考虑流-固耦合作用的深基坑变形性状研究

黄明辉，陈乐意

(南昌航空大学土木建筑学院，江西 南昌 330063)

南昌地区地质特点较为鲜明，其区域范围内地下水贮存丰富，水位较高，且地层中含有相当深度的砂砾软弱层[1-3]。由于砂砾地层孔隙大、渗透性高的特点，基坑降水施工过程中土骨架受逐渐增大的有效应力作用，直接影响土体固结沉降，对基坑支护及周边建筑物安全造成不可估量的损失[4-6]。针对流-固耦合作用下基坑工程支护变形性状，迄今已有部分学者展开过研究和论述。杨宏等[7]以兰州地区红砂岩地层的某地铁深基坑工程为例，采用数值分析方法建立基坑工程降水开挖支护三维模型，通过对支护构件及岩土体稳定状态进行分析，进而得出渗流影响下深基坑变形程度及变形区域一般规律。高旭等[8]以武汉地区某深基坑工程为研究背景，采用现场抽水试验法对基坑止水帷幕效果进行细致评估，通过编制计算程序以进行降水预测解析计算。由现场实测数据与计算结果对比后表明，降水解析计算结果可靠程度较高，可为指导基坑工程降水设计提供参考。毛旭等[9]针对超深基坑管井降水效果不足的情况，介绍了一种坑中坑的接力降水技术。通过现场施工效果验明，二级降水效果相较于传统的一级降水技术而言具有明显优势，可以较大程度地增强基坑降水效果，并节约工程成本。

大量学者的研究结果与现场经验表明，渗流影响对岩土体稳定性扰动较大，不利于工程安全支护[10-11]。因此，本文以南昌富水地层为背景展开分析，考虑地下水作用及工程降水影响，将渗流影响下的基坑开挖模型展开计算分析，并将数值结果与现场实测数据进行对比分析，以验明有限元程序适用性，有助于揭示工程降水下深基坑支护变形的一般特性。

1 工程应用实例

1.1 工程概况

本项目基坑为南昌某轨道交通地铁车站工程，车站基坑工程采用明挖法施工，围护结构采用地下连续墙与内支撑相结合的形式，车站主体设全外包防水层。经建筑场地实地勘察，依据土体成因与工程性质，基坑区域钻探深度内土体自地表向下主要由杂填土、粉质黏土、圆砾、砾砂、强风化泥质粉砂岩、中风化泥质粉砂岩等几个地层单元构成，且各层砂土均处位于地下水位以下且富水性较好。

本项目分析模型中，设定地表土体及各土层为均质分布，均为各项同性材料，设定各地层为成层的水平状分布。有限元分析模型中，土体选取非线性材料3D实体单元模拟，并采纳Hardening-Soil[12-13]弹塑性土体本构模型参与计算，各土层对应力学参数见表1。

表1 土层物理力学参数

1.2 支护构件材料参数

为系统研究基坑施工状态下土体及围护结构变形情况，有限元分析中需合理选取材料模型进行运算。由于连续墙、内支撑等支护构件刚度相对较大，受力后主要表现为弹性变形，故对基坑支护结构采取弹性材料模型参与计算。其中连续墙采用2D板单元模拟，混凝土支撑、钢支撑、混凝土冠梁、钢围檩、支撑立柱及立柱桩采用1D梁单元模拟。各支护构件的结构参数见表2。

表2 基坑支护模型材料参数

2 基坑工程有限元模型建立

2.1 模型边界及有限元网格划分

本文采用有限元分析软件MIDAS GTS建立基坑工程数值模型，因模型限制而难以充分考虑基坑场地土层的半无限空间特性。由理论分析来看，模型边界范围取值越广，则模型精确度越高，有限元计算结果越趋近于真实解。而在有限元程序中，若模型边界取值过大，将致使模型计算成本呈几何倍数增加，进而导致计算机运算时间、占用内存的迅速增长及模型收敛难度增大[14]。故而有限元建模分析时，将基坑场地原来半空间区域土体简化至基坑及周边一定范围内，并在考虑基坑开挖影响范围的基础上，需在位移或应力变化受施工影响较小的位置处设定边界条件。

本项目基坑模型中，设置重力方向为Z轴向下。边界条件设置底部节点为全约束，限制水平向及竖向自由度，且在模型四侧限制水平向位移。因模型顶部为地表面，其与大气相连，故设定为自由面，不对模型顶部节点的任何自由度进行约束。为研究工程降水对基坑支护安全影响，依据地下水位高程在模型四周边界处设置节点水头，并在基坑降水井位置处沿降水井全长设置压力水头零值，以模拟降水井抽水作用。模型考虑坑外机械、车辆等因素对基坑开挖支护影响，取坑外地面超载20 kPa参与有限元分析，超载作用宽度为10 m。设定沿基坑边缘2 m范围内禁止堆载。为消除模型边界效应，取模型尺寸为497(长度)×169(宽度)×54(高度)。基坑整体模型及支护结构示意分别见图1、2。

