基于流固耦合作用的富水砂卵石地層深基坑變形特性分析

向賢華

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，武漢　430063)

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基于流固耦合作用的富水砂卵石地層深基坑變形特性分析

向賢華

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，武漢430063)

摘要：深基坑事故大多是由于地下水控制失效造成。長沙地區(qū)砂卵石地層透水性好、富水性強(qiáng)、水源補(bǔ)給充沛，地下水的影響更為明顯。研究在富水砂卵石地層中深基坑開挖和水位下降引起的地面沉降、基底滲透穩(wěn)定等影響與變化規(guī)律，具有十分重要的現(xiàn)實意義。對長沙富水砂卵石地層地鐵深基坑降水與開挖施工過程進(jìn)行流固耦合數(shù)值模擬，計算結(jié)果表明，砂卵石地層中基坑開挖引起的地表沉降值與沉降影響范圍更大；最大沉降位置更靠近圍護(hù)結(jié)構(gòu)，沉降曲線表現(xiàn)為較陡；地表沉降速度初期較快，后期較慢；最大滲流力主要分布在連續(xù)墻嵌固深度范圍內(nèi)偏下處。針對長沙富水砂卵石地層深基坑特點，提出注漿封底加固，與地連墻防滲帷幕形成封閉截水的風(fēng)險控制措施與建議。

關(guān)鍵詞：軌道交通；富水砂卵石地層；深基坑；流固耦合；數(shù)值模擬

在深基坑開挖過程中，大幅度降低基坑內(nèi)水位，會引起周邊一定范圍內(nèi)的地表產(chǎn)生沉降，進(jìn)而導(dǎo)致相鄰建筑、管線、道路等設(shè)施下沉、開裂，乃至破壞。同時，隨著基坑內(nèi)水位的下降，坑內(nèi)外的水頭差增大，地下水將在坑內(nèi)外水頭差的作用下發(fā)生滲流，在滲透水流的作用下，土中的細(xì)顆粒在粗顆粒形成的孔隙中懸浮、移動，形成空洞并逐漸擴(kuò)大或流失，引發(fā)流土、管涌等滲透破壞，最終導(dǎo)致地層塌陷、基坑坍塌等事故[1-5]。

對于土體，隨著地下水的滲流，孔隙水壓力變小，有效應(yīng)力增加，土骨架產(chǎn)生壓縮和變形，這種變形反過來又影響了土體本身的滲透性能與滲流狀態(tài)。因此，基坑降水與開挖施工過程中土體內(nèi)滲流場與應(yīng)力場的變化是一個相互作用相互耦合的過程，即滲流場與應(yīng)力場的流固耦合[6-11]。

以長沙富水砂卵石地層地鐵深基坑為背景，利用有限差分程序FLAC3D在流固耦合計算模式下對深基坑開挖引起的變形特性進(jìn)行了數(shù)值計算與分析，對基坑降水與開挖施工過程中引起的地面沉降、滲流壓力、地下連續(xù)墻嵌固深度影響等結(jié)果進(jìn)行了探討，獲得了一些有意義的規(guī)律，可為今后類似工程的設(shè)計與施工提供參考。

1工程背景及實例

1.1長沙地貌及砂卵石地層分布與特點

長沙市地處湘江下游、湘瀏盆地西南緣，是洞庭湖平原和湘中丘陵的過渡地帶。地勢展現(xiàn)為西北和東南高，西南和東北低。最高點岳麓山，海拔約293.5 m，最低點為湘江、瀏陽河、撈刀河畔，海拔約30 m。地貌主要為丘陵和河流階地。長沙地區(qū)地貌分布如圖1所示[12]。

