滲流-應(yīng)力耦合作用下基坑開挖變形性狀分析

孫二小， 趙玉成

(石家莊鐵道大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

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滲流-應(yīng)力耦合作用下基坑開挖變形性狀分析

孫二小， 趙玉成

(石家莊鐵道大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

大量的基坑事故表明，地下水控制失效是引起事故的重要原因之一。以某基坑開挖為工程背景，借助大型有限元軟件Midas-GTS，研究了基坑降水和開挖施工過程中其變形性狀，主要分析了基坑周圍滲流場的分布、基坑周圍地面的沉降、圍護(hù)樁的撓曲變形和基坑底部隆起。計算結(jié)果表明，與未考慮滲流應(yīng)力耦合作用相比較，在考慮滲流應(yīng)力耦合作用下設(shè)計的基坑更偏于安全。

滲流應(yīng)力耦合；降水開挖；基坑變形；Midas-GTS

0 引言

基坑開挖過程中，如果施工地區(qū)的地下水位較高，將涉及地下水對基坑施工的影響這一問題。為保證基坑工程開挖，地下主體結(jié)構(gòu)施工正常進(jìn)行和地基土強(qiáng)度免遭損失，當(dāng)開挖面低于地下水位時，需采取降水措施。然而，工程實踐中往往很少考慮降水對基坑變形的作用，從而發(fā)生了不少由于地下水處理不當(dāng)而導(dǎo)致的工程事故。例如：地下水控制不當(dāng)可能引起地層隆起、管涌、流沙、基坑坍塌以及周圍建筑物的沉降、傾斜和倒塌。但是現(xiàn)有的相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的基坑工程的設(shè)計方法忽略了土體中地下水在水頭差作用下的流動，從而未考慮土體孔隙中滲流場的變化[1]。而地下水的滲流問題實際上是一個液體滲流與土骨架變形動態(tài)耦合作用極強(qiáng)的過程，地下水滲流與開挖應(yīng)力狀態(tài)相互影響，即滲流場與應(yīng)力場的耦合[2]。大量的研究和實踐表明，進(jìn)行耦合分析的研究是必要的。為此，本文以某基坑為工程背景，借助有限元軟件Midas-GTS，并考慮基坑的降水和開挖工序等因素，建立了基坑降水開挖的二維模型，分析了基坑變形的特征和其周圍滲流場的變化，希望能優(yōu)化和指導(dǎo)受地下水滲流影響的基坑設(shè)計施工。

1 滲流場與應(yīng)力場的耦合關(guān)系

地下水的滲流會引起土骨架的變形，而土骨架的變形導(dǎo)致土體孔隙體積的改變，從而反過來影響滲流。這種滲流場和應(yīng)力場的耦合關(guān)系可用以下方程組表示[2]

(1)

(2)

(3)

式中，k為土的滲透系數(shù)；a為系數(shù)，約為20～30；b為指數(shù)，為1.5～2.0；ni,ni+1為i和i+1計算時段的孔隙率；Δni為i時段由于ΔSi沉降而產(chǎn)生的孔隙率的增量，為負(fù)值；hi為i時段初的水位值；Δσ為土的附加應(yīng)力；Es為土的壓縮模量。

2 Midas-GTS數(shù)值模擬

圖1 基坑平面尺寸圖(單位：m)

基坑開挖寬度為10 m，開挖深度為5 m。基坑開挖的平面影響區(qū)為距基坑邊緣2～3倍的開挖深度，豎向影響深度為2～3倍的開挖深度[3]。所以模擬模型的尺寸選為寬40 m，高12 m，分4次開挖，每次開挖深度分別為：1 m，2.5 m，4 m，5 m，每層開挖前采用井點(diǎn)降水，每層降水深度都為低于開挖面0.5 m。樁采用直徑為0.8 m的混凝土樁，樁長為10 m。支撐H型鋼，采用3道支撐，支撐點(diǎn)在開挖面以上0.5 m處。具體尺寸如圖1所示，劃分單元與水頭位置見圖2，各土層的具體參數(shù)見表1。

圖2 劃分單及水頭位置

表1 各土層的具體參數(shù)