图1 基坑开挖支护模型示意

图2 基坑支护体系局部示意

2.2 有限元分析步骤

开挖降水前后，有限元分析步骤见表3。

表3 考虑工程降水有限元分析步骤

3 有限元结果分析

3.1 降水前后孔隙水压力分布影响

经计算可得模型初始渗流场下的孔隙水压力分布等值线见图3。在基坑进行降水前，地下水运动仅受重力作用，而无水头差影响，地下水与土层状态相对稳定。因此孔隙水压力在水平方向呈层状分布，并沿竖直方向呈现出明显线性关系，其随着土体深度增加而持续增大。地下水渗流影响下，模型沿孔压为零的等值分布线处形成地下水浸润线，沿浸润线以上土层中，由于基质吸力存在，土体表现为非饱和状态，因而孔隙水压力在该处表现为负值。地下水浸润线以下土层中，土体呈现为饱和状态，基质吸力逐渐丧失，土体从非饱和朝向饱和状态过度下，孔隙水压力也由负值逐渐转变为正值。

图3 初始孔隙水压力分布示意

对基坑内侧抽水稳定之后，各地层孔隙水压力分布见图4。抽水状态下，地下水运动受重力及水头差共同影响，降水井周边地下水位降低较快，孔隙水压力呈现出非均匀分布。由图中孔隙水压力等值线分布状况可知，基坑连续墙对控制坑内、坑外两侧地下水补给具有明显作用。坑内降水形式下，降水井周边土体孔隙水压力降幅较大，两降水井之间的下部土层孔压也明显减小，由于地下连续墙的强隔水效果，水位面以下土层中，基坑内外侧的孔隙水压力等值线非连续分布，且在基坑内部边缘处出现折断、弯曲现象，基坑内外两侧孔隙水压力在连续墙附近发生明显突变。表明同一深度位置处，基坑内外两侧孔隙水压力变化幅度较为明显。随着与连续墙水平距离增加，工程降水对坑外稍远处土体中的地下水状态影响较小，孔压等值线亦逐渐归于平滑。靠近模型两侧水头边界处，孔隙水压力等值线近似呈现水平状态，表明坑内降水对该区域土层影响较为微弱。

图4 降水后模型孔隙水压力分布

3.2 坑外地表沉降差异

地下水运动受水头差作用，在土颗粒孔隙中发生流动而产生动水压力。由于土层中地下水不断被疏干，土体有效应力增长以及渗透力影响，导致降水范围内土体被进一步压实固结。为研究工程降水与无工程降水2种工况下地表沉降规律，由有限元分析结果，可得出图5。由图5所示的地表土层沉降状况可知，坑外土层主要沉降影响区域约为0.77倍的基坑开挖深度，当坑外土体距离基坑侧壁约20 m后，地表土体沉降影响逐渐减小。基坑施工完毕后，坑外地表最大沉降值为24.224 mm，而未考虑工程降水条件下，坑外沉降峰值仅为19.337 mm，二者变化幅度可达20.174 %。当基坑临近构筑物时，应考虑工程降水对构筑物的不利影响。

a)未考虑降水

b)考虑降水图5 降水前后坑外地表沉降差异

降水井抽水状态下，降水井临近土体中孔隙水压力迅速消散，因而土层中形成一定水头差。在重力及水头差作用下，降水井周边土层中地下水朝向降水井方向流动，降水井周边地下水位随抽水时间而持续降低，进而导致坑外地表土体在抽水期间产生沉降。为系统分析工程降水对地表土体沉降影响，分别选取基坑长边外的2条监测线以及短边外2条监测线位置处土体沉降进行研究，揭示图6所示地表差异性沉降曲线。由图中数据可知，当基坑开挖至设计深度时，模型在考虑工程降水前后，地表沉降趋势及沉降槽位置大体相同，但沉降槽峰值却呈现明显差异。在所选取6条监测线中，考虑降水前后坑外地表最大沉降均位于远离基坑侧壁7.4 m左右处。各监测线处地表土层在考虑降水前后最大沉降值变化幅度分别可达16.992%、19.207%、17.967%、15.663%，由工程降水造成的地层附加沉降幅度平均可达18.562%。

