流固耦合條件下基坑降水開(kāi)挖力學(xué)機(jī)理研究

1.濟(jì)南華置房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)有限公司，山東 濟(jì)南 250000

2.山東省機(jī)械設(shè)計(jì)研究院，山東 濟(jì)南 250031

近年來(lái)，隨著城市地下空間的不斷利用，越來(lái)越多的地下構(gòu)筑物應(yīng)運(yùn)而生，由于地下結(jié)構(gòu)所處環(huán)境的復(fù)雜性和不確定性，施工過(guò)程中事故頻發(fā)。鑒于此，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家都對(duì)基坑開(kāi)挖進(jìn)行了一定研究。

國(guó)外，Westermann K等[1]提出了一種基礎(chǔ)自動(dòng)化程序新技術(shù)，利用CPRF迭代過(guò)程自動(dòng)化來(lái)替代原有結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到增加基坑穩(wěn)定性和減少建造成本的目的。Ngoc D等[2]利用殘余應(yīng)力模型在考慮基坑尺寸、深度以及各開(kāi)挖應(yīng)力的條件下進(jìn)行回彈變形計(jì)算分析，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與PLAXIS 2D有限元模型進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)殘余應(yīng)力模型結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)更相符，并且能夠預(yù)測(cè)基坑回彈變形規(guī)律。

國(guó)內(nèi)，陳昆等[3]、曾超峰等[4]、鄭剛等[5]以天津市富力響鑼廣域網(wǎng)大型深基坑項(xiàng)目為背景，利用數(shù)值模擬分析與試驗(yàn)檢測(cè)相結(jié)合的方式，研究了兩種情況下基底回彈、支護(hù)結(jié)構(gòu)以及周邊土體變形規(guī)律等結(jié)果的差異性。賈堅(jiān)等[6]、張婧等[7]通過(guò)對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程中主要應(yīng)力變化行徑進(jìn)行分析，指出基坑開(kāi)挖數(shù)值模擬分析考慮土體變形特征的應(yīng)力路徑相關(guān)性和壓硬性的重要性。李濤等[8]、索文斌等[9]以成都地鐵為工程背景，利用顆粒流數(shù)值模擬方法研究了深基坑開(kāi)挖過(guò)程中土拱產(chǎn)生和發(fā)展的微觀機(jī)理?；诖耍恼吕糜邢拊罘周浖﨔LAC 3D對(duì)基坑降水開(kāi)挖施工過(guò)程進(jìn)行模擬，旨在為后續(xù)施工提供一定的參考。

1 工程地質(zhì)

某工程區(qū)地下水位于地下2m處，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)定底層年代及成因，可以將土層分為三層。

（1）填土①層：主要由建筑垃圾和黃土構(gòu)成，結(jié)構(gòu)分布不均勻，并且部分為后來(lái)建造的人工地面結(jié)構(gòu)，該層土厚度為2m。

（2）黏土②層：黃褐色，可塑～可塑偏硬，稍具搖振反應(yīng)，稍有光澤，中等干強(qiáng)度，中等壓縮性，含錳質(zhì)結(jié)合，含量自上而下逐漸增加，頂部一般為10%～15%，底部約為20%～25%，含氧化物條帶，該層土厚度為30m。

（3）全風(fēng)化泥巖③層：紫紅色泥巖夾灰白色、灰黃色、灰綠色泥質(zhì)砂巖，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，以泥巖為主，原巖結(jié)構(gòu)大部分被破壞，風(fēng)化裂隙較為發(fā)育，錘擊聲悶，破壞后呈碎塊狀，遇水易軟化，粉砂巖較泥巖強(qiáng)度高，局部地段見(jiàn)鈣質(zhì)膠結(jié)的砂巖，紫紅色泥巖巖塊用手可折斷或捏碎，粉砂巖較難鉆進(jìn)，泥巖巖芯較完整，砂巖巖芯較破碎。該層土分布全線，厚度為68m。

具體土質(zhì)物理參數(shù)如表1所示。

表1 土質(zhì)物理參數(shù)表

2 數(shù)值模擬

通過(guò)有限元差分軟件FLAC 3D建立了基坑數(shù)值模擬計(jì)算模型，如圖1所示。由于基坑開(kāi)挖過(guò)程中在基坑縱向方向的受力特征相似，此次模擬只截取其中某一區(qū)間來(lái)進(jìn)行模擬分析，從而有效減少模型網(wǎng)格數(shù)量，加快整體模擬計(jì)算速度。根據(jù)模擬計(jì)算邊界影響效應(yīng)，取開(kāi)挖深度3～4倍距離作為基坑邊界到模擬邊界的距離，整個(gè)模型長(zhǎng)200m、高100m、寬10m，由20000個(gè)實(shí)習(xí)單元構(gòu)成。根據(jù)模擬計(jì)算要求，模型地面和左右側(cè)面為固定邊界，模型頂部為自由邊界?；油鈧?cè)土層選用摩爾-庫(kù)倫模型，地連墻結(jié)構(gòu)選用彈性模型。

