基于PLAXIS的深基坑開挖滲流分析

李旭輝

（廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

隨著地鐵技術(shù)的不斷發(fā)展，基坑開挖深度逐漸增加，由此導(dǎo)致地下水問(wèn)題，尤其是在地下水豐富且土層的滲透性強(qiáng)的地區(qū)，對(duì)地下水的控制更為重要。基坑降水施工中，基坑內(nèi)外形成水位差，坑外地下水向坑內(nèi)滲流，使土體應(yīng)力場(chǎng)和滲流場(chǎng)發(fā)生變化，在滲流力作用下可能導(dǎo)致坑內(nèi)出現(xiàn)噴涌和管涌現(xiàn)象，坑外則出現(xiàn)地表及周邊建筑物沉降及圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形增大的情況，進(jìn)而導(dǎo)致工程事故的發(fā)生[1]。本文研究結(jié)合某地鐵車站工程，采用有限元分析軟件PLAXIS建立平面模型，分析了富水砂卵石地層基坑開挖時(shí)考慮地下水滲流作用對(duì)基底隆起，圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形以及地表沉降的影響，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，得到了有益的結(jié)論，可為同類工程提供參考。

1 工程概況

本站基坑埋深約18.0m，車站主體結(jié)構(gòu)長(zhǎng)216m，標(biāo)準(zhǔn)段寬20m，車站為地下兩層框架結(jié)構(gòu)。車站頂板覆土厚約3.12m，車站主體采用明挖法施工，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下800mm連續(xù)墻+內(nèi)支撐形式。

基坑底部主要為透水性強(qiáng)的圓礫及卵石層，且周邊建筑物密集，為保證基坑開挖過(guò)程中，基坑及周邊構(gòu)筑物的安全，基底采用了袖閥管注漿加固措施，車站標(biāo)準(zhǔn)段圍護(hù)結(jié)構(gòu)的斷面形式如圖1所示。

2 計(jì)算原理

法國(guó)工程師達(dá)西（Darcy）進(jìn)行了大量的滲透實(shí)驗(yàn)，得到了層流條件下，土中滲流速度與能量（水頭）損失之間關(guān)系的滲流規(guī)律，即達(dá)西定律（Darcy's Law），建立了如下關(guān)系式：

式（1）中：q為滲透流量；k為反映土的透水性的系數(shù)，相當(dāng)于水力梯度i=1時(shí)的滲流速度；P為試驗(yàn)裝置中土樣的斷面積；h1-h2為水頭差。由式（1）可知，滲透流量q與斷面積P及水頭差h1-h2成正比，與滲流長(zhǎng)度l成反比，且與滲透系數(shù)有關(guān)，達(dá)西實(shí)驗(yàn)認(rèn)為橫截面平均流速等于截面上任一點(diǎn)的滲流速度，引入水力梯度可表示為：

式（2）中：V為滲透流速；H為水頭；L為流線方向水頭面之間的距離。推廣到三維情況，微分形式的達(dá)西定律表示為：

式（3）中：V在笛卡爾坐標(biāo)系中沿x，y，z方向的分量分別為Vx，Vy，Vz，當(dāng)滲流發(fā)生在均勻各項(xiàng)同性介質(zhì)中時(shí)，k是不變的，則有：

對(duì)非均勻各向同性介質(zhì)k=k(x,y,z)依然成立。

3 PLAXIS有限元建模

3.1 計(jì)算模型

采用PLAXIS進(jìn)行數(shù)值模擬，車站基坑是一個(gè)狹長(zhǎng)基坑，在寬度方向上工程地質(zhì)條件差別不大，且?guī)缀螌?duì)稱，采用基坑寬度的一半進(jìn)行平面問(wèn)題計(jì)算，基坑寬度為20m，取其1/2為10m，根據(jù)模擬得到的結(jié)果及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，模型的計(jì)算寬度取3～4倍開挖深度，計(jì)算深度取2～4倍開挖深度，有限元模型的尺寸取60m×45m。根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)情況考慮施工車輛、設(shè)備及材料等，地面超載按20kPa計(jì)算，模型如圖2所示。

3.2 計(jì)算參數(shù)