a)DBC6测点处

b)DBC16测点处

c)DBC1测点处

d)DBC38测点处图6 降水前后坑外地表沉降差异

3.3 坑底土体隆起差异

工程降水作用下，降水井影响范围内，地下水随着抽水时间而不断被疏排，作用于土颗粒骨架的有效应力增长促进土体进一步固结沉降。根据图7基坑内采取工程降水对基坑开挖面土体表现出明显的压密作用，基坑考虑工程降水后，坑底土层隆起程度整体减小。考虑降水前，基坑中部土体表层最大隆起值为11.139 mm，而考虑工程降水后，基坑中部开挖面土体的隆起峰值降低至8.055 mm，降幅达到27.687 %。而坑底临近连续墙处的部分土体在考虑降水前后，其竖向位移变化与基坑中部土体变化趋势相似。考虑工程降水前，坑底连续墙周边土体最大沉降值为1.588 mm，工程降水后，连续墙临近土体沉降峰值增大至3.195 mm，土体沉降的变化幅度达到50.297 %。有限元模型得出坑底土体变化趋势与工程理论相符合，工程降水对限制坑底土体隆起表现出积极影响。

b)考虑降水图7 降水前后坑底土体隆起差异

为具体分析考虑降水前后坑底土体在不同截面处压密影响，在基坑底部开挖面上选取4个典型位置进行分析。由图8所示4条监测位置反馈的计算数据来看，工程降水对基坑底部土体位移影响明显，降水作用下坑底中部位置沉降变化数值较大，临近连续墙两侧处土体沉降数值变化较小。由于坑底立柱桩与坑底土体间摩阻力影响，立柱桩施工对被动区土体而言起到拉锚作用，并对周边土体起到明显约束作用。因此，坑底开挖面上，立柱桩周围土体隆起变形得到有效控制。4条测线位置处地表土层在考虑降水前后最大沉降值变化幅度分别可达33.370 %、31.006 %、34.571 %、31.337 %，由工程降水造成的地层附加沉降幅度平均可达32.571 %。

a)1号监测线处

b)2号监测线处

c)3号监测线处

d)4号监测线处图8 降水前后坑底土体隆起曲线

3.4 内支撑体系竖向变形差异

当基坑底部土体向上隆起时，立柱桩及支撑钢立柱亦随坑底开挖面土层产生整体向上部分协同变形。由坑底土体隆起产生上托作用力大于内支撑构件材料自重时，则与坑底立柱桩、内支撑立柱相连接内支撑杆件表现为方向向上的变形，进而引起支护结构变形沿竖向呈现差异性分布。而工程降水作用下，坑底开挖面土体隆起得到大幅限制，地下水的疏排对坑底土体亦起到明显的压密影响。因此，在图9中可明显看出，考虑工程降水后，与钢立柱相连接的内支撑杆件，其竖向隆起程度明显减小，而与钢立柱无直接联系的内支撑杆件则表现为沉降加剧的状态。

a)未考虑降水

b)考虑降水图9 降水前后内支撑体系竖向变形差异

根据图中数值大小与云图分布可知，考虑基坑降水前后，钢立柱、混凝土立柱桩以及与立柱相连接的内支撑杆件，其隆起峰值最大分别可达9.966、6.608 mm，降水影响下的内支撑体系隆起峰值减少了3.358 mm，变化幅度为33.695 %。而与钢立柱无直接联系的内支撑杆件，在考虑工程降水前后，其最大沉降值分别为3.982、5.878 mm，工程降水促使该部分支撑杆件增大了1.896 mm的附加沉降，其变化幅度达到32.256 %。

3.5 支护构件侧向变形差异

连续墙与内支撑构件作为基坑支护的主体组成部分，其工程质量对基坑工程稳定支护起到关键作用。在开挖支护过程中，连续墙承担了全部水土压力及地面超载引起的侧向压力，并沿水平向传递给内支撑系统。在基坑开挖至设计深度后，当未考虑降水井抽水作用时，基坑侧壁仅受基坑外侧土体及地面超载引起的侧向压力影响。而在考虑基坑内部的工程降水后，连续墙附加变形亦受地下水渗流产生的动水压力作用，导致连续墙墙体变形程度的大幅增长(图10、11)。

a)未考虑降水

b)考虑降水图10 降水前后连续墙侧向变形差异

a)未考虑降水

b)考虑降水图11 降水前后内支撑体系侧向变形差异

在图10、11中可见，考虑工程降水前后，连续墙变形程度明显发生改变。未考虑工程降水时，连续墙最大侧移量为21.661 mm，而考虑地下水影响时，墙体变形量增加至27.538 mm，即地下水渗流作用对墙体贡献有5.877 mm的附加变形，变形幅度达到21.342 %。同理，基坑内支撑体系作为基坑水平向约束重要构件，其位移变化趋势与连续墙相同。当未考虑基坑降水时，内支撑最大侧移值为21.490 mm，而在考虑地下水渗流影响后，内支撑构件侧向变形增大至27.529 mm，工程降水使内支撑侧向变形增大了6.039 mm，变形增长幅度为21.937 %。

