考慮流-固耦合作用的深基坑變形性狀研究

黃明輝，陳樂意

(南昌航空大學土木建筑學院，江西 南昌 330063)

南昌地區(qū)地質(zhì)特點較為鮮明，其區(qū)域范圍內(nèi)地下水貯存豐富，水位較高，且地層中含有相當深度的砂礫軟弱層[1-3]。由于砂礫地層孔隙大、滲透性高的特點，基坑降水施工過程中土骨架受逐漸增大的有效應(yīng)力作用，直接影響土體固結(jié)沉降，對基坑支護及周邊建筑物安全造成不可估量的損失[4-6]。針對流-固耦合作用下基坑工程支護變形性狀，迄今已有部分學者展開過研究和論述。楊宏等[7]以蘭州地區(qū)紅砂巖地層的某地鐵深基坑工程為例，采用數(shù)值分析方法建立基坑工程降水開挖支護三維模型，通過對支護構(gòu)件及巖土體穩(wěn)定狀態(tài)進行分析，進而得出滲流影響下深基坑變形程度及變形區(qū)域一般規(guī)律。高旭等[8]以武漢地區(qū)某深基坑工程為研究背景，采用現(xiàn)場抽水試驗法對基坑止水帷幕效果進行細致評估，通過編制計算程序以進行降水預測解析計算。由現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與計算結(jié)果對比后表明，降水解析計算結(jié)果可靠程度較高，可為指導基坑工程降水設(shè)計提供參考。毛旭等[9]針對超深基坑管井降水效果不足的情況，介紹了一種坑中坑的接力降水技術(shù)。通過現(xiàn)場施工效果驗明，二級降水效果相較于傳統(tǒng)的一級降水技術(shù)而言具有明顯優(yōu)勢，可以較大程度地增強基坑降水效果，并節(jié)約工程成本。

大量學者的研究結(jié)果與現(xiàn)場經(jīng)驗表明，滲流影響對巖土體穩(wěn)定性擾動較大，不利于工程安全支護[10-11]。因此，本文以南昌富水地層為背景展開分析，考慮地下水作用及工程降水影響，將滲流影響下的基坑開挖模型展開計算分析，并將數(shù)值結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行對比分析，以驗明有限元程序適用性，有助于揭示工程降水下深基坑支護變形的一般特性。

1 工程應(yīng)用實例

1.1 工程概況

本項目基坑為南昌某軌道交通地鐵車站工程，車站基坑工程采用明挖法施工，圍護結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻與內(nèi)支撐相結(jié)合的形式，車站主體設(shè)全外包防水層。經(jīng)建筑場地實地勘察，依據(jù)土體成因與工程性質(zhì)，基坑區(qū)域鉆探深度內(nèi)土體自地表向下主要由雜填土、粉質(zhì)黏土、圓礫、礫砂、強風化泥質(zhì)粉砂巖、中風化泥質(zhì)粉砂巖等幾個地層單元構(gòu)成，且各層砂土均處位于地下水位以下且富水性較好。

本項目分析模型中，設(shè)定地表土體及各土層為均質(zhì)分布，均為各項同性材料，設(shè)定各地層為成層的水平狀分布。有限元分析模型中，土體選取非線性材料3D實體單元模擬，并采納Hardening-Soil[12-13]彈塑性土體本構(gòu)模型參與計算，各土層對應(yīng)力學參數(shù)見表1。

表1 土層物理力學參數(shù)

1.2 支護構(gòu)件材料參數(shù)

為系統(tǒng)研究基坑施工狀態(tài)下土體及圍護結(jié)構(gòu)變形情況，有限元分析中需合理選取材料模型進行運算。由于連續(xù)墻、內(nèi)支撐等支護構(gòu)件剛度相對較大，受力后主要表現(xiàn)為彈性變形，故對基坑支護結(jié)構(gòu)采取彈性材料模型參與計算。其中連續(xù)墻采用2D板單元模擬，混凝土支撐、鋼支撐、混凝土冠梁、鋼圍檁、支撐立柱及立柱樁采用1D梁單元模擬。各支護構(gòu)件的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。

表2 基坑支護模型材料參數(shù)

