桩锚复合支护深基坑变形的流固耦合分析

周连伟

（大连市市政设计研究院有限责任公司,辽宁 大连 116011）

桩锚复合支护深基坑变形的流固耦合分析

周连伟

（大连市市政设计研究院有限责任公司,辽宁 大连 116011）

深基坑开挖降水过程中,坑内外压力差可能引起严重的工程事故。通过有限元软件MIDAS/GTS,采用渗流应力耦合理论及摩尔库伦模型,结合某桩锚复合支护深基坑工程实例建立三维有限元模型分析了该深基坑工程的变形情况,并与不考虑耦合的基坑变形情况进行对比,主要包括锚杆轴力图、桩剪力图与弯矩图、基坑地表沉降、坑底回弹、侧向位移等。结果表明:在两种不同的有限元模拟条件下基坑变形形态基本一致；总的来说,流固耦合分析引起的基坑变形小于不考虑耦合分析的基坑变形,支护结构的受力变形也较小,更接近实际情况。考虑地下水流固耦合分析对基坑变形的影响不容忽视,对实际工程的设计优化有一定的参考意义。

桩锚复合支护；渗流；流固耦合；变形

0 引言

桩锚支护体系是将受拉杆件的一端固定在开挖基坑的稳定地层中,另一端与围护桩相联的基坑支护体系,它是在岩石锚杆理论研究比较成熟的基础上发展起来的一种挡土结构,安全经济的特点使它广泛应用于边坡和深基坑支护工程中[1]。随着地下空间的大力开发,基坑工程向着大、深、广的方向发展,工程实践往往遇到地下水问题,很多工程事故都是对地下水考虑不周引起的。目前工程中往往采取基坑降水的方法,来控制地下水影响。单纯的应用土压力原理进行水土合算或水土分算来分析,忽略了土体中水的流动性[2],往往不考虑孔隙水渗流场与应力场相互作用的影响,为深基坑的稳定带来很多安全隐患。

要准确考虑基坑降水引起的渗流与应力的变化,必须进行流固耦合分析。本文以大连某桩锚复合支护深基坑工程为背景,运用MIDAS/GTS软件,采用数值方法分析深基坑在渗流应力耦合情况下的受力状态和变形,并与不考虑耦合的深基坑变形作对比,得出预期结论。

1 流固耦合计算原理

流固耦合力学的重要特征是两相介质之间的相互作用,变形固体在流体载荷作用下会产生变形或运动。变形或运动又反过来影响流体运动,从而改变流体载荷的分布和大小,正是这种相互作用将在不同条件下产生形形色色的流固耦合现象[8]。

本文的流固耦合现象为基坑降水开挖过程中应力场与渗流场的相互作用。基坑土体开挖简化为卸荷条件下卸除侧向约束,同时存在地下水渗流固结的变形过程,土体中地下水渗流与固结变形都对基坑围护墙上土压力产生影响,利用岩土工程有限元软件建立分析模型,设立特定水力边界条件,通过数值方法模拟“流固耦合”效应来考虑基坑开挖的变形。

2 工程概况

大连某深基坑工程,基坑深10 m,长40 m,宽20 m,地下水位位于地表-3 m左右。工程场区土层自上而下大致分为回填土、风化土、风化岩,土体参数及选用的材料模型见表1。由于地下水较丰富,围护墙采用高15 m,直径为1 m,净间距为1 m的C30混凝土钻孔灌注桩和1 m宽的止水帷幕。共设2道锚杆,分别设置在桩顶以下3 m和7 m处,长度自上而下依次为14.5 m、10.0 m,倾角分别为33.7°、45°。基坑采取边降水开挖边支护的分步施工方案,第一步开挖3 m,设置第一排锚杆；第二步开挖4 m,设置第二排锚杆；第三步开挖3 m。第一步至第三步每步开挖之前,均考虑将地下水降到开挖面以下1 m。因MIDAS/GTS计算单元有限,三维有限元模型水平向（X方向）取80 m,纵向（Y方向）取8 m,竖向（Z方向）取30 m,进行数值模拟,二维几何模型及计算模型见图1、图2。岩土体参数及支护材料模型见表1。

表1 岩土体参数及支护材料模型

图1 二维几何模型（单位:mm）

图2 计算模型

3 计算模型

土工程通常采用的土体弹塑性本构模型有M-C模型和D-P模型,二者都考虑了静水压力对屈服强度的影响,本文采用M-C模型模拟土体。

本工程实例有下面几个基本假定:

（1）假设含水层是水平的,并且水流服从达西定律[10]。

（2）假定降水一定时间后基坑中心处水位达到要求深度并处于暂时稳定状态。

（3）忽略降水时非饱和土对渗透效果的影响,模型渗透系数均采用土层饱和状态下的渗透系数。

开挖前打桩引起的土体原位应力状态的改变不予考虑,土体的初始应力假定为静止土压力[11]。

4 计算结果分析

按照实际施工顺序,分3步模拟基坑开挖的施工过程,MIDAS通过激活和钝化土体单元及增加结构支护单元来模拟开挖和支护,并通过定义各施工阶段,形成完整的施工工况,再对整体工况进行分析,得出计算结果。本文中流固耦合工况通过考虑开挖基坑的降水变形实现了渗流场和应力场的耦合模拟,包括1个打桩阶段、3个降水阶段、3个降水变形阶段、3个开挖阶段共10个主要施工阶段；而不考虑流固耦合工况则通过降水后直接开挖实现,包括1个打桩阶段、3个降水阶段、3个开挖阶段共7个主要施工阶段。两种情况的计算位移结果见图3。

图3 位移云图

4.1 基坑水平位移

图4分别给出了两种情况下各施工阶段基坑壁水平位移有限元计算结果。从图中可以看出,两种情况变形曲线的形状基本一致,在各步开挖的施工阶段中,基坑侧壁的最大位移均在基坑的开挖面附近。在各开挖阶段,考虑流固耦合作用的基坑壁变形要比不考虑流固耦合作用小,在开挖最终结束时,最大位移减小了5 mm。从图4（a）可知,完全流固耦合的渗流方式考虑了基坑内外侧水压,模拟了降水变形施工阶段,表现出孔隙水压力逐渐消散,基坑壁水平位移回弹这一过程,符合实际情况。

图4 基坑壁的水平位移

图5分别给出了两种情况下各施工阶段基坑地表沉降有限元计算结果。对比图5（a）、（b）可以看出,考虑流固耦合时基坑周围的地表沉降规律跟不考虑流固耦合时基本一致,都在距离坑壁一定距离处出现最大沉降位移,对于本文的基坑实例,考虑流固耦合时最大沉降位移为12 mm,略小于不耦合开挖方式的13 mm。由图5（a）知,每次降水后,基坑的地表沉降位移在坑壁一定距离处会有大幅度的增加,在距坑壁较远处会有一定的回弹,而受开挖影响的地表竖向位移反而较小,考虑流固耦合情况的基坑开挖详细的表现了基坑地表沉降变形的主要原因,值得深究。

4.3 基坑坑底隆起

对比图6（a）、（b）两种情况下各施工阶段基坑坑底竖向位移有限元计算结果可以明显的看出,随着开挖深度的增加,两种情况的坑底隆起量增加,考虑完全流固耦合时的回弹隆起位移要小于不考虑完全耦合作用的隆起位移,至开挖结束时,最大隆起位移相差3 mm左右。由图知,两种情况下坑底土体隆起量在距坑壁较近的范围内呈近似曲线增大,且曲率较大；在距坑壁较远处,土体隆起量虽继续增加,但增速较缓慢。随着基坑开挖深度的增加,这一现象也更明显,陡增的坑底范围在缩小,缓增的范围则进一步加大。由图6（a）看出,流固耦合情况下,每一次降水后坑底都会大幅下沉,但下一步的开挖则会引起坑底的重新隆起,坑底竖向位移的变化过程能更清晰的表现出来,开挖过后的每一次降水都会引起坑底回弹量一定程度的回落。

图5 基坑的地表沉降位移

图6 基坑坑底隆起位移

4.4 锚杆轴力图

由数值模拟结果知,锚杆在自由段轴力均匀分布,为锚固段轴力最大值,符合实际情况。图7是基坑开挖过程中各排锚杆锚固段轴力分布图。四图中锚杆锚固段轴力在刚进入锚固段时锚杆轴力减幅较大,在锚固段的近端则是缓慢减小,在锚固段的末端则减小为零。随着基坑开挖深度的增加,各排锚杆的轴力增加,在最后一步开挖过程中,锚杆轴力达到最大值,第一排锚杆的轴力值明显大于第二排锚杆的轴力值；通过两种情况下各排锚杆轴力对比可知,在各段开挖过程中,考虑完全流固耦合情况下各排锚杆轴力与不完全流固耦合情况下差别很大,直至最后一步开挖时,第一排锚杆锚固段轴力相差100 kN,第二排锚杆锚固段轴力相差120 kN,且每次降水后的一定时间内,各排锚杆的轴力都有小幅的下降过程。