为系统阐述工程降水对基坑支护稳定性影响，以连续墙侧向变形为研究对象，分别选取沿墙身长、短边不同位置处的4个监测点展开分析，并揭示图12所示墙身侧移的差异性数值曲线。由图中各测点处的墙体侧移曲线分布来看，当考虑渗流影响时，连续墙另外受到坑外动水压力影响，墙身侧向变形程度明显加剧，且墙体水平位移的最大发生位置亦沿桩体腹部向下小幅转移。受基坑坑角效应[15-17]影响，距离基坑坑角较近处的支护段墙体，由于其侧向刚度较大，则支护段墙体侧移程度较小，而基坑长边中部处的支护段墙体，因相对缺乏有效的横向约束，故其侧向位移程度亦较大。

a)ZQT14测点处

b)ZQT2测点处图12 降水前后连续墙侧移差异

c)ZQT17测点处

d)ZQT38测点处续图12 降水前后连续墙侧移差异

以基坑长边位置的2个监测位置、大小端头井侧的2个监测位置数据来看，考虑地下水及工程降水影响下，连续墙体侧移变化明显。在考虑地下水影响及工程降水作用下，连续墙支护侧移的平均变化幅度为21.818 %。可见，在南昌富水地层中进行基坑工程施工，地下水对基坑支护稳定影响较大。支护工程在设计与施工时，应合理考虑地下水作用影响，以增强基坑支护整体稳定性。

4 计算结果与监测数据比对

因工程施工环境复杂性与岩土体非线性特征，基坑支护变形受温度与降雨变化、土体流变、施工扰动等外在因素影响，导致基坑实际受力变形状态与理论计算值之间具有一定误差。经运算结果与监测反馈数据比对分析，汇总见表4。由表中数据分析可知，可能因模型设置坑边超载按最不利条件考虑，且分析模型未充分考虑到工程施工工艺水平、被动区与坑外土体加固等原因，导致计算结果下连续墙侧移、坑外地层沉降结果略大于实测变形值。

表4 支护构件与地表土层的变形状况统计

对照连续墙墙体的水平位移计算结果来看，有限元计算方法与实测数据下的支护构件最大侧移始终保持在墙体腹部，墙身变形表现为弓形分布。ZQT2、ZQT14、ZQT17 3个测点处数值结果与基坑实测数据平均相对误差为11.006 %。对照坑外地表土体竖向沉降结果来看，有限元计算方法与实测数据下地表土体最大沉降值均在远离地表一定位置处，出现一定程度沉降槽。DBC6、DBC16 2个测点处有限元结果与基坑实测数据的平均相对误差为14.451 %。有限元程序计算所得基坑围护结构与地表变形值相对误差较小，且计算结果均小于基坑工程变形预警值，验明地下连续墙复合内支撑体系的支护效果较好，满足地铁基坑支护稳定需求。

5 结语

本文采用有限元分析方法，将渗流影响下基坑开挖模型进行对比研究，分析有地下水时支护构件变形与土层位移差异。并把监测结果与数值模拟数据相互对照，研究深基坑涉水支护变形的一般规律，主要研究结论如下。

a) 渗流影响下，地层沿孔压为零的等值分布线处形成浸润线，沿浸润线以上土层中，因基质吸力存在，表现为非饱和状态，孔隙水压力在该处表现为负值。地下水浸润线以下土层中，土体呈现为饱和状态，土体从非饱和朝向饱和状态过度下，土体基质吸力逐渐减弱，孔隙水压力也由负值逐渐转变为正值。

b) 坑内降水形式下，降水井周边土体孔隙水压力降幅较大，两降水井之间下部土层孔压也明显减小，由于连续墙自防水效果，基坑两侧孔隙水压力在连续墙两侧发生明显突变。

c) 地下水渗流影响下，连续墙附加变形亦受地下水渗流产生的水压力作用，引起连续墙变形程度大幅增长。考虑地下水渗流及工程降水前后，连续墙体变形平均增幅达到21.818 %。

d) 基坑降水状态下，坑底土层隆起程度整体减小，基坑中部开挖面土体的隆起量降低幅度达到32.571%，工程降水对基坑开挖面土体表现出明显的压密作用。