2 基坑工程有限元模型建立

2.1 模型邊界及有限元網(wǎng)格劃分

本文采用有限元分析軟件MIDAS GTS建立基坑工程數(shù)值模型，因模型限制而難以充分考慮基坑場地土層的半無限空間特性。由理論分析來看，模型邊界范圍取值越廣，則模型精確度越高，有限元計算結(jié)果越趨近于真實解。而在有限元程序中，若模型邊界取值過大，將致使模型計算成本呈幾何倍數(shù)增加，進而導致計算機運算時間、占用內(nèi)存的迅速增長及模型收斂難度增大[14]。故而有限元建模分析時，將基坑場地原來半空間區(qū)域土體簡化至基坑及周邊一定范圍內(nèi)，并在考慮基坑開挖影響范圍的基礎(chǔ)上，需在位移或應(yīng)力變化受施工影響較小的位置處設(shè)定邊界條件。

本項目基坑模型中，設(shè)置重力方向為Z軸向下。邊界條件設(shè)置底部節(jié)點為全約束，限制水平向及豎向自由度，且在模型四側(cè)限制水平向位移。因模型頂部為地表面，其與大氣相連，故設(shè)定為自由面，不對模型頂部節(jié)點的任何自由度進行約束。為研究工程降水對基坑支護安全影響，依據(jù)地下水位高程在模型四周邊界處設(shè)置節(jié)點水頭，并在基坑降水井位置處沿降水井全長設(shè)置壓力水頭零值，以模擬降水井抽水作用。模型考慮坑外機械、車輛等因素對基坑開挖支護影響，取坑外地面超載20 kPa參與有限元分析，超載作用寬度為10 m。設(shè)定沿基坑邊緣2 m范圍內(nèi)禁止堆載。為消除模型邊界效應(yīng)，取模型尺寸為497(長度)×169(寬度)×54(高度)。基坑整體模型及支護結(jié)構(gòu)示意分別見圖1、2。

圖1 基坑開挖支護模型示意

圖2 基坑支護體系局部示意

2.2 有限元分析步驟

開挖降水前后，有限元分析步驟見表3。

表3 考慮工程降水有限元分析步驟

3 有限元結(jié)果分析

3.1 降水前后孔隙水壓力分布影響

經(jīng)計算可得模型初始滲流場下的孔隙水壓力分布等值線見圖3。在基坑進行降水前，地下水運動僅受重力作用，而無水頭差影響，地下水與土層狀態(tài)相對穩(wěn)定。因此孔隙水壓力在水平方向呈層狀分布，并沿豎直方向呈現(xiàn)出明顯線性關(guān)系，其隨著土體深度增加而持續(xù)增大。地下水滲流影響下，模型沿孔壓為零的等值分布線處形成地下水浸潤線，沿浸潤線以上土層中，由于基質(zhì)吸力存在，土體表現(xiàn)為非飽和狀態(tài)，因而孔隙水壓力在該處表現(xiàn)為負值。地下水浸潤線以下土層中，土體呈現(xiàn)為飽和狀態(tài)，基質(zhì)吸力逐漸喪失，土體從非飽和朝向飽和狀態(tài)過度下，孔隙水壓力也由負值逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檎怠?/p>

圖3 初始孔隙水壓力分布示意

對基坑內(nèi)側(cè)抽水穩(wěn)定之后，各地層孔隙水壓力分布見圖4。抽水狀態(tài)下，地下水運動受重力及水頭差共同影響，降水井周邊地下水位降低較快，孔隙水壓力呈現(xiàn)出非均勻分布。由圖中孔隙水壓力等值線分布狀況可知，基坑連續(xù)墻對控制坑內(nèi)、坑外兩側(cè)地下水補給具有明顯作用?？觾?nèi)降水形式下，降水井周邊土體孔隙水壓力降幅較大，兩降水井之間的下部土層孔壓也明顯減小，由于地下連續(xù)墻的強隔水效果，水位面以下土層中，基坑內(nèi)外側(cè)的孔隙水壓力等值線非連續(xù)分布，且在基坑內(nèi)部邊緣處出現(xiàn)折斷、彎曲現(xiàn)象，基坑內(nèi)外兩側(cè)孔隙水壓力在連續(xù)墻附近發(fā)生明顯突變。表明同一深度位置處，基坑內(nèi)外兩側(cè)孔隙水壓力變化幅度較為明顯。隨著與連續(xù)墻水平距離增加，工程降水對坑外稍遠處土體中的地下水狀態(tài)影響較小，孔壓等值線亦逐漸歸于平滑?？拷Ｐ蛢蓚?cè)水頭邊界處，孔隙水壓力等值線近似呈現(xiàn)水平狀態(tài)，表明坑內(nèi)降水對該區(qū)域土層影響較為微弱。

