降雨作用下的深基坑稳定性数值模拟分析

贺丽平 董建军

(1.太原科技大学，山西 太原 030024； 2.辽宁工程技术大学，辽宁 葫芦岛 125105)



降雨作用下的深基坑稳定性数值模拟分析

贺丽平1董建军2

(1.太原科技大学，山西 太原 030024； 2.辽宁工程技术大学，辽宁 葫芦岛 125105)

以某基坑工程为例，运用FLAC3D软件，对不同降雨入渗深度条件下的基坑工程及降雨条件进行数值模拟，分析了基坑的稳定性，为考虑降雨条件的基坑支护方案设计与施工提供一定的依据。

基坑支护，降雨入渗，稳定性，数值模拟

近年来，城市中的建筑密度随着城市现代化的推进而增大，随着高层建筑的不断兴建，深基坑开挖支护问题日益突出。基坑开挖深度越来越深，开挖环境日益复杂，设计及施工人员经常遇到新的问题及新的挑战，从而使基坑工程的成功率降低。其中突出的问题有：1)方案选择错误；2)实施方案与设计方案不符；3)设计计算错误；4)未进行稳定验算。

在总结前人研究成果的基础上，本文以某基坑工程为背景，运用岩土工程专业软件FLAC3D建立合理的数值模型，模拟基坑降雨前和降雨后的开挖过程，并对不同降雨入渗深度条件下基坑的各个工况进行模拟，通过平衡计算对影响基坑稳定性的几个主要指标如：基坑侧壁水平位移、支护桩的桩身最大弯矩、锚杆的最大轴力等进行了对比分析，并得出一些可供参考的结论。

1 工程概况

基坑开挖深度距室外自然地坪约10.7 m。基坑在开挖之前，先行放坡2.5 m，台宽1.0 m，坡高2.5 m，坡度系数为1.0。另外，坑边存在堆载，其超载类型可简化为均布荷载，超载值为10.0 kPa，作用深度简化为0.0 m，作用宽度为6.0 m，距离坑边3.5 m。基坑内降水最终深度达13 m。

1.1 地质情况

地貌单元为滨海沉积平原，地层成因以冲洪积与滨海沉积为主。各岩土层特征如表1所示。

表1 各岩土层主要参数统计表

1.2 降水方案

场地地下水丰富，地下水位距地表平均1.35 m，主要含水层在第②层中砂及第⑤，⑥层粗砂、砾砂等，③，④层粉质粘土层地下水呈微承压水。

为保证基坑实现干作业施工，必须对该场地进行人工降低地下水。采用无砂混凝土滤管管井降水法，依基坑环行及中间布置降水井，地下水位降至基坑底以下0.5 m，同时满足第二道锚杆的端头在地下水位以上。基坑底四周设碎石盲沟，以排截坡脚少量明水，保证周围建筑物及地下管线的安全。

1.3 支护方案

根据基坑场地情况及地质情况，采用排桩支护。支护桩采用现浇钢筋混凝土桩，混凝土强度等级为C25，桩身纵筋及加强箍筋采用HRB335，箍筋采用HPB235。桩长11.20 m，桩身直径为0.60 m。嵌固深度为3.00 m，桩顶标高为-2.50 m，桩间距为1.20 m。

冠梁也采用钢筋混凝土在现场浇筑，混凝土强度等级为C25，截面形状为矩形，其宽度为0.65 m，高度为0.40 m。

锚杆分两层，第一层锚杆水平间距为1.20 m，竖向间距为4.50 m，入射角15.00°，总长度为15.50 m，锚固段长度为9.00。第二层锚杆水平间距为2.40 m，竖向间距为3.00 m。入射角15.00°，总长度17.00 m，锚固长度为11.00 m。 具体支护方案见图1。

2 数值模拟

2.1 建模参数

利用FLAC3D软件建立计算模型，根据地质条件和开挖深度以及机构单元尺寸确定计算区域尺寸为40 m(长)×3.6 m(宽)×25 m(高)，基坑开挖深度为10.70 m，开挖后，基坑开挖面后侧长19.00 m。

荷载条件：求解过程中需要考虑地表附加荷载的作用、土层自重应力及水压力。根据基坑场地周边条件，基坑坡顶处作用有超载，其值为10 kPa，作用宽度为6 m。初始应力场为考虑重力梯度的自重应力场。由于基坑最终降水深度达到13 m，故13 m以下部分为考虑水力梯度的静水压力场，而13 m以上部分由于进行了降水处理，因此其孔压设置为负值。