圖1　長沙地區(qū)地貌分布

其中，Ⅰ級階地與Ⅱ級階地由于江河的侵蝕與堆積造成。Ⅰ級階地呈帶狀分布于湘江、瀏陽河和撈刀河兩岸，為沖積物覆蓋、半掩埋階地。Ⅰ級階地軟弱地層廣泛分布，砂層較厚，地下水與江水存在水力聯(lián)系，具有承壓性。Ⅱ級階地呈帶狀沿湘江和瀏陽河分布，為嵌入或基座階地，廣泛分布砂層、圓礫及卵石，具有典型的二元結(jié)構(gòu)，含水量豐富，并受季節(jié)性降水的影響，地下水具有微承壓性。

砂卵石層廣泛分布在Ⅰ級階地及Ⅱ級階地，并受斷裂帶的影響，具有埋藏淺、厚度大、含水量豐富、透水性強(qiáng)的特點。

1.2工程概況

長沙市軌道交通3號線一期工程某地鐵站為地下兩層島式車站，車站總長217.3 m，標(biāo)準(zhǔn)段凈寬21.5 m，頂板覆土約3.0～3.5 m，底板埋深為17.5～18.5 m。車站基坑采用明挖法施工，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻加內(nèi)支撐體系。

車站基坑地處湘江西側(cè)，屬湘江二級階地。場地內(nèi)土層自上而下依次為：雜填土、淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土、細(xì)砂、粗砂、圓礫、卵石?；拥撞恐饕獮橥杆暂^強(qiáng)的砂、礫及卵石等富水含水層。本工程主要土層參數(shù)如表1所示。

表1　土層物理力學(xué)參數(shù)

2流固耦合模型的建立

2.1滲流場與應(yīng)力場耦合方程

基于比奧固結(jié)理論，從連續(xù)介質(zhì)的基本方程出發(fā)，建立能反映孔隙壓力消散與土骨架變形相互關(guān)系的方程[13]。

(1)

式(1)為砂土滲透系數(shù)的半經(jīng)驗半理論公式，e為孔隙比，a和b分別為系數(shù)和指數(shù)，a取值20～30，b取值1.5～2.0。

(2)

式(2)為水位下降和地面超載增加引起的沉降公式，其中Δσ為土的附加應(yīng)力，ES為土體壓縮模量。

(3)

式(3)為由于沉降而產(chǎn)生的孔隙率變化值。v和Δv分別為水位線以下單位面積上的體積以及體積變化量。

(4)

式中，hi為i時段的初始水位值；Δni為i時段因為ΔSi沉降而產(chǎn)生的孔隙率的增量。

2.2三維流固耦合模型求解流程

使用有限元方法對滲透系數(shù)矩陣和水頭矩陣進(jìn)行迭代計算，并根據(jù)有效應(yīng)力原理求解有效應(yīng)力增量，代入滲透系數(shù)分布矩陣并反復(fù)迭代，直至滿足求解精度。三維流固耦合模型計算流程如圖2所示[14]。

圖2　流固耦合模型求解流程

2.3施工過程數(shù)值模擬

利用FLAC3D軟件，使用fish語言編制程序，建立反應(yīng)降水與開挖施工過程的數(shù)值模型，進(jìn)行流固耦合計算。基坑周邊土體視為彈塑性介質(zhì)，本構(gòu)模型采用彈塑性Mohr(摩爾-庫倫)模型，流體模型采用各向同性fl_iso模型。土體加載準(zhǔn)則和塑性流動準(zhǔn)則分別采用線性硬化Druck-Prager準(zhǔn)則和非關(guān)聯(lián)流動準(zhǔn)則[15]。

基坑采用分步施工方式，地下連續(xù)墻嵌固深度10.0 m，視為彈性考慮。地下初始水位為地面以下3.0 m，豎向設(shè)置3道支撐分4步開挖。因為第一道支撐深度僅為1 m，且在基坑初始水位以上，第一步和第二步施工影響合并為一步。具體工況如下：第一步基坑開挖至8.0 m，水位降至9.0 m，第二步基坑開挖至14.0 m，水位降至15.0 m，第三步地下水位降至地面以下19.0 m，基坑開挖至基底18.0 m。

