樁錨復合支護深基坑變形的流固耦合分析

【摘要】深基坑開挖降水過程中，坑內外壓力差可能引起嚴重的工程事故。本文通過采用滲流應力耦合理論及摩爾庫倫模型，結合某樁錨復合支護深基坑工程實例建立三維有限元模型分析了該深基坑工程的變形情況，并與不考慮耦合的基坑變形情況進行對比，主要包括基坑地表沉降、坑底回彈、側向位移等。結果表明：在兩種不同的有限元模擬條件下基坑變形形態(tài)基本一致；考慮地下水流固耦合分析對基坑變形的影響不容忽視，對實際工程的設計優(yōu)化有一定的參考意義。

【關鍵詞】樁錨復合支護；滲流；流固耦合；變形

1、引言

樁錨支護體系是將受拉桿件的一端固定在開挖基坑的穩(wěn)定地層中，另一端與圍護樁相聯(lián)的基坑支護體系，它是在巖石錨桿理論研究比較成熟的基礎上發(fā)展起來的一種擋土結構，安全經濟的特點使它廣泛應用于邊坡和深基坑支護工程中[1]。目前工程中往往采取基坑降水的方法，來控制地下水影響。單純的應用土壓力原理進行水土合算或水土分算來分析，忽略了土體中水的流動性[2]，往往不考慮孔隙水滲流場與應力場相互作用的影響，為深基坑的穩(wěn)定帶來很多安全隱患。要準確考慮基坑降水引起的滲流與應力的變化，必須進行流固耦合分析。

2、流固耦合計算原理

本文的流固耦合現(xiàn)象為基坑降水開挖過程中應力場與滲流場的相互作用?；油馏w開挖簡化為卸荷條件下卸除側向約束，同時存在地下水滲流固結的變形過程，土體中地下水滲流與固結變形都對基坑圍護墻上土壓力產生影響，利用巖土工程有限元軟件建立分析模型，設立特定水力邊界條件，通過數(shù)值方法模擬“流固耦合”效應來考慮基坑開挖的變形。

3、工程概況

大連某深基坑工程，基坑深10m，長40m，寬20m，地下水位位于地表-3m左右。工程場區(qū)土層自上而下大致分為回填土、風化土、風化巖，土體參數(shù)及選用的材料模型見表1。由于地下水較豐富，圍護墻采用高15m，直徑為1m，凈間距為1m的C30混凝土鉆孔灌注樁和1m寬的止水帷幕。共設2 道錨桿，分別設置在樁頂以下3m和7m處，長度自上而下依次為14.5m、10.0m，傾角分別為33.7°、45°?；硬扇∵吔邓_挖邊支護的分步施工方案，第一步開挖3m，設置第一排錨桿；第二步開挖4m，設置第二排錨桿；第三步開挖3m。第一步至第三步每步開挖之前，均考慮將地下水降到開挖面以下1m。

4、計算模型

為了將流固耦合的結果與不考慮耦合的情況進行對比，本文建立兩個模型，一個是基于總應力法不考慮耦合的降水開挖模型，另一個是考慮流固耦合作用的降水開挖模型。

本工程實例有下面幾個基本假定：

（1）假設含水層是水平的，并且水流服從達西定律[10]。

（2）假定降水一定時間后基坑中心處水位達到要求深度并處于暫時穩(wěn)定狀態(tài)。

（3）忽略降水時非飽和土對滲透效果的影響，模型滲透系數(shù)均采用土層飽和狀態(tài)下的滲透系數(shù)。

開挖前打樁引起的土體原位應力狀態(tài)的改變不予考慮，土體的初始應力假定為靜止土壓力[11]。

5、計算結果分析

本文中流固耦合工況通過考慮開挖基坑的降水變形實現(xiàn)了滲流場和應力場的耦合模擬，包括1個打樁階段、3個降水階段、3個降水變形階段、3個開挖階段共10個主要施工階段；而不考慮流固耦合工況則通過降水后直接開挖實現(xiàn)，包括1個打樁階段、3個降水階段、3個開挖階段共7個主要施工階段。

5.1 基坑水平位移

在各開挖階段，考慮流固耦合作用的基坑壁變形要比不考慮流固耦合作用小，在開挖最終結束時，最大位移減小了5mm。完全流固耦合的滲流方式考慮了基坑內外側水壓，模擬了降水變形施工階段，表現(xiàn)出孔隙水壓力逐漸消散，基坑壁水平位移回彈這一過程，符合實際情況。

5.2 基坑地表沉降

考慮流固耦合時基坑周圍的地表沉降規(guī)律跟不考慮流固耦合時基本一致，都在距離坑壁一定距離處出現(xiàn)最大沉降位移，對于本文的基坑實例，考慮流固耦合時最大沉降位移為12mm，略小于不耦合開挖方式的13mm。每次降水后，基坑的地表沉降位移在坑壁一定距離處會有大幅度的增加，在距坑壁較遠處會有一定的回彈，而受開挖影響的地表豎向位移反而較小，考慮流固耦合情況的基坑開挖詳細的表現(xiàn)了基坑地表沉降變形的主要原因，值得深究。

5.3 基坑坑底隆起

隨著開挖深度的增加，兩種情況的坑底隆起量增加，考慮完全流固耦合時的回彈隆起位移要小于不考慮完全耦合作用的隆起位移，至開挖結束時，最大隆起位移相差3mm左右。兩種情況下坑底土體隆起量在距坑壁較近的范圍內呈近似曲線增大，且曲率較大；在距坑壁較遠處，土體隆起量雖繼續(xù)增加，但增速較緩慢。

結語：

（1）在基坑各步開挖的施工過程中，基坑側壁的最大位移均在基坑的開挖面附近；基坑地表最大沉降位移在距離坑壁一定距離處；坑底土體隆起量在距坑壁較近的范圍內呈近似曲線增大，且曲率較大；在距坑壁較遠處，土體隆起量雖繼續(xù)增加，但增速較緩慢。由本文考慮的兩種情況可知，完全流固耦合的基坑開挖方式減小了上述三種變形位移量，但程度較小，影響較小。

（2）錨桿在自由段軸力均勻分布，為錨固段軸力最大值，錨固段軸力在剛進入錨固段時錨桿軸力減幅較大，在錨固段的近端則是緩慢減小，在錨固段的末端則減小為零。對比本文兩種模擬情況可知，考慮完全流固耦合情況下各排錨桿軸力與不完全流固耦合情況下差別很大，錨桿軸力較小，在同等情況下，最大減小了120kN，說明考慮完全流固耦合情況下，可以進一步優(yōu)化錨桿的設計。

（3）通過耦合和不耦合兩種情況對比知，流固耦合情況下基坑降水開挖能更清晰的表現(xiàn)基坑變形性狀，值得進一步的探討。

參考文獻：

[1]徐勇，楊挺，王心聯(lián).樁錨支護體系在大型深基坑工程中的應用[J].地下工間與工程學報，2006，2（4）：646-649.

[2]張小偉，姚笑青.基坑工程變形的滲流應力耦合分析[J].地下工間與工程學報，2012，8（2）：339-344.

[3]朱彥鵬，任永忠，周勇.基于滲流場-應力場耦合作用下的深基坑降水支護結構的位移研究[J].工程勘察，2012，（7）：32-36.