基于PLAXIS的深基坑开挖渗流分析

李旭辉

（广东省交通规划设计研究院集团股份有限公司，广东 广州 510000）

0 引言

随着地铁技术的不断发展，基坑开挖深度逐渐增加，由此导致地下水问题，尤其是在地下水丰富且土层的渗透性强的地区，对地下水的控制更为重要。基坑降水施工中，基坑内外形成水位差，坑外地下水向坑内渗流，使土体应力场和渗流场发生变化，在渗流力作用下可能导致坑内出现喷涌和管涌现象，坑外则出现地表及周边建筑物沉降及围护结构变形增大的情况，进而导致工程事故的发生[1]。本文研究结合某地铁车站工程，采用有限元分析软件PLAXIS建立平面模型，分析了富水砂卵石地层基坑开挖时考虑地下水渗流作用对基底隆起，围护结构变形以及地表沉降的影响，并结合现场监测数据进行对比分析，得到了有益的结论，可为同类工程提供参考。

1 工程概况

本站基坑埋深约18.0m，车站主体结构长216m，标准段宽20m，车站为地下两层框架结构。车站顶板覆土厚约3.12m，车站主体采用明挖法施工，围护结构采用地下800mm连续墙+内支撑形式。

基坑底部主要为透水性强的圆砾及卵石层，且周边建筑物密集，为保证基坑开挖过程中，基坑及周边构筑物的安全，基底采用了袖阀管注浆加固措施，车站标准段围护结构的断面形式如图1所示。

2 计算原理

法国工程师达西（Darcy）进行了大量的渗透实验，得到了层流条件下，土中渗流速度与能量（水头）损失之间关系的渗流规律，即达西定律（Darcy's Law），建立了如下关系式：

式（1）中：q为渗透流量；k为反映土的透水性的系数，相当于水力梯度i=1时的渗流速度；P为试验装置中土样的断面积；h1-h2为水头差。由式（1）可知，渗透流量q与断面积P及水头差h1-h2成正比，与渗流长度l成反比，且与渗透系数有关，达西实验认为横截面平均流速等于截面上任一点的渗流速度，引入水力梯度可表示为：

式（2）中：V为渗透流速；H为水头；L为流线方向水头面之间的距离。推广到三维情况，微分形式的达西定律表示为：

式（3）中：V在笛卡尔坐标系中沿x，y，z方向的分量分别为Vx，Vy，Vz，当渗流发生在均匀各项同性介质中时，k是不变的，则有：

对非均匀各向同性介质k=k(x,y,z)依然成立。

3 PLAXIS有限元建模

3.1 计算模型

采用PLAXIS进行数值模拟，车站基坑是一个狭长基坑，在宽度方向上工程地质条件差别不大，且几何对称，采用基坑宽度的一半进行平面问题计算，基坑宽度为20m，取其1/2为10m，根据模拟得到的结果及工程实践经验，模型的计算宽度取3～4倍开挖深度，计算深度取2～4倍开挖深度，有限元模型的尺寸取60m×45m。根据施工现场情况考虑施工车辆、设备及材料等，地面超载按20kPa计算，模型如图2所示。

3.2 计算参数

3.2.1 土体

根据该车站岩土工程勘察报告以及现场试验得到各土层计算参数如表1。

表1 各土层主要计算参数

3.2.2 围护结构

钢筋混凝土连续墙采用线弹性模型用板单元模拟；混凝土内撑和钢支撑都用锚锭杆模拟，具体计算参数如表2所示。

表2 围护和支撑结构计算参数

4 计算结果分析

4.1 开挖引起的渗流场分析

当基坑内地下水位降至坑底以下0.5m，基坑开挖至基坑底部设计高程时，坑内外有较大的水位差，当考虑地下渗流时，由降水引起的渗流场如图3所示。

由图3可知，砂卵石地层渗透系数大，当基坑内外形成水位差时，地下连续墙不透水，导致坑外的地下水绕过地下连续墙底部向坑内渗流，且在地连墙墙脚处渗流速度最大，由此产生的渗流力在基坑外侧方向斜向下指向围护结构，在基坑内侧产生了向上的渗流力，导致基坑开挖降水过程中渗流场及应力场的变化。

4.2 渗流作用对周边土体沉降影响分析

计算选取的断面为车站中心里程处的断面，在车站中心里程处的东西侧地表分别布置了6个地表沉降观测点，点号分别为A017～A022，A049～A054。由于东西两侧的测点位置及监测结果基本一致，在基坑开挖至基坑底面时，选取A017～A022六个测点处的地表沉降监测值与计算值进行比较，如图4所示。