3計算結(jié)果及分析

3.1地表沉降結(jié)果

隨著基坑降水與開挖施工的進(jìn)行，基坑周邊地表逐漸產(chǎn)生沉降。通過程序設(shè)置監(jiān)測點，各施工工況結(jié)束后地表沉降結(jié)果如圖3所示，圖4為地表最終沉降結(jié)果云圖。

圖3　各工況地表沉降曲線

圖4　地表沉降結(jié)果云圖

結(jié)果顯示，地表沉降曲線呈拋物線形狀，沉降影響范圍及沉降值均隨著基坑深度的增加顯著變大，地表最大沉降位移點往基坑外側(cè)移動，地表沉降最大影響范圍約為基坑深度的3.5倍，這比一般的軟弱黏土和中等軟弱黏土基坑2倍左右的影響范圍要大。地表沉降最大值達(dá)48.2 mm。

與軟土地層基坑施工引起的周邊地表沉降相比，砂卵石地層中基坑施工引起的地表沉降值與沉降影響范圍均要大，這是由砂卵石本身低黏聚力、高滲透性的特性決定的。同時，砂卵石層中地表最大沉降位置更靠近圍護(hù)結(jié)構(gòu)，沉降曲線表現(xiàn)為更陡，這是因為砂卵石層黏聚力低，地下連續(xù)墻與土體間的摩擦力較小，制約土體下沉能力弱，因此靠近圍護(hù)結(jié)構(gòu)體處土體沉降量比其他地層基坑大。

圖5　典型測點沉降監(jiān)測曲線

通過FLAC3D在基坑周邊設(shè)置監(jiān)測點，監(jiān)測地表沉降與時間的關(guān)系，如圖5所示。結(jié)果顯示，在基坑施工初期，地表沉降速度非?？欤笃诔两邓俣容^慢。整體而言，砂卵石基坑地表沉降速度在前期快于軟土地層基坑，沉降值較大，后期沉降速度比軟土地層慢，沉降值較小。分析認(rèn)為，降水引起地層壓密導(dǎo)致地面沉降，地層壓密的時間及其延滯效應(yīng)與土體滲透能力密切相關(guān)，砂卵石地層孔隙大，透水能力強(qiáng)，壓密時間短，速度快，而黏性土的壓密時間較長，速度慢。

3.2滲流場分布

隨著基坑降水與開挖，坑外地下水位不斷下降，周邊土體內(nèi)形成一個運(yùn)動滲流場，土體中的孔隙水壓力降低，孔壓分布不均勻，通過流固耦合模擬計算，水位降落后滲流場場速度矢量分布及孔壓云圖如圖6所示。

圖6　流場場速度矢量分布及孔壓云圖

滲流速度矢量分布反映了地下水流流動，坑內(nèi)外存在水頭差，基坑外速度矢量指向基坑內(nèi)。連續(xù)墻附近流失最密，最大值分布在坑角和連續(xù)墻底部之間，所以該區(qū)域最容易產(chǎn)生管涌、流土等破壞。圖6同時看出，滲流主要發(fā)生在4～7層土層中，這是因為4～7層為砂卵石層，滲透性強(qiáng)，第3、4層土分別為淤泥質(zhì)土和粉質(zhì)黏土，滲透性弱。在這種深厚富水砂卵石層中，在連續(xù)降水過程中，坑內(nèi)土體在滲透水流的作用下，砂性土層的細(xì)顆粒在粗顆粒形成的孔隙中移動，并不斷被水流帶走，土體孔隙不斷擴(kuò)大，滲流速度增加，增加了發(fā)生流沙和管涌等風(fēng)險。

3.3滲流壓力分析

滲流壓力是地下水滲流時作用在土體骨架上的力，是動水坡降所引起的，滲流壓力與水力坡度成正比。不同降水與開挖深度時連續(xù)墻背滲流壓力結(jié)果如圖7所示。

圖7　各工況地連墻背滲流壓力

結(jié)果顯示，隨著降水及開挖深度的增加，連續(xù)墻兩側(cè)的水力坡降增大，滲流力最大值分布在連續(xù)墻嵌固深度范圍內(nèi)偏下處，基坑開挖深度愈大，滲流力越大，這也與流速矢量分布一致。