3.2.1 土體

根據(jù)該車站巖土工程勘察報(bào)告以及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到各土層計(jì)算參數(shù)如表1。

表1 各土層主要計(jì)算參數(shù)

3.2.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)

鋼筋混凝土連續(xù)墻采用線彈性模型用板單元模擬；混凝土內(nèi)撐和鋼支撐都用錨錠桿模擬，具體計(jì)算參數(shù)如表2所示。

表2 圍護(hù)和支撐結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 開挖引起的滲流場(chǎng)分析

當(dāng)基坑內(nèi)地下水位降至坑底以下0.5m，基坑開挖至基坑底部設(shè)計(jì)高程時(shí)，坑內(nèi)外有較大的水位差，當(dāng)考慮地下滲流時(shí)，由降水引起的滲流場(chǎng)如圖3所示。

由圖3可知，砂卵石地層滲透系數(shù)大，當(dāng)基坑內(nèi)外形成水位差時(shí)，地下連續(xù)墻不透水，導(dǎo)致坑外的地下水繞過(guò)地下連續(xù)墻底部向坑內(nèi)滲流，且在地連墻墻腳處滲流速度最大，由此產(chǎn)生的滲流力在基坑外側(cè)方向斜向下指向圍護(hù)結(jié)構(gòu)，在基坑內(nèi)側(cè)產(chǎn)生了向上的滲流力，導(dǎo)致基坑開挖降水過(guò)程中滲流場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)的變化。

4.2 滲流作用對(duì)周邊土體沉降影響分析

計(jì)算選取的斷面為車站中心里程處的斷面，在車站中心里程處的東西側(cè)地表分別布置了6個(gè)地表沉降觀測(cè)點(diǎn)，點(diǎn)號(hào)分別為A017～A022，A049～A054。由于東西兩側(cè)的測(cè)點(diǎn)位置及監(jiān)測(cè)結(jié)果基本一致，在基坑開挖至基坑底面時(shí)，選取A017～A022六個(gè)測(cè)點(diǎn)處的地表沉降監(jiān)測(cè)值與計(jì)算值進(jìn)行比較，如圖4所示。

由圖4中考慮滲流、不考慮滲流兩種不同情況下的計(jì)算值以及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值可以看出，三條沉降曲線的走向基本一致，在遠(yuǎn)離地下連續(xù)墻方向均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，沉降量最大值大致處于墻后9m左右的位置，且考慮滲流條件下沉降值最大為34mm左右，比不考慮滲流條件的最大值27mm增加了近26%。隨著前后距離的增大，3條曲線逐漸趨于緩和。根據(jù)考慮與不考慮滲流兩種情況對(duì)比，滲流作用對(duì)基坑周邊土體沉降影響很大。根據(jù)有效應(yīng)力原理土層中的總應(yīng)力等于有效應(yīng)力加上孔隙水壓力，在坑內(nèi)進(jìn)行降水作業(yè)中，隨著孔隙水壓力的降低，必然會(huì)增加土中的有效應(yīng)力，促使其壓密含水層，導(dǎo)致地表土層的沉降[2]。

4.3 滲流對(duì)基底隆起的影響分析

在開挖至基坑底面后，在基坑中心里程處布置13個(gè)觀測(cè)點(diǎn)觀測(cè)基底隆起量，點(diǎn)號(hào)為L(zhǎng)040～L052。由于數(shù)值模擬采用1/2基坑寬度進(jìn)行模擬，所以采用L040～L046七個(gè)測(cè)點(diǎn)處的監(jiān)測(cè)值和計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比分析，基坑底部隆起的主要原因是基坑開挖過(guò)程就是一個(gè)底部土體卸載過(guò)程，在土體卸載過(guò)程中土體原有的平衡被打破，底部土體回彈。此外，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形對(duì)土體產(chǎn)生的擠壓也是基坑隆起的原因。

