考慮滲流效應(yīng)的地鐵深基坑變形特性研究

摘" 要：針對太原典型地質(zhì)環(huán)境，運用PLAXIS3D建立考慮滲流效應(yīng)與不考慮滲流效應(yīng)的數(shù)值模型，將這兩者的模擬結(jié)果與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比，驗證考慮滲流效應(yīng)模型的可靠性，并在此基礎(chǔ)上展開地鐵深基坑的變形特性研究。研究結(jié)果表明，考慮滲流效應(yīng)的圍護樁水平位移比不考慮滲流效應(yīng)的要大，并且與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)更接近；增大圍護樁直徑能有效減小圍護樁的最大水平位移；增大鋼支撐壁厚，能較有效減小圍護樁最大水平位移。

關(guān)鍵詞：滲流效應(yīng)；深基坑；變形特性；圍護樁；水平位移

中圖分類號：TU463" " " 文獻標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）08-0068-05

Abstract： Aiming at the typical geological environment of Taiyuan， PLAXIS3D was used to establish numerical models that consider seepage effects and those that do not consider seepage effects. The simulation results of the two were compared with actual monitoring data to verify the reliability of the model that considers seepage effects. On this basis， the deformation characteristics of subway deep foundation pits were studied. The research results show that the horizontal displacement of the retaining pile considering the seepage effect is greater than that of the retaining pile without considering the seepage effect， and is closer to the actual monitoring data; increasing the diameter of the retaining pile can effectively reduce the maximum horizontal displacement of the retaining pile; increasing the thickness of the steel support wall can effectively reduce the maximum horizontal displacement of the retaining pile.

Keywords： seepage effect; deep foundation pit; deformation characteristics; retaining pile; horizontal displacement

隨著計算機等信息技術(shù)的發(fā)展，基坑工程在設(shè)計和計算方法上也不斷完善，數(shù)值模擬方法已經(jīng)在該領(lǐng)域得到廣泛推廣與應(yīng)用[1]。據(jù)統(tǒng)計，在以往基坑工程事故的案例中，約有70％與地下水相關(guān)聯(lián)[2]，因此，考慮地下水的作用在深基坑的設(shè)計與施工過程中格外重要。大部分基坑工程中在降水措施完成后進行開挖施工，此時地下水滲流已基本穩(wěn)定，可以按穩(wěn)態(tài)滲流進行計算分析[3]。

PLAXIS3D作為一款優(yōu)秀的巖土非線性有限元分析軟件，它能夠針對實際工程問題進行全過程模擬，能根據(jù)不同計算需求而進行塑性、固結(jié)、滲流或安全性等多種類型的有限元分析。盛旭圓[4]對上海地區(qū)土體參數(shù)取值范圍進行了總結(jié)與歸納。顧曉強等[5]通過大量的試驗數(shù)據(jù)建立了上海地區(qū)土體HSS模型主要參數(shù)經(jīng)驗取值方法，并模擬了多個基坑工程實例，模擬結(jié)果與實測值基本吻合，證明了HSS模型及參數(shù)選取的合理性。周勇等[6]將蘭州某濕陷性黃土地區(qū)的一地鐵車站深基坑作為研究對象，并分別從坑內(nèi)和坑外降水建立三維滲流應(yīng)力應(yīng)變耦合模型來分析基坑穩(wěn)定性與降水之間的關(guān)系。目前針對基坑變形及內(nèi)力的正反演研究較多，但是鮮有針對考慮滲流效應(yīng)的地鐵深基坑變形特性研究。

現(xiàn)依托太原地鐵2號線北大街地鐵站2號出入口及1號風(fēng)道2個深基坑為工程背景，運用三維有限元分析軟件PLAXIS3D對考慮穩(wěn)態(tài)滲流效應(yīng)與不考慮滲流效應(yīng)下的深基坑施工過程進行了數(shù)值模擬，并將數(shù)值模擬結(jié)果同現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了對比分析，驗證了考慮穩(wěn)態(tài)滲流效應(yīng)的數(shù)值模擬的可靠性。其次，以1號風(fēng)道為研究對象，在考慮穩(wěn)態(tài)滲流作用的基礎(chǔ)上分別研究不同的圍護樁直徑、圍護樁混凝土強度等級以及鋼支撐剛度對深基坑變形的影響，分別得出這3個支護結(jié)構(gòu)參數(shù)對深基坑變形的影響規(guī)律，為之后類似地質(zhì)條件下深基坑工程的變形控制工作提供借鑒和參考。

