流固耦合条件下基坑降水开挖力学机理研究

1.济南华置房地产开发有限公司，山东 济南 250000

2.山东省机械设计研究院，山东 济南 250031

近年来，随着城市地下空间的不断利用，越来越多的地下构筑物应运而生，由于地下结构所处环境的复杂性和不确定性，施工过程中事故频发。鉴于此，国内外专家都对基坑开挖进行了一定研究。

国外，Westermann K等[1]提出了一种基础自动化程序新技术，利用CPRF迭代过程自动化来替代原有结构，从而达到增加基坑稳定性和减少建造成本的目的。Ngoc D等[2]利用残余应力模型在考虑基坑尺寸、深度以及各开挖应力的条件下进行回弹变形计算分析，并将实验结果与PLAXIS 2D有限元模型进行对比，发现残余应力模型结果与现场实测数据更相符，并且能够预测基坑回弹变形规律。

国内，陈昆等[3]、曾超峰等[4]、郑刚等[5]以天津市富力响锣广域网大型深基坑项目为背景，利用数值模拟分析与试验检测相结合的方式，研究了两种情况下基底回弹、支护结构以及周边土体变形规律等结果的差异性。贾坚等[6]、张婧等[7]通过对基坑开挖过程中主要应力变化行径进行分析，指出基坑开挖数值模拟分析考虑土体变形特征的应力路径相关性和压硬性的重要性。李涛等[8]、索文斌等[9]以成都地铁为工程背景，利用颗粒流数值模拟方法研究了深基坑开挖过程中土拱产生和发展的微观机理。基于此，文章利用有限元差分软件FLAC 3D对基坑降水开挖施工过程进行模拟，旨在为后续施工提供一定的参考。

1 工程地质

某工程区地下水位于地下2m处，根据现场试验测定底层年代及成因，可以将土层分为三层。

（1）填土①层：主要由建筑垃圾和黄土构成，结构分布不均匀，并且部分为后来建造的人工地面结构，该层土厚度为2m。

（2）黏土②层：黄褐色，可塑～可塑偏硬，稍具摇振反应，稍有光泽，中等干强度，中等压缩性，含锰质结合，含量自上而下逐渐增加，顶部一般为10%～15%，底部约为20%～25%，含氧化物条带，该层土厚度为30m。

（3）全风化泥岩③层：紫红色泥岩夹灰白色、灰黄色、灰绿色泥质砂岩，泥质结构，块状构造，以泥岩为主，原岩结构大部分被破坏，风化裂隙较为发育，锤击声闷，破坏后呈碎块状，遇水易软化，粉砂岩较泥岩强度高，局部地段见钙质胶结的砂岩，紫红色泥岩岩块用手可折断或捏碎，粉砂岩较难钻进，泥岩岩芯较完整，砂岩岩芯较破碎。该层土分布全线，厚度为68m。

具体土质物理参数如表1所示。

表1 土质物理参数表

2 数值模拟

通过有限元差分软件FLAC 3D建立了基坑数值模拟计算模型，如图1所示。由于基坑开挖过程中在基坑纵向方向的受力特征相似，此次模拟只截取其中某一区间来进行模拟分析，从而有效减少模型网格数量，加快整体模拟计算速度。根据模拟计算边界影响效应，取开挖深度3～4倍距离作为基坑边界到模拟边界的距离，整个模型长200m、高100m、宽10m，由20000个实习单元构成。根据模拟计算要求，模型地面和左右侧面为固定边界，模型顶部为自由边界。基坑外侧土层选用摩尔-库伦模型，地连墙结构选用弹性模型。

图1 基坑数值模拟计算模型

3 模拟结果分析

3.1 基坑竖向位移

基坑开挖竖向位移云图如图2所示。从图2中可以看出，基坑开挖后，基坑两侧出现地表沉降，基坑内出现坑底隆起现象，这是由于随着基坑土体的卸载，原有的土体平衡状态被打破，在土压力差作用下土颗粒向基坑下部运动。而且随着基坑开挖深度的不断增加，地表沉降值和坑底隆起量也随之增大。

图2 基坑开挖竖向位移云图

3.2 基坑水平位移

地连墙侧向位移云图如图3所示。从图3中可以看出，基坑开挖后，在两侧土体挤压下地连墙向基坑内侧发生侧移，并且随着深度的增加，地连墙侧移呈现出先增加后减小的变形趋势，这是由于随着深度的不断增大，两侧土压力也随之增加，地连墙在土体挤压下产生更大侧向位移。但是随着深度的进一步增大，地连墙入土深度不断增大直至岩层，由于岩体对地连墙侧移有限制作用，地连墙侧向位移逐渐变为零。随着基坑开挖深度的不断增加，地连墙侧向位移不断加大，这是由于随着开挖的深度不断增加，地连墙需承受的两侧土体压力也随之增加，当开挖深度达到设计基坑标高后，地连墙侧向位移达到最大值80.6mm，在基坑实际开挖中要不断对地连墙侧向位移进行检测，防止其出现过大位移造成墙体倒塌。

图3 地连墙侧移云图

为了研究不同地下水位对地连墙侧移的影响，分别绘制了地下水位-2m和-10m条件下地连墙侧向位移曲线图，如图4所示。从图4中可以看出，随着入土深度的不断增加，三步开挖步下地连墙都呈现出两头大、中间小的变形趋势，并且地下水位由-2m降低到-10m后，地连墙侧向位移也随之减小，这是因为随着地下水位降低，基坑内外水压力差也随之减小，水对地连墙的侧向挤压力减小，所以地下水位降低，地连墙侧向位移减小。地下水位降低后，地连墙侧向位移变化规律没有改变，最大侧向位移总是发生在开挖深度的2/3位置处，由此可以判断地下水位的改变仅对地连墙侧向位移的大小产生影响，而对地连墙变形规律没有影响。

图4 不同地下水位下地连墙侧移曲线图

4 结论

（1）基坑降水开挖会引起地表发生不均匀沉降，这是由于坑内土体的卸载使原有的平衡被打破，基坑外侧土体向坑内挤压，使地表发生沉降。

（2）由于坑内土体开挖，地连墙失去了原有土体的支撑，在外侧土体的挤压下，发生朝着坑内方向的侧向位移。随着深度的增大，地连墙侧向位移呈现出先增大后减小的趋势。

（3）通过改变原有地下水位所处的位置，研究地下水位对基坑开挖过程中各项力学机理的影响，发现随着地下水位的降低，地连墙侧移减小，地下水改变只会影响基坑变形的大小，而不会影响基坑变形分布规律。