圖4 降水后模型孔隙水壓力分布

3.2 坑外地表沉降差異

地下水運動受水頭差作用，在土顆?？紫吨邪l(fā)生流動而產(chǎn)生動水壓力。由于土層中地下水不斷被疏干，土體有效應(yīng)力增長以及滲透力影響，導致降水范圍內(nèi)土體被進一步壓實固結(jié)。為研究工程降水與無工程降水2種工況下地表沉降規(guī)律，由有限元分析結(jié)果，可得出圖5。由圖5所示的地表土層沉降狀況可知，坑外土層主要沉降影響區(qū)域約為0.77倍的基坑開挖深度，當坑外土體距離基坑側(cè)壁約20 m后，地表土體沉降影響逐漸減小?；邮┕ね戤吅螅油獾乇碜畲蟪两抵禐?4.224 mm，而未考慮工程降水條件下，坑外沉降峰值僅為19.337 mm，二者變化幅度可達20.174 %。當基坑臨近構(gòu)筑物時，應(yīng)考慮工程降水對構(gòu)筑物的不利影響。

a)未考慮降水

b)考慮降水圖5 降水前后坑外地表沉降差異

降水井抽水狀態(tài)下，降水井臨近土體中孔隙水壓力迅速消散，因而土層中形成一定水頭差。在重力及水頭差作用下，降水井周邊土層中地下水朝向降水井方向流動，降水井周邊地下水位隨抽水時間而持續(xù)降低，進而導致坑外地表土體在抽水期間產(chǎn)生沉降。為系統(tǒng)分析工程降水對地表土體沉降影響，分別選取基坑長邊外的2條監(jiān)測線以及短邊外2條監(jiān)測線位置處土體沉降進行研究，揭示圖6所示地表差異性沉降曲線。由圖中數(shù)據(jù)可知，當基坑開挖至設(shè)計深度時，模型在考慮工程降水前后，地表沉降趨勢及沉降槽位置大體相同，但沉降槽峰值卻呈現(xiàn)明顯差異。在所選取6條監(jiān)測線中，考慮降水前后坑外地表最大沉降均位于遠離基坑側(cè)壁7.4 m左右處。各監(jiān)測線處地表土層在考慮降水前后最大沉降值變化幅度分別可達16.992%、19.207%、17.967%、15.663%，由工程降水造成的地層附加沉降幅度平均可達18.562%。

a)DBC6測點處

b)DBC16測點處

c)DBC1測點處

d)DBC38測點處圖6 降水前后坑外地表沉降差異

3.3 坑底土體隆起差異

工程降水作用下，降水井影響范圍內(nèi)，地下水隨著抽水時間而不斷被疏排，作用于土顆粒骨架的有效應(yīng)力增長促進土體進一步固結(jié)沉降。根據(jù)圖7基坑內(nèi)采取工程降水對基坑開挖面土體表現(xiàn)出明顯的壓密作用，基坑考慮工程降水后，坑底土層隆起程度整體減小。考慮降水前，基坑中部土體表層最大隆起值為11.139 mm，而考慮工程降水后，基坑中部開挖面土體的隆起峰值降低至8.055 mm，降幅達到27.687 %。而坑底臨近連續(xù)墻處的部分土體在考慮降水前后，其豎向位移變化與基坑中部土體變化趨勢相似。考慮工程降水前，坑底連續(xù)墻周邊土體最大沉降值為1.588 mm，工程降水后，連續(xù)墻臨近土體沉降峰值增大至3.195 mm，土體沉降的變化幅度達到50.297 %。有限元模型得出坑底土體變化趨勢與工程理論相符合，工程降水對限制坑底土體隆起表現(xiàn)出積極影響。

b)考慮降水圖7 降水前后坑底土體隆起差異

為具體分析考慮降水前后坑底土體在不同截面處壓密影響，在基坑底部開挖面上選取4個典型位置進行分析。由圖8所示4條監(jiān)測位置反饋的計算數(shù)據(jù)來看，工程降水對基坑底部土體位移影響明顯，降水作用下坑底中部位置沉降變化數(shù)值較大，臨近連續(xù)墻兩側(cè)處土體沉降數(shù)值變化較小。由于坑底立柱樁與坑底土體間摩阻力影響，立柱樁施工對被動區(qū)土體而言起到拉錨作用，并對周邊土體起到明顯約束作用。因此，坑底開挖面上，立柱樁周圍土體隆起變形得到有效控制。4條測線位置處地表土層在考慮降水前后最大沉降值變化幅度分別可達33.370 %、31.006 %、34.571 %、31.337 %，由工程降水造成的地層附加沉降幅度平均可達32.571 %。

