X、Y方向的位移變化都更大些。。

2）由于在基坑底部加荷載，使得土層顆?；ハ鄶D壓，重新排布，從而土體孔隙減小，這樣就影響了土層滲透速度，便知在不加荷載的耦合作用比加荷載的耦合作用下，深基坑土層的滲流速度更大。

3）孔隙水壓力隨荷載的增大而增大。

依據(jù)土體的線彈性本構(gòu)模型，利用STGMA/ W與SFFP/ W模塊的耦合計算分析表明：深基坑底部和周邊的深厚覆蓋土層的水平和垂直位移與土層材料性質(zhì)相吻合。又因Geo-slope線彈性耦合分析收斂速度很快，而且收斂精度很高，在合理的參數(shù)取值的基礎(chǔ)上，可以得到合理的模擬效果。所以說通過對深基坑的數(shù)值計算結(jié)果分析，可知其實際與理論結(jié)果相吻合，表明計算與理論的可行性與適用性。

4 結(jié)論

運用Geo-slope中的SEEP/W與SIGMA/W兩種模塊進(jìn)行耦合，對深基坑在不加荷載和加荷載的兩種情況下的滲流場與應(yīng)力場耦合作用數(shù)值模擬。計算結(jié)果表明，依據(jù)土體滲流場與應(yīng)力場耦合作用對深基坑運用計算分析，可以更好地模擬工程條件，并對深基坑開挖及支護(hù)工程數(shù)值模擬具有研究的實際意義。

參考文獻(xiàn)

[1]崔中興. 基于CT實時觀測的水—巖力學(xué)耦合機(jī)理研究：[博士學(xué)位論文][D].西安：西安理工大學(xué)，2005：5-6

[2]王媛. 多孔介質(zhì)滲流與應(yīng)力的耦合計算方法[J]. 工程勘察，1995（2）：12-14

[3]羅曉輝. 深基坑開挖滲流與應(yīng)力耦合分析[J].工程勘察，1996（6）：86-87

作者簡介：

李志強(qiáng)（1977-），男，工程師，輝固勘探（深圳）有限公司，主要從事巖土邊坡工程、深基坑支護(hù)設(shè)計研究工作。

崔中興（1954-），男，教授，西安理工大學(xué)巖土工程研究所 主要從事水—巖力學(xué)耦合機(jī)理研究。