為研究抗?jié)B帷幕深度對防滲的影響，對地下連續(xù)墻嵌固深度分別為5、10、15 m時進(jìn)行滲流壓力計算，如圖8所示。結(jié)果表明，隨著地下連續(xù)墻嵌固深度的增大，地下水滲流路徑增長，水頭損失增大，滲流速度變小，滲流壓力隨著減小。計算同時顯示地下連續(xù)墻長度的增加量與滲流壓力的減小值并不構(gòu)成正比關(guān)系，即：地下連續(xù)墻越長，單位長度地連墻對滲流壓力減小的貢獻(xiàn)越小。

圖8　不同嵌固深度地連墻背滲流壓力

3.4施工風(fēng)險及控制措施

結(jié)合長沙地區(qū)地層分布與特點，富水砂卵石層往往與江河有水力聯(lián)系，水位較高。分析表明，在該地層基坑降水與開挖施工過程中，引起地表沉降值與影響范圍偏大，極有可能對周邊環(huán)境產(chǎn)生破壞影響。同時，由于地下水位過高，砂卵石層黏聚力低，滲透性大，加大了基坑內(nèi)外的水頭差，降低了土體強(qiáng)度，因而發(fā)生流土管涌等滲透破壞的風(fēng)險較大。同時，由于地下水受季節(jié)性降水影響具有微承壓性，地下水的承壓水頭更增加了該地層基坑在雨季施工時發(fā)生滲透破壞的可能。

計算結(jié)果與分析表明，對于本基坑，砂卵石層十分厚，地下水豐富，如采用懸掛式防滲帷幕加基坑內(nèi)降水的方式，地面沉降大，影響范圍廣，極有可能對周邊產(chǎn)生災(zāi)害影響。另外由于降水與開挖施工過程中滲流壓力大，土體黏聚力低，發(fā)生管涌流沙等滲透破壞風(fēng)險非常大。而且地下連續(xù)墻插入深度大，實施比較困難且不經(jīng)濟(jì)。建議采用注漿水平封底，與地連墻防滲帷幕形成封閉截水，封閉滲水通道，從根本上加固土體，能較好解決富水厚砂卵石層中的地下水風(fēng)險。

4結(jié)語

(1)以長沙富水砂卵石地層地鐵深基坑為背景，利用有限差分程序FLAC3D在流固耦合計算模式下對深基坑開挖引起的變形特性進(jìn)行了數(shù)值計算與分析。

(2)結(jié)果顯示，砂卵石地層中基坑降水與開挖引起的地表沉降值與沉降影響范圍均較其他地層大；最大沉降位置更靠近圍護(hù)結(jié)構(gòu)，沉降曲線表現(xiàn)為較陡；地表沉降速度初期較快，后期較慢。

(3)隨著降水及開挖深度的增加，連續(xù)墻兩側(cè)的水力坡降增大，滲流力最大值分布在連續(xù)墻嵌固深度

范圍內(nèi)偏下處；地下連續(xù)墻長度的增加量與滲流壓力的減小值并不構(gòu)成正比關(guān)系。

(4)針對長沙富水砂卵石地層深基坑施工引起的變形特點，提出了相應(yīng)的風(fēng)險控制措施與建議。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬少坤，邵羽，黃艷珍.基于孔隙比和滲透系數(shù)與深度相關(guān)的深基坑開挖變形分析[J].巖土工程學(xué)報，2013，35(S2):940-944.

[2]宋海濱，李剛柱，殷劉帥.深基坑對緊鄰地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道變形的影響性分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2013(3):97-98，101.