a)1號監(jiān)測線處

b)2號監(jiān)測線處

c)3號監(jiān)測線處

d)4號監(jiān)測線處圖8 降水前后坑底土體隆起曲線

3.4 內(nèi)支撐體系豎向變形差異

當基坑底部土體向上隆起時，立柱樁及支撐鋼立柱亦隨坑底開挖面土層產(chǎn)生整體向上部分協(xié)同變形。由坑底土體隆起產(chǎn)生上托作用力大于內(nèi)支撐構(gòu)件材料自重時，則與坑底立柱樁、內(nèi)支撐立柱相連接內(nèi)支撐桿件表現(xiàn)為方向向上的變形，進而引起支護結(jié)構(gòu)變形沿豎向呈現(xiàn)差異性分布。而工程降水作用下，坑底開挖面土體隆起得到大幅限制，地下水的疏排對坑底土體亦起到明顯的壓密影響。因此，在圖9中可明顯看出，考慮工程降水后，與鋼立柱相連接的內(nèi)支撐桿件，其豎向隆起程度明顯減小，而與鋼立柱無直接聯(lián)系的內(nèi)支撐桿件則表現(xiàn)為沉降加劇的狀態(tài)。

a)未考慮降水

b)考慮降水圖9 降水前后內(nèi)支撐體系豎向變形差異

根據(jù)圖中數(shù)值大小與云圖分布可知，考慮基坑降水前后，鋼立柱、混凝土立柱樁以及與立柱相連接的內(nèi)支撐桿件，其隆起峰值最大分別可達9.966、6.608 mm，降水影響下的內(nèi)支撐體系隆起峰值減少了3.358 mm，變化幅度為33.695 %。而與鋼立柱無直接聯(lián)系的內(nèi)支撐桿件，在考慮工程降水前后，其最大沉降值分別為3.982、5.878 mm，工程降水促使該部分支撐桿件增大了1.896 mm的附加沉降，其變化幅度達到32.256 %。

3.5 支護構(gòu)件側(cè)向變形差異

連續(xù)墻與內(nèi)支撐構(gòu)件作為基坑支護的主體組成部分，其工程質(zhì)量對基坑工程穩(wěn)定支護起到關(guān)鍵作用。在開挖支護過程中，連續(xù)墻承擔了全部水土壓力及地面超載引起的側(cè)向壓力，并沿水平向傳遞給內(nèi)支撐系統(tǒng)。在基坑開挖至設(shè)計深度后，當未考慮降水井抽水作用時，基坑側(cè)壁僅受基坑外側(cè)土體及地面超載引起的側(cè)向壓力影響。而在考慮基坑內(nèi)部的工程降水后，連續(xù)墻附加變形亦受地下水滲流產(chǎn)生的動水壓力作用，導致連續(xù)墻墻體變形程度的大幅增長(圖10、11)。

a)未考慮降水

b)考慮降水圖10 降水前后連續(xù)墻側(cè)向變形差異

a)未考慮降水

b)考慮降水圖11 降水前后內(nèi)支撐體系側(cè)向變形差異

在圖10、11中可見，考慮工程降水前后，連續(xù)墻變形程度明顯發(fā)生改變。未考慮工程降水時，連續(xù)墻最大側(cè)移量為21.661 mm，而考慮地下水影響時，墻體變形量增加至27.538 mm，即地下水滲流作用對墻體貢獻有5.877 mm的附加變形，變形幅度達到21.342 %。同理，基坑內(nèi)支撐體系作為基坑水平向約束重要構(gòu)件，其位移變化趨勢與連續(xù)墻相同。當未考慮基坑降水時，內(nèi)支撐最大側(cè)移值為21.490 mm，而在考慮地下水滲流影響后，內(nèi)支撐構(gòu)件側(cè)向變形增大至27.529 mm，工程降水使內(nèi)支撐側(cè)向變形增大了6.039 mm，變形增長幅度為21.937 %。

為系統(tǒng)闡述工程降水對基坑支護穩(wěn)定性影響，以連續(xù)墻側(cè)向變形為研究對象，分別選取沿墻身長、短邊不同位置處的4個監(jiān)測點展開分析，并揭示圖12所示墻身側(cè)移的差異性數(shù)值曲線。由圖中各測點處的墻體側(cè)移曲線分布來看，當考慮滲流影響時，連續(xù)墻另外受到坑外動水壓力影響，墻身側(cè)向變形程度明顯加劇，且墻體水平位移的最大發(fā)生位置亦沿樁體腹部向下小幅轉(zhuǎn)移。受基坑坑角效應(yīng)[15-17]影響，距離基坑坑角較近處的支護段墻體，由于其側(cè)向剛度較大，則支護段墻體側(cè)移程度較小，而基坑長邊中部處的支護段墻體，因相對缺乏有效的橫向約束，故其側(cè)向位移程度亦較大。

