基坑开挖渗流模拟分析★

卞永伟 王志杰

(海南大学土木建筑工程学院，海南 海口 570228)

0 引言

由于我国城市人口密度的不断加大和城市建设的需要，合理的开发与利用地下空间变得更加迫切，而对于基坑工程在大中城市随处可见，基坑工程中的各项工程措施又相互制约，其中任一环节在设计施工中出现问题，都会导致整个工程的失败。在基坑开挖工程中首先要做好工程降水。

对于降水过程中渗流影响前人也做了很多研究，李筱艳[1]利用位移反分析计算渗透系数非线性耦合响应的渗流—应力完全耦合模型参数，从而模拟基坑降水开挖引起的土体变形;基于比奥固结理论、邓肯—张E—μ非线性本构关系和渗透系数非线性耦合响应关系的完全耦合分析模型预测基坑开挖土体变形;骆祖江等[2]采用有限差分法对基坑开挖的三维渗流沉降耦合分析;冯晓腊等[3]将三维水—土耦合模型应用于深基坑降水及其引起地面沉降的计算;但总的来说对基坑渗流影响研究相对甚少，本文在前人已有的基础上，应用Midas gts软件模拟基坑开挖降水过程，研究了基坑开挖过程中是否考虑渗流及不同方向渗透系数变化对基坑变形影响分析。

1 有限元基本方程

考虑土和水的压缩性，符合达西定律的二维非均质各向异性土体渗流，其水头函数所满足的基本方程为:

初始条件为:

边界条件如下:

水头边界:

流量边界:

式中:h=h(x，y，t)——待求水头函数;

kx，ky——以 x，y 轴为主轴方向的渗透系数;

SS=ρg(α +nβ)——单位贮水量;

α，β——土和水的压缩系数;

ρg=γw——水的重度;

Γ1——第一类边界，如上、下游水位边界面和自由渗出面等已知水头边界;

Γ2——不透水边界面和潜流边界面等第二类边界(已知流量边界)。

当不考虑水和土压缩时，SS=0，则式(1)变为:

这就是平面恒定渗流的微分方程，当结合变动的自由面边界情况后，就可解非恒定渗流问题。

2 Midas gts数值模拟

模拟某基坑开挖，长40 m，开挖深度6 m，分四次开挖，每次开挖深度分别为:1 m，2.5 m，4 m，6 m，支撑采用 H 型钢，桩采用直径为0.8 m混凝土桩，具体尺寸如图1所示。划分单元及水头位置见图2，土体具体参数见表1。

图1 基坑平面尺寸图

图2 划分单元及水头位置

表1 土体具体参数

由于重点考虑渗流对基坑开挖影响，考虑两个工况，工况一:考虑渗流影响，工况二:不考虑渗流影响(底部1 m土层设置不透水层)。

图3 第一次开挖坑外土体沉降曲线

图3中当基坑开挖1 m时，基坑考虑渗流沉降曲线与不考虑渗流的沉降曲线一致，说明对于基坑开挖1 m时渗流对基坑外土体沉降无影响;在图4～图6中基坑分别开挖2.5 m，4 m，6 m，都表明基坑考虑渗流沉降曲线大于不考虑渗流的沉降曲线，表2说明考虑渗流对基坑沉降值变化，在第四次开挖中沉降差值最大为－5.9 mm，数值显示基坑开挖越深，渗流对基坑外侧沉降影响越大，而对于发生最大沉降差值位置则趋于平稳，发生在距基坑3.5 m 左右。

图4 第二次开挖坑外土体沉降曲线

图5 第三次开挖坑外土体沉降曲线

图6 第四次开挖坑外土体沉降曲线

表2 考虑渗流与不考虑渗流最大沉降值差值

对于桩水平位移渗流影响相对较小，图7表示随着基坑开挖渗流影响侧移发生最大差值在加大，但是差距幅度并不是很大，对于成层土，以上是考虑kx=ky=2 m/d的渗透系数对基坑的影响，为了进一步分析渗流影响，模拟:工况三(kx=5 m/d＞ky=2 m/d)、工况四(kx=2 m/d＜ky=5 m/d)，如图8，图9所示。

3 结语

1)基坑开挖降水使基坑内外产生地下渗流，且渗流方向指向基坑内部，对基坑的稳定性产生不利影响，由图3～图7得出渗流对基坑外侧土体影响大于对桩身的影响。

图7 桩水平位移曲线

图8 第四次开挖基坑外土体沉降曲线

图9 第四次开挖桩水平位移曲线

2)对于渗透系数较大的成层土体，要多方面考虑渗透系数影响，由图8，图9分析出对于kx＜ky土体，基坑外侧土体沉降影响大于对桩的影响，基坑的稳定性较差，而对于kx＞ky，对基坑相对影响较小，稳定性较好。

3)渗流作用是否有利于围护结构的稳定，与坑内外各土层的厚度、渗透系数和围护结构插入坑底深度等因素有关，因此不仅要在基坑围护结构设计中考虑地下水渗流影响，也要重点考虑对基坑外土体不利的影响。

[1] 李筱艳.基于位移反分析的深基坑渗流场与应力场完全耦合分析[J].岩石力学与工程学报，2004，23(8):1269-1274.

[2] 骆祖江，李 朗，姚天强，等.松散承压含水层地区深基坑降水三维渗流与地面沉降耦合模型[J].岩土工程学报，2006，28(11):1947-1951.

[3] 冯晓腊，熊文林，胡 涛，等.三维水—土耦合模型在深基坑降水计算中的应用[J].岩石力学与工程学报，2005，24(7):1196-1201.

[4] 郑 宏，葛修润，谷先荣，等.关于岩土工程有限元分析中的若干问题[J].岩土力学，1995，16(3):7-12.