土層彈性模量/MPa泊松比容重/(kN·m3)滲流系數(shù)/(m·d-1)粘聚力/(kN·m2)內(nèi)摩擦角/(°)190．35180．112262290．3319123133000．3200．055535

3 基坑開挖變形及其周圍滲流場分析

基坑開挖變形主要包括3部分：基坑周圍地面沉降、支擋結(jié)構(gòu)水平位移和基坑底部隆起。以下依次介紹其變形性狀。

圖3 各層開挖后基坑周圍地面沉降

3.1 基坑周圍地面沉降

各層開挖后基坑周圍地面沉降曲線如圖3所示。由圖3可得以下結(jié)論：

(1)基坑周圍土體沉降曲線均呈兩頭小，中間大的下凹的形狀，且最大沉降量并非在基坑邊緣，而是在距基坑邊緣3～4 m的位置。

(2)隨著土層的開挖，最大沉降量增大，且最大沉降的位置向外移動。主要原因是隨著基坑開挖面的下降，對地表的影響范圍也相應(yīng)增大，帶動最大沉降位置外移。

(3)在距基坑邊緣2倍的開挖深度距離以外，地表的沉降量很小，可知基坑開挖主要影響區(qū)為距基坑邊緣2～3倍的開挖深度范圍內(nèi)。

圖4為考慮與未考慮滲流應(yīng)力耦合作用地面沉降曲線以及工程實際監(jiān)測數(shù)據(jù)，由圖4可得：

(1)考慮與未考慮滲流應(yīng)力耦合作用地面沉降曲線形狀類似，但是考慮滲流應(yīng)力耦合作用的地面最大沉降值比不考慮滲流應(yīng)力耦合作用的大30%左右。主要原因是基坑開挖會引起地下水的流動，土體在滲流力的作用下會發(fā)生沉降。

(2)考慮滲流應(yīng)力耦合作用的地面最大沉降位置比不考慮滲流應(yīng)力耦合作用的位置距基坑邊緣近。分析主要原因是基坑降水會與周圍地下水形成水頭差，從而基坑周圍的地下水會流向基坑，而在止水帷幕的阻擋下會在基坑邊緣附近形成較大的豎向滲透力，從而引起較大的沉降。

(3)與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)相比較，考慮滲流應(yīng)力耦合作用情況下的地面沉降更接近于實際，設(shè)計時更偏于安全。

3.2 圍護(hù)樁的水平位移

各層開挖后圍護(hù)樁的水平位移曲線圖如圖5所示。由圖5可知：

圖4 不同工況下地面沉降

圖5 各層開挖后圍護(hù)樁的水平位移

圖6 不同工況下圍護(hù)樁的水平位移

(1)除第1層開挖外，每層開挖后圍護(hù)樁的變形曲均呈兩頭小，中間大的形狀，主要原因是存在支撐作用。而第1層開挖完成后，圍護(hù)樁的最大位移是在樁頂處，這是由于此時圍護(hù)樁呈懸臂狀態(tài)，即使開挖深度小，也會引起較大的樁頂位移。

(2)圍護(hù)樁的水平位移隨著開挖深度的增大而增大，最大位移位置也相應(yīng)的下移，且最大位移點(diǎn)均在開挖面附近。

圖6為考慮與未考慮滲流應(yīng)力耦合作用圍護(hù)樁的水平位移曲線以及工程實際監(jiān)測數(shù)據(jù)，由圖6可得：考慮滲流應(yīng)力耦合作用圍護(hù)樁的水平位移比不考慮滲流應(yīng)力耦合作用的值要大。主要是因為止水帷幕不透水，坑內(nèi)外水頭差產(chǎn)生的滲透力作用在止水帷幕上，并且一部分傳給圍護(hù)樁而增大了樁的位移。由圖6還可得出考慮滲流應(yīng)力耦合作用下圍護(hù)樁的水平位移更接近于實際位移。

3.3 基坑坑底隆起變形

基坑底部的隆起應(yīng)包括3大部分：開挖釋放荷載的土體卸載回彈、支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移對基坑坑底土體的擠壓和向上作用的滲透力[4]。考慮與未考慮滲流應(yīng)力耦合作用坑底隆起曲線以及工程實際監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖7所示，可得以下結(jié)論：