a)ZQT14測點處

b)ZQT2測點處圖12 降水前后連續(xù)墻側(cè)移差異

c)ZQT17測點處

d)ZQT38測點處續(xù)圖12 降水前后連續(xù)墻側(cè)移差異

以基坑長邊位置的2個監(jiān)測位置、大小端頭井側(cè)的2個監(jiān)測位置數(shù)據(jù)來看，考慮地下水及工程降水影響下，連續(xù)墻體側(cè)移變化明顯。在考慮地下水影響及工程降水作用下，連續(xù)墻支護側(cè)移的平均變化幅度為21.818 %?？梢姡谀喜凰貙又羞M行基坑工程施工，地下水對基坑支護穩(wěn)定影響較大。支護工程在設(shè)計與施工時，應(yīng)合理考慮地下水作用影響，以增強基坑支護整體穩(wěn)定性。

4 計算結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)比對

因工程施工環(huán)境復雜性與巖土體非線性特征，基坑支護變形受溫度與降雨變化、土體流變、施工擾動等外在因素影響，導致基坑實際受力變形狀態(tài)與理論計算值之間具有一定誤差。經(jīng)運算結(jié)果與監(jiān)測反饋數(shù)據(jù)比對分析，匯總見表4。由表中數(shù)據(jù)分析可知，可能因模型設(shè)置坑邊超載按最不利條件考慮，且分析模型未充分考慮到工程施工工藝水平、被動區(qū)與坑外土體加固等原因，導致計算結(jié)果下連續(xù)墻側(cè)移、坑外地層沉降結(jié)果略大于實測變形值。

表4 支護構(gòu)件與地表土層的變形狀況統(tǒng)計

對照連續(xù)墻墻體的水平位移計算結(jié)果來看，有限元計算方法與實測數(shù)據(jù)下的支護構(gòu)件最大側(cè)移始終保持在墻體腹部，墻身變形表現(xiàn)為弓形分布。ZQT2、ZQT14、ZQT17 3個測點處數(shù)值結(jié)果與基坑實測數(shù)據(jù)平均相對誤差為11.006 %。對照坑外地表土體豎向沉降結(jié)果來看，有限元計算方法與實測數(shù)據(jù)下地表土體最大沉降值均在遠離地表一定位置處，出現(xiàn)一定程度沉降槽。DBC6、DBC16 2個測點處有限元結(jié)果與基坑實測數(shù)據(jù)的平均相對誤差為14.451 %。有限元程序計算所得基坑圍護結(jié)構(gòu)與地表變形值相對誤差較小，且計算結(jié)果均小于基坑工程變形預警值，驗明地下連續(xù)墻復合內(nèi)支撐體系的支護效果較好，滿足地鐵基坑支護穩(wěn)定需求。

5 結(jié)語

本文采用有限元分析方法，將滲流影響下基坑開挖模型進行對比研究，分析有地下水時支護構(gòu)件變形與土層位移差異。并把監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)相互對照，研究深基坑涉水支護變形的一般規(guī)律，主要研究結(jié)論如下。

a) 滲流影響下，地層沿孔壓為零的等值分布線處形成浸潤線，沿浸潤線以上土層中，因基質(zhì)吸力存在，表現(xiàn)為非飽和狀態(tài)，孔隙水壓力在該處表現(xiàn)為負值。地下水浸潤線以下土層中，土體呈現(xiàn)為飽和狀態(tài)，土體從非飽和朝向飽和狀態(tài)過度下，土體基質(zhì)吸力逐漸減弱，孔隙水壓力也由負值逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檎怠?/p>

b) 坑內(nèi)降水形式下，降水井周邊土體孔隙水壓力降幅較大，兩降水井之間下部土層孔壓也明顯減小，由于連續(xù)墻自防水效果，基坑兩側(cè)孔隙水壓力在連續(xù)墻兩側(cè)發(fā)生明顯突變。

c) 地下水滲流影響下，連續(xù)墻附加變形亦受地下水滲流產(chǎn)生的水壓力作用，引起連續(xù)墻變形程度大幅增長?？紤]地下水滲流及工程降水前后，連續(xù)墻體變形平均增幅達到21.818 %。

d) 基坑降水狀態(tài)下，坑底土層隆起程度整體減小，基坑中部開挖面土體的隆起量降低幅度達到32.571%，工程降水對基坑開挖面土體表現(xiàn)出明顯的壓密作用。