由图4中考虑渗流、不考虑渗流两种不同情况下的计算值以及现场监测值可以看出，三条沉降曲线的走向基本一致，在远离地下连续墙方向均呈现先增大后减小的趋势，沉降量最大值大致处于墙后9m左右的位置，且考虑渗流条件下沉降值最大为34mm左右，比不考虑渗流条件的最大值27mm增加了近26%。随着前后距离的增大，3条曲线逐渐趋于缓和。根据考虑与不考虑渗流两种情况对比，渗流作用对基坑周边土体沉降影响很大。根据有效应力原理土层中的总应力等于有效应力加上孔隙水压力，在坑内进行降水作业中，随着孔隙水压力的降低，必然会增加土中的有效应力，促使其压密含水层，导致地表土层的沉降[2]。

4.3 渗流对基底隆起的影响分析

在开挖至基坑底面后，在基坑中心里程处布置13个观测点观测基底隆起量，点号为L040～L052。由于数值模拟采用1/2基坑宽度进行模拟，所以采用L040～L046七个测点处的监测值和计算值进行对比分析，基坑底部隆起的主要原因是基坑开挖过程就是一个底部土体卸载过程，在土体卸载过程中土体原有的平衡被打破，底部土体回弹。此外，围护结构的变形对土体产生的挤压也是基坑隆起的原因。

由图5中不考虑渗流、考虑渗流影响下开挖至基底时基底隆起曲线及现场监测数据隆起曲线可知，三条曲线走向大致相同，坑底隆起量随着墙后距离的增加而增大；不考虑渗流条件下，由于地下连续墙与土的相互作用，墙后距离近的土体变形较小，考虑渗流条件下由于存在渗流场降低了地下连续墙与土的相互作用，使墙后土体隆起量较不考虑渗流条件下隆起量大，基坑中部的隆起量为36mm左右，较不考虑渗流条件下的28mm增加了约29%，表明渗流作用对基底回弹变形影响明显[3]。

4.4 渗流对地下连续墙的水平位移影响分析

地下连续墙水平位移的监测采用测斜管监测，在基坑四周每隔20m布置测量断面，选取中心里程处的测量断面C008，提取水平位移数据并与模拟得到的地连墙水平位移计算值进行对比，如图6所示。

由图6可知，三条曲线走向基本一致，地连墙水平位移量在深度方向均呈现先增大后减小的趋势，未考虑渗流耦合时地连墙最大水平位移量为13.52mm，考虑渗流耦合时最大水平位移量为18.78mm，增加近38%，考虑渗流与不考虑渗流条件下地连墙底部的位移量分别为1.4mm与7.18mm，底部位移变化量尤为明显。

由以上分析可知，基坑开挖降水中的渗流作用对围护结构的水平位移影响很大，渗流作用增大了围护结构外侧土的有效应力，减少了围护结构内侧土的有效应力，离墙体越近的位置渗流速度越快，产生的渗流力在基坑外侧方向斜向下指向围护结构，考虑渗流作用下增加了围护结构的水平位移量[4]。地表沉降、坑底隆起及地连墙水平位移中现场取得的监测数据与模拟得到的计算结果比较吻合，验证了计算结果的准确性。在地下水位高且土的透水性强的地层中，进行深基坑施工时采用基底注浆加固是一项有效防止渗流的措施，对控制地表沉降、坑底隆起及围护结构水平位移都有较好的效果。

5 结论

本文依托某地铁车站工程，利用有限元分析软件PLAXIS进行数值模拟，根据已取得的监测数据进行对比分析，得到以下结论：

（1）深基坑工程在坑内进行降水过程中，由于水位差的存在会形成渗流场，产生的渗流力在基坑外侧方向斜向下指向围护结构，在基坑内侧产生了向上的渗流力，渗流速度在地连墙附近最大。

（2）地表沉降曲线在考虑渗流与不考虑渗流条件下均呈现抛物线的形状，最大沉降值发生位置基本一致，考虑渗流比不考虑渗流条件下，每一点的沉降值都较大，渗流作用对地表沉降的影响大。

（3）坑底隆起曲线在考虑渗流与不考虑渗流条件下变化趋势基本一致，随着墙后距离的增加而增大，由于地下连续墙与土的相互作用，两种条件下地连墙附近坑底隆起量较基坑中心的隆起量小，考虑渗流比不考虑渗流条件下，每一点的隆起量都较大，渗流作用对坑底隆起的影响大，可以采取基底加固措施防止渗流的影响。

（4）围护结构水平位移曲线在考虑渗流与不考虑渗流条件下走向基本一致，由于存在渗流场，使围护结构两侧的有效应力发生变化，增大了围护结构的作用力，增加了变形量。因此，渗流作用对围护结构的影响大，应适当采取加固措施。

（5）现场监测值形成的曲线与基坑隆起、地表沉降及围护结构变形曲线趋势基本一致，由于施工中采用袖阀管进行注浆加固，而模拟时并未考虑，现场监测值曲线中每一点变形量都比模拟计算得到的曲线小，与实际工程相符，说明基坑加固作为防渗的一项措施，可以有效抑制渗流，从而保证基坑的安全。