圖1 基坑數(shù)值模擬計(jì)算模型

3 模擬結(jié)果分析

3.1 基坑豎向位移

基坑開(kāi)挖豎向位移云圖如圖2所示。從圖2中可以看出，基坑開(kāi)挖后，基坑兩側(cè)出現(xiàn)地表沉降，基坑內(nèi)出現(xiàn)坑底隆起現(xiàn)象，這是由于隨著基坑土體的卸載，原有的土體平衡狀態(tài)被打破，在土壓力差作用下土顆粒向基坑下部運(yùn)動(dòng)。而且隨著基坑開(kāi)挖深度的不斷增加，地表沉降值和坑底隆起量也隨之增大。

圖2 基坑開(kāi)挖豎向位移云圖

3.2 基坑水平位移

地連墻側(cè)向位移云圖如圖3所示。從圖3中可以看出，基坑開(kāi)挖后，在兩側(cè)土體擠壓下地連墻向基坑內(nèi)側(cè)發(fā)生側(cè)移，并且隨著深度的增加，地連墻側(cè)移呈現(xiàn)出先增加后減小的變形趨勢(shì)，這是由于隨著深度的不斷增大，兩側(cè)土壓力也隨之增加，地連墻在土體擠壓下產(chǎn)生更大側(cè)向位移。但是隨著深度的進(jìn)一步增大，地連墻入土深度不斷增大直至巖層，由于巖體對(duì)地連墻側(cè)移有限制作用，地連墻側(cè)向位移逐漸變?yōu)榱恪ｋS著基坑開(kāi)挖深度的不斷增加，地連墻側(cè)向位移不斷加大，這是由于隨著開(kāi)挖的深度不斷增加，地連墻需承受的兩側(cè)土體壓力也隨之增加，當(dāng)開(kāi)挖深度達(dá)到設(shè)計(jì)基坑標(biāo)高后，地連墻側(cè)向位移達(dá)到最大值80.6mm，在基坑實(shí)際開(kāi)挖中要不斷對(duì)地連墻側(cè)向位移進(jìn)行檢測(cè)，防止其出現(xiàn)過(guò)大位移造成墻體倒塌。

圖3 地連墻側(cè)移云圖

為了研究不同地下水位對(duì)地連墻側(cè)移的影響，分別繪制了地下水位-2m和-10m條件下地連墻側(cè)向位移曲線圖，如圖4所示。從圖4中可以看出，隨著入土深度的不斷增加，三步開(kāi)挖步下地連墻都呈現(xiàn)出兩頭大、中間小的變形趨勢(shì)，并且地下水位由-2m降低到-10m后，地連墻側(cè)向位移也隨之減小，這是因?yàn)殡S著地下水位降低，基坑內(nèi)外水壓力差也隨之減小，水對(duì)地連墻的側(cè)向擠壓力減小，所以地下水位降低，地連墻側(cè)向位移減小。地下水位降低后，地連墻側(cè)向位移變化規(guī)律沒(méi)有改變，最大側(cè)向位移總是發(fā)生在開(kāi)挖深度的2/3位置處，由此可以判斷地下水位的改變僅對(duì)地連墻側(cè)向位移的大小產(chǎn)生影響，而對(duì)地連墻變形規(guī)律沒(méi)有影響。

圖4 不同地下水位下地連墻側(cè)移曲線圖

4 結(jié)論

（1）基坑降水開(kāi)挖會(huì)引起地表發(fā)生不均勻沉降，這是由于坑內(nèi)土體的卸載使原有的平衡被打破，基坑外側(cè)土體向坑內(nèi)擠壓，使地表發(fā)生沉降。

（2）由于坑內(nèi)土體開(kāi)挖，地連墻失去了原有土體的支撐，在外側(cè)土體的擠壓下，發(fā)生朝著坑內(nèi)方向的側(cè)向位移。隨著深度的增大，地連墻側(cè)向位移呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。

（3）通過(guò)改變?cè)械叵滤凰幍奈恢?，研究地下水位?duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程中各項(xiàng)力學(xué)機(jī)理的影響，發(fā)現(xiàn)隨著地下水位的降低，地連墻側(cè)移減小，地下水改變只會(huì)影響基坑變形的大小，而不會(huì)影響基坑變形分布規(guī)律。