图7 各排锚杆锚固段轴力

4.5 桩的剪力

基坑开挖10 m,桩和止水帷幕组成的围护桩的深度为15 m。图8为两种情况下基坑开挖过程中桩的剪力分布图。由图8知,在各施工阶段中,支护桩的最大剪力均发生在支护桩的中部偏下1 m左右,两种情况下剪力曲线分布的形状基本一致,呈现了良好的规律性,接近于线性变化,符合实际情况。如下图8所示,支护桩桩身剪力在桩顶位置较小,然后逐渐增大,在达到第一次的开挖深度3 m后出现第一个极值,后又逐渐减小达到零点以后又反向增大出现峰值后又开始减小直到第二次开挖深度7 m又出现极值,直至最后在桩中部左右出现最大剪力值,中部以下的变化规律仍大致呈现出桩上部剪力变化规律。对比两种情况可知,基坑各个施工阶段考虑流固耦合时桩身剪力都偏小,在最后开挖结束时,剪力相差最大可达到60 kN。

图8 支护桩剪力

4.6 桩的弯矩

图9是基坑开挖过程中桩身弯矩分布图。桩身弯矩的总体变化过程大致为弓形,随着开挖深度的增加,桩的上部分桩身弯矩先增加到一个极值再减小为零后反向增加到另一个极值,再经过一次先减小再增加到最大值的过程；而在基坑底的下半部分,桩身弯矩则大致呈现逐渐减小,甚至变为零的趋势。由剪应力和弯矩存在一阶导数关系知,当剪力为零时,对应的弯矩达到最大值；由图9知,桩身的上半部分范围内,弯矩达到最大值时,所对应的剪力值最小或等于零,从理论上证明了本次数值模拟结论的正确性。同时,对比两图可知,在基坑的各个施工阶段,考虑流固耦合时桩身的弯矩都较小,在最后开挖结束时,弯矩相差最大可达到200 kN·m。

4.7 桩的轴力

图10是基坑开挖过程中桩身轴力分布图。由图10知,开挖过程中,桩主要承受压力作用。两图的计算结果表明,桩的轴力分布曲线大致一致,均随桩深度的增加出现先增大后减小的趋势。随着开挖深度的增加及施工的向前推进,桩的轴力逐渐增加,开挖深度越深,轴力增加的速度越快。支护桩各施工阶段的最大轴力均出现在基坑各步开挖面上,即分别在-3.0 m、-7.0 m、-10.0 m位置附近。对比两图计算结果知,在各开挖阶段,考虑流固耦合作用的桩身轴力要比不考虑流固耦合作用小,在开挖最终结束时,轴力最大相差100 kN左右。

图9 支护桩弯矩

图10 支护桩轴力

5 结语

（1）在基坑各步开挖的施工过程中,基坑侧壁的最大位移均在基坑的开挖面附近；基坑地表最大沉降位移在距离坑壁一定距离处；坑底土体隆起量在距坑壁较近的范围内呈近似曲线增大,且曲率较大；在距坑壁较远处,土体隆起量虽继续增加,但增速较缓慢。由本文考虑的两种情况可知,完全流固耦合的基坑开挖方式减小了上述三种变形位移量,但程度较小,影响较小。

（2）锚杆在自由段轴力均匀分布,为锚固段轴力最大值,锚固段轴力在刚进入锚固段时锚杆轴力减幅较大,在锚固段的近端则是缓慢减小,在锚固段的末端则减小为零。对比本文两种模拟情况可知,考虑完全流固耦合情况下各排锚杆轴力与不完全流固耦合情况下差别很大,锚杆轴力较小,在同等情况下,最大减小了120 kN,说明考虑完全流固耦合情况下,可以进一步优化锚杆的设计。

（3）在基坑各施工阶段中,支护桩的最大剪力均发生在支护桩的中部偏下1 m左右,剪力曲线分布呈现了良好的规律性,接近于线性变化；桩身弯矩的总体变化过程大致为弓形,呈现出抛物线的变化规律,桩身的上半部分范围内,弯矩达到最大值时,所对应的剪力值最小或等于零,从理论上证明了本次数值模拟结论的正确性；桩的轴力随桩深度的增加出现先增大后减小的趋势,在各开挖面出现轴力最大值。对比两种模拟情况可知,考虑完全流固耦合情况下,支护桩的剪力、弯矩、轴力都偏小,且差值很大,在同等条件下,剪力最大差值为60 kN,弯矩最大差值达到200 kN·m,轴力最大差值为100 kN左右。表明考虑完全流固耦合对支护桩的受力变形有较大的影响,值得进一步的研究。

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TU753

B

1009-7716（2017）07-0292-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.07.089

2017-04-06

周连伟（1977-）,男,辽宁大连人,高级工程师,从事桥梁隧道设计研究工作。