由圖5中不考慮滲流、考慮滲流影響下開挖至基底時(shí)基底隆起曲線及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)隆起曲線可知，三條曲線走向大致相同，坑底隆起量隨著墻后距離的增加而增大；不考慮滲流條件下，由于地下連續(xù)墻與土的相互作用，墻后距離近的土體變形較小，考慮滲流條件下由于存在滲流場(chǎng)降低了地下連續(xù)墻與土的相互作用，使墻后土體隆起量較不考慮滲流條件下隆起量大，基坑中部的隆起量為36mm左右，較不考慮滲流條件下的28mm增加了約29%，表明滲流作用對(duì)基底回彈變形影響明顯[3]。

4.4 滲流對(duì)地下連續(xù)墻的水平位移影響分析

地下連續(xù)墻水平位移的監(jiān)測(cè)采用測(cè)斜管監(jiān)測(cè)，在基坑四周每隔20m布置測(cè)量斷面，選取中心里程處的測(cè)量斷面C008，提取水平位移數(shù)據(jù)并與模擬得到的地連墻水平位移計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示。

由圖6可知，三條曲線走向基本一致，地連墻水平位移量在深度方向均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，未考慮滲流耦合時(shí)地連墻最大水平位移量為13.52mm，考慮滲流耦合時(shí)最大水平位移量為18.78mm，增加近38%，考慮滲流與不考慮滲流條件下地連墻底部的位移量分別為1.4mm與7.18mm，底部位移變化量尤為明顯。

由以上分析可知，基坑開挖降水中的滲流作用對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移影響很大，滲流作用增大了圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)土的有效應(yīng)力，減少了圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)土的有效應(yīng)力，離墻體越近的位置滲流速度越快，產(chǎn)生的滲流力在基坑外側(cè)方向斜向下指向圍護(hù)結(jié)構(gòu)，考慮滲流作用下增加了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移量[4]。地表沉降、坑底隆起及地連墻水平位移中現(xiàn)場(chǎng)取得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬得到的計(jì)算結(jié)果比較吻合，驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。在地下水位高且土的透水性強(qiáng)的地層中，進(jìn)行深基坑施工時(shí)采用基底注漿加固是一項(xiàng)有效防止?jié)B流的措施，對(duì)控制地表沉降、坑底隆起及圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移都有較好的效果。

5 結(jié)論

本文依托某地鐵車站工程，利用有限元分析軟件PLAXIS進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)已取得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，得到以下結(jié)論：

（1）深基坑工程在坑內(nèi)進(jìn)行降水過(guò)程中，由于水位差的存在會(huì)形成滲流場(chǎng)，產(chǎn)生的滲流力在基坑外側(cè)方向斜向下指向圍護(hù)結(jié)構(gòu)，在基坑內(nèi)側(cè)產(chǎn)生了向上的滲流力，滲流速度在地連墻附近最大。

（2）地表沉降曲線在考慮滲流與不考慮滲流條件下均呈現(xiàn)拋物線的形狀，最大沉降值發(fā)生位置基本一致，考慮滲流比不考慮滲流條件下，每一點(diǎn)的沉降值都較大，滲流作用對(duì)地表沉降的影響大。

（3）坑底隆起曲線在考慮滲流與不考慮滲流條件下變化趨勢(shì)基本一致，隨著墻后距離的增加而增大，由于地下連續(xù)墻與土的相互作用，兩種條件下地連墻附近坑底隆起量較基坑中心的隆起量小，考慮滲流比不考慮滲流條件下，每一點(diǎn)的隆起量都較大，滲流作用對(duì)坑底隆起的影響大，可以采取基底加固措施防止?jié)B流的影響。

（4）圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移曲線在考慮滲流與不考慮滲流條件下走向基本一致，由于存在滲流場(chǎng)，使圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)的有效應(yīng)力發(fā)生變化，增大了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的作用力，增加了變形量。因此，滲流作用對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響大，應(yīng)適當(dāng)采取加固措施。

（5）現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值形成的曲線與基坑隆起、地表沉降及圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形曲線趨勢(shì)基本一致，由于施工中采用袖閥管進(jìn)行注漿加固，而模擬時(shí)并未考慮，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值曲線中每一點(diǎn)變形量都比模擬計(jì)算得到的曲線小，與實(shí)際工程相符，說(shuō)明基坑加固作為防滲的一項(xiàng)措施，可以有效抑制滲流，從而保證基坑的安全。