基坑開挖滲流模擬分析★

卞永偉 王志杰

(海南大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，海南 海口 570228)

0 引言

由于我國(guó)城市人口密度的不斷加大和城市建設(shè)的需要，合理的開發(fā)與利用地下空間變得更加迫切，而對(duì)于基坑工程在大中城市隨處可見，基坑工程中的各項(xiàng)工程措施又相互制約，其中任一環(huán)節(jié)在設(shè)計(jì)施工中出現(xiàn)問題，都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)工程的失敗。在基坑開挖工程中首先要做好工程降水。

對(duì)于降水過程中滲流影響前人也做了很多研究，李筱艷[1]利用位移反分析計(jì)算滲透系數(shù)非線性耦合響應(yīng)的滲流—應(yīng)力完全耦合模型參數(shù)，從而模擬基坑降水開挖引起的土體變形;基于比奧固結(jié)理論、鄧肯—張E—μ非線性本構(gòu)關(guān)系和滲透系數(shù)非線性耦合響應(yīng)關(guān)系的完全耦合分析模型預(yù)測(cè)基坑開挖土體變形;駱祖江等[2]采用有限差分法對(duì)基坑開挖的三維滲流沉降耦合分析;馮曉臘等[3]將三維水—土耦合模型應(yīng)用于深基坑降水及其引起地面沉降的計(jì)算;但總的來說對(duì)基坑滲流影響研究相對(duì)甚少，本文在前人已有的基礎(chǔ)上，應(yīng)用Midas gts軟件模擬基坑開挖降水過程，研究了基坑開挖過程中是否考慮滲流及不同方向滲透系數(shù)變化對(duì)基坑變形影響分析。

1 有限元基本方程

考慮土和水的壓縮性，符合達(dá)西定律的二維非均質(zhì)各向異性土體滲流，其水頭函數(shù)所滿足的基本方程為:

初始條件為:

邊界條件如下:

水頭邊界:

流量邊界:

式中:h=h(x，y，t)——待求水頭函數(shù);

kx，ky——以 x，y 軸為主軸方向的滲透系數(shù);

SS=ρg(α +nβ)——單位貯水量;

α，β——土和水的壓縮系數(shù);

ρg=γw——水的重度;

Γ1——第一類邊界，如上、下游水位邊界面和自由滲出面等已知水頭邊界;

Γ2——不透水邊界面和潛流邊界面等第二類邊界(已知流量邊界)。

當(dāng)不考慮水和土壓縮時(shí)，SS=0，則式(1)變?yōu)?

這就是平面恒定滲流的微分方程，當(dāng)結(jié)合變動(dòng)的自由面邊界情況后，就可解非恒定滲流問題。

2 Midas gts數(shù)值模擬

模擬某基坑開挖，長(zhǎng)40 m，開挖深度6 m，分四次開挖，每次開挖深度分別為:1 m，2.5 m，4 m，6 m，支撐采用 H 型鋼，樁采用直徑為0.8 m混凝土樁，具體尺寸如圖1所示。劃分單元及水頭位置見圖2，土體具體參數(shù)見表1。

圖1 基坑平面尺寸圖

圖2 劃分單元及水頭位置

表1 土體具體參數(shù)

由于重點(diǎn)考慮滲流對(duì)基坑開挖影響，考慮兩個(gè)工況，工況一:考慮滲流影響，工況二:不考慮滲流影響(底部1 m土層設(shè)置不透水層)。

圖3 第一次開挖坑外土體沉降曲線

圖3中當(dāng)基坑開挖1 m時(shí)，基坑考慮滲流沉降曲線與不考慮滲流的沉降曲線一致，說明對(duì)于基坑開挖1 m時(shí)滲流對(duì)基坑外土體沉降無影響;在圖4～圖6中基坑分別開挖2.5 m，4 m，6 m，都表明基坑考慮滲流沉降曲線大于不考慮滲流的沉降曲線，表2說明考慮滲流對(duì)基坑沉降值變化，在第四次開挖中沉降差值最大為－5.9 mm，數(shù)值顯示基坑開挖越深，滲流對(duì)基坑外側(cè)沉降影響越大，而對(duì)于發(fā)生最大沉降差值位置則趨于平穩(wěn)，發(fā)生在距基坑3.5 m 左右。

圖4 第二次開挖坑外土體沉降曲線

圖5 第三次開挖坑外土體沉降曲線

圖6 第四次開挖坑外土體沉降曲線

表2 考慮滲流與不考慮滲流最大沉降值差值

對(duì)于樁水平位移滲流影響相對(duì)較小，圖7表示隨著基坑開挖滲流影響側(cè)移發(fā)生最大差值在加大，但是差距幅度并不是很大，對(duì)于成層土，以上是考慮kx=ky=2 m/d的滲透系數(shù)對(duì)基坑的影響，為了進(jìn)一步分析滲流影響，模擬:工況三(kx=5 m/d＞ky=2 m/d)、工況四(kx=2 m/d＜ky=5 m/d)，如圖8，圖9所示。

3 結(jié)語

1)基坑開挖降水使基坑內(nèi)外產(chǎn)生地下滲流，且滲流方向指向基坑內(nèi)部，對(duì)基坑的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，由圖3～圖7得出滲流對(duì)基坑外側(cè)土體影響大于對(duì)樁身的影響。

圖7 樁水平位移曲線

圖8 第四次開挖基坑外土體沉降曲線

圖9 第四次開挖樁水平位移曲線

2)對(duì)于滲透系數(shù)較大的成層土體，要多方面考慮滲透系數(shù)影響，由圖8，圖9分析出對(duì)于kx＜ky土體，基坑外側(cè)土體沉降影響大于對(duì)樁的影響，基坑的穩(wěn)定性較差，而對(duì)于kx＞ky，對(duì)基坑相對(duì)影響較小，穩(wěn)定性較好。

3)滲流作用是否有利于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，與坑內(nèi)外各土層的厚度、滲透系數(shù)和圍護(hù)結(jié)構(gòu)插入坑底深度等因素有關(guān)，因此不僅要在基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中考慮地下水滲流影響，也要重點(diǎn)考慮對(duì)基坑外土體不利的影響。

[1] 李筱艷.基于位移反分析的深基坑滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)完全耦合分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23(8):1269-1274.

[2] 駱祖江，李 朗，姚天強(qiáng)，等.松散承壓含水層地區(qū)深基坑降水三維滲流與地面沉降耦合模型[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2006，28(11):1947-1951.

[3] 馮曉臘，熊文林，胡 濤，等.三維水—土耦合模型在深基坑降水計(jì)算中的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24(7):1196-1201.

[4] 鄭 宏，葛修潤(rùn)，谷先榮，等.關(guān)于巖土工程有限元分析中的若干問題[J].巖土力學(xué)，1995，16(3):7-12.