边界条件：假定模型底面静止不动，采用固定铰支座；顶部为自由边界；四个侧面在竖直方向没有约束，只限制其水平位移，采用滚动支座，可自由上下滑动产生竖向位移。

2.2 计算结果

降雨量的大小是通过不同降雨入渗深度来考虑的，具体模拟了入渗深度分别为0.5 m，1.0 m，1.5 m，2.0 m，2.5 m，3.0 m，3.5 m，4.0 m，4.5 m，5.0 m，5.64 m 11个不同入渗深度条件下模型的力学响应。图2～图5分别为降雨前、 降雨入渗0.5 m，3.0 m，5.64 m时的土体水平位移云图。

3 稳定性分析

3.1 土体位移

基坑稳定性分析中，土体水平位移是分析的主要对象之一，这是因为基坑侧壁的水平位移如果超过一定范围，基坑就会失稳，甚至发生破坏而影响施工。图6为基坑侧壁最大水平位移随入渗深度的变化曲线。

3.2 桩身弯矩

分析桩身弯矩的变化规律，可以实时把握支护桩所处的受力状态，从而间接考察基坑的稳定状态。桩弯矩的大小反映了桩的受力状态，对比桩身材料的力学参数，就可知道桩是否能够维持稳定。图7为桩身最大弯矩随降雨入渗深度的变化曲线。

3.3 桩的剪力

支护桩在工作中，承受的剪力沿桩身长度是变化的。一般而言，桩上的剪力在基坑底部较大，比较危险，所以文中主要针对降雨前及各个降雨入渗深度条件下处于基坑底部的桩段的剪力进行分析研究，并通过作此桩段上的剪力值随降雨入渗深度变化的曲线来分析其变化规律。图8为基坑底部桩段上的剪力值随降雨入渗深度的变化曲线。

3.4 锚杆轴力

不同降雨条件下锚杆轴力沿长度的分布规律如图9所示。

4 结语

1)降雨条件会对基坑工程的稳定性造成非常不利的影响。它会使基坑侧壁的最大水平位移明显增大，并且随着入渗深度的增加，基坑水平位移也逐渐增大。降雨之后的土体最大水平位移超过了降雨前的3.7倍。2)降雨作用下，基坑侧壁最大水平位移发生在相邻支护桩之间，并且位于基坑侧壁中上部，而非基坑坡顶处。3)降雨条件下，基坑支护体系中的支护桩的桩身最大弯矩及剪力都会比降雨前明显增大，并且随降雨入渗深度的增大呈单调增加趋势。其中各个降雨入渗深度条件下的桩身最大弯矩均超过了降雨前的2倍。而降雨后桩的最大剪力值也都超过降雨前的1.7倍。4)与降雨之前相比，降雨之后锚杆的最大轴力显著增加，各降雨入渗深度条件下锚杆最大轴力都超过了降雨前的2.5倍，并且锚杆最大轴力随降雨入渗深度的增加而增加。5)降雨作用对锚杆长度方向轴力的分布规律影响很小，但其各点轴力值都会随降雨入渗深度的增加而增大。6)由分析可得，在基坑设计及施工过程中不可忽视降雨因素的作用，尤其是对渗透系数较大的基坑土体而言，降雨作用会明显加速基坑失稳的进程。

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[7] JGJ 120—99，建筑基坑支护技术规程[S].

Numerical simulation analysis on deep foundation stability under the action of rainfall

He Liping1Dong Jianjun2

(1.TaiyuanUniversityofScience&Technology,Taiyuan030024,China; 2.LiaoningUniversityofEngineeringTechnology,Huludao125105,China)

Taking the foundation engineering as an example, the paper carries out numerical simulation of foundation engineering and rainfall conditions under different rainfall infiltration conditions by applying FLAC3Dsoftware, and analyzes the foundation stability, which has provided some guidance for foundation support scheme design and construction by taking rainfall condition into consideration.

foundation support, rainfall infiltration, stability, numerical simulation

1009-6825(2016)11-0090-03

2016-01-23

贺丽平(1985- )，女，助理工程师； 董建军(1978- )，男，副教授

TU463

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