[3]何世秀，韓高升，莊心善，等.基坑開挖卸荷土體變形的試驗研究[J].巖土力學(xué)，2003，24(1):17-20.

[4]張保存，董秀竹，鄭剛.近接基坑開挖對既有地鐵結(jié)構(gòu)影響的數(shù)值模擬分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2012(1):59-62.

[5]劉勇，馮志，黃國超，等.北京地鐵工程深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形研究[J].地下空間與工程學(xué)報，2009，5(2):329-335.

[6]叢藹森.多層地基深基坑的滲流穩(wěn)定問題探討[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2009，28(10):2018-2023.

[7]駱祖江，李朗，姚天強(qiáng)，等.松散承壓含水層地區(qū)深基坑降水三維滲流與地面沉降耦合模型[J].巖土工程學(xué)報，2006，28(11):1947-1951.

[8]紀(jì)佑軍，劉建軍，薛強(qiáng).基坑開挖中滲流-應(yīng)力耦合模擬[J].巖土力學(xué)，2007，28(10):630-633.

[9]陳堅，羅強(qiáng)，劉孟適，等.火山渣鐵路路基的滲透穩(wěn)定性研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2014，58(12):14-17.

[10]王春波，丁文其，陳志國，等.超深基坑工程滲流耦合理論研究進(jìn)展[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2014(2):238-245.

[11]黃大中，謝康和，應(yīng)宏偉.滲透各向異性土層中基坑二維穩(wěn)定滲流半解析解[J].浙江大學(xué)學(xué)報：工學(xué)版，2014(10):1802-1808.

[12]彭柏興.長沙地區(qū)水文地質(zhì)特征與抗浮設(shè)防水位的確定[J].城市勘測，2013(2):161-166.

[13]孫陶.無黏性粗粒土滲透系數(shù)的近似計算[J].四川水力發(fā)電，2003(6):29-31.

[14]LIU J C，ZHAO W B，ZAI J M. Research on seepage force influence on one-dimensional consolidation[J]. Geotechnical Special Publication，2006，148(6):203-209.

[15]王韜，韓煊，趙先宇，等.FLAC3D數(shù)值模擬方法及工程應(yīng)用[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2015.

收稿日期：2015-11-03； 修回日期：2015-11-11

作者簡介：向賢華(1977—)，男，高級工程師，2004年畢業(yè)于武漢大學(xué)結(jié)構(gòu)工程專業(yè)，工學(xué)碩士，E-mail：24322711@qq.com。

文章編號：1004-2954(2016)06-0080-04

中圖分類號：U231+.4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.06.017

Analysis of Deep Foundation Pit Deformation Based on Fluid-structure Interaction of Water-abundant Sand and Cobble Layer

XIANG Xian-hua

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.，Ltd.，Wuhan 430063，China)

Abstract：Most deep foundation pit accidents are caused by the failure of groundwater control. Sand and cobble layer in Changsha is characteristic of good water permeability，water rich，abundant water supply with remarkable groundwater impact. Therefore，research on water-abundant sand and cobble layer in deep foundation pit excavation and water level decline caused by ground subsidence，basement permeability stability influence and the changing rules is of great significance. Seepage-stress coupling simulation of deep foundation pit dewatering and excavation of deep foundation pit in the Changsha water-abundant sand and cobble layer is conducted. The results show that the surface subsidence caused by foundation pit excavation in sand and cobble layer and the scope of settlement are very big; the maximum settlement position is closer to the retaining structure and the subsidence curve is steeper; the surface subsidence velocity is fast at initial stage and slow at late stage; the maximum seepage force is mainly distributed in the lower part of the partial solid point embedded in the continuous wall. According to the characteristics of deep foundation pit in Changsha water-abundant sand and cobble layer，risk controlling measures and suggestions are put forward to reinforce by bottom grouting and to form a closed cut-off wall and anti-seepage curtain．

Key words：Rail transit; Water-abundant sand and cobble layer; Deep foundation pit; Seepage-stress coupling; Numerical simulation