圖7 不同工況下坑底隆起曲線

(1)考慮滲流應(yīng)力耦合作用基坑坑底隆起量比不考慮滲流應(yīng)力耦合作用的值要大。分析主要原因是基坑內(nèi)外水頭差引起基坑內(nèi)部向上的滲透力，從而引起較大的坑底隆起。

(2)在未考慮滲流應(yīng)力耦合作用情況下，基坑中心的隆起量最大，而在考慮滲流應(yīng)力耦合作用情況下，坑底最大隆起量不再在中心，而是在靠近圍護(hù)樁附近。主要原因是此處滲透力的影響較大。

(3)考慮滲流應(yīng)力耦合作用基坑坑底隆與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)較為接近，按此設(shè)計更偏于安全。

3.4 基坑周圍滲流場的分布

圖8基坑縱斷面滲流場分布。由圖8可知：在靠近圍護(hù)樁附近，由于止水帷幕不透水，使得基坑周圍滲流主要沿豎向方向，且在樁底處滲流速度最大，而當(dāng)滲透力足夠大時有可能引起滲透破壞。因此基坑施工時應(yīng)采取適當(dāng)?shù)拇胧┙档痛颂幍臐B流速度。例如較深圍護(hù)樁的入土深度。

圖8 基坑縱斷面滲流場分布

4 結(jié)論

(1)基于滲流應(yīng)力耦合理論，對基坑降水開挖的流固耦合效應(yīng)進(jìn)行了研究。以某基坑開挖為背景，借助有限元軟件Midas-GTS對其降水開挖過程進(jìn)行了數(shù)值模擬計算。

(2)主要分析了在考慮滲流應(yīng)力耦合作用下基坑的變形性狀?？偨Y(jié)了隨著基坑的降水開挖，基坑周圍土體沉降的變化規(guī)律、圍護(hù)樁的水平位移的變化規(guī)律、基坑坑底隆起的規(guī)律和基坑周圍滲流場的分布規(guī)律。具有為基坑的設(shè)計施工提供參考的價值。

(3)考慮滲流應(yīng)力耦合作用得到的基坑變形值較不考慮基坑滲流應(yīng)力耦合作用得到的大。因此，考慮滲流應(yīng)力耦合作用設(shè)計的基坑是偏于安全的，設(shè)計時不應(yīng)忽略地下水滲流對基坑變形和周圍環(huán)境的影響。

[1]張小偉，姚笑青.基坑工程變形的滲透應(yīng)力耦合有限元分析[J].地下空間與工程學(xué)報，2012,8(2)：339-344.

[2] 顏勇.地鐵深基坑滲流應(yīng)力耦合研究[J].鐵道工程學(xué)報,2011(6):92-97.

[3] 熊智彪.建筑基坑支護(hù)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

[4] 平陽，白世偉，徐燕萍.深基坑工程滲流—應(yīng)力耦合分析數(shù)值模擬研究[J].巖土力學(xué)，2001,3(1):37-41.

Numerical Analysis of Deep Foundation Pit Deformation Considering Coupled Hydromechanical Effects

Sun Erxiao, Zhao Yucheng

(Traffic Engineering School, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China)

A large number of pit accidents show that failing in controlling groundwater is one of the important causes of the accidents. Combining with an engineering background, with the large-scale finite element software Midas-GTS, this paper mainly discusses the deformations by considering rainfall and excavation of foundation pit, including the distribution of Seepage field around the pit, ground subsidence around the pit, the deflection of piles and the uplift of excavation face. The results show that the design of foundation pit is safer when considering coupled hydromechanical effects.

Coupled hydromechanical effects; precipitation excavation; deformation

2014-12-15 責(zé)任編輯:劉憲福

10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2015.04.09

孫二小(1990-)，男，碩士研究生，研究方向為城市地下空間開發(fā)與利用。E-mail：601555755@qq.com

TU433

A

2095-0373(2015)04-0048-05

孫二小，趙玉成.滲流-應(yīng)力耦合作用下基坑開挖變形性狀分析[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2015,28(4):48-52.