1" 工程概況及計算模型

1.1" 工程概況

本研究的工程背景為太原市軌道交通2號線一期中間車站，位于解放路和北大街交叉路口，車站兩側(cè)共設(shè)有4個出入口和2個風(fēng)道，其中1號風(fēng)道與2號出入口位于路口西南側(cè)，采用明挖基坑施工。1號風(fēng)道基坑深12.3 m，2號出入口標(biāo)準(zhǔn)段基坑深度為12.4 m。

圍護結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注圍護樁+止水帷幕的圍護形式，支撐采用鋼筋砼支撐+鋼管內(nèi)支撐形式，圍護樁樁身混凝土強度等級為C35。本站地下水為第四系松散層孔隙潛水，含水層為第四系全新統(tǒng)人工填土、沖積粉土、黏質(zhì)粉土、粉質(zhì)黏土等。由于采用的是懸掛式止水帷幕，坑內(nèi)外水力聯(lián)系未完全斷開，因此圍護結(jié)構(gòu)不能起到徹底的止水、防水作用，現(xiàn)場每次開挖施工前，需通過抽水井將坑內(nèi)水位將至開挖面以下1 m。

1.2" 計算參數(shù)及模型

地下連續(xù)墻、將圍護樁等效后的地連墻皆是用板單元進行模擬，采用的混凝土材料為C30，彈性模量為30 GPa，其余的支護結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)見表2。模型網(wǎng)格劃分如圖1所示。

PLAXIS3D模擬1號風(fēng)道與2號出入口的深基坑降水、分層開挖、支撐設(shè)置等施工步驟，共分為21個施工工況，其中1號風(fēng)道為9個工況，見表3。2號出入口具有與1號風(fēng)道類似的施工工況，有12個工況。

2" 數(shù)值模擬計算

為了驗證本文在考慮滲流效應(yīng)下基坑變形的有限元數(shù)值模擬的可靠性，最客觀的方法便是將考慮滲流與不考慮滲流效應(yīng)的數(shù)值模擬結(jié)果同實際施工監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比。

考慮滲流效應(yīng)的數(shù)值模型在計算中的孔壓計算類型采用的是穩(wěn)態(tài)地下水滲流孔壓，而不考慮滲流效應(yīng)的數(shù)值模型計算中的孔壓計算類型采用的是潛水位的靜水壓，考慮滲流效應(yīng)與不考慮滲流效應(yīng)的模擬結(jié)果同實際監(jiān)測結(jié)果的對比如圖2所示。

從圖2可看出，1號風(fēng)道每次開挖完成后的圍護樁體最大水平位移實測值要稍大于模擬值，分析其原因是本模擬不能體現(xiàn)出深基坑開挖的時間效應(yīng)，在實際深基坑開挖中，每一個施工步驟都有一定的工作時長，且每個施工步驟之間會間隔一段時間，而土體具有蠕變特性，因此，實際監(jiān)測數(shù)值比模擬值要大；同時，在本文的模擬中，沒有考慮基坑周邊的超載，這也會導(dǎo)致模擬的圍護樁水平變形比實際監(jiān)測值小。

1號風(fēng)道第一次開挖深度為1.3 m，而工程所在地段地下水位為-2.4 m，不會發(fā)生滲流。第二次開挖深度為7.3 m，第三次開挖深度為12.3 m，從圖2中可以看出，考慮滲流效應(yīng)的樁體水平位移要大于不考慮滲流效應(yīng)的樁體水平位移，因此，基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計時必須考慮到地下水滲流的不利影響，要相應(yīng)地提高支護體系的安全系數(shù)。

從圖2也能觀察出，實際監(jiān)測的樁底水平位移比考慮或者不考慮滲流效應(yīng)數(shù)值模擬的結(jié)果小。分析其原因是在深基坑工程中，基坑底面以下的圍護樁向坑內(nèi)發(fā)生位移后，土體表現(xiàn)出壓硬性，此時土體模量要變大很大，導(dǎo)致圍護樁底部向坑內(nèi)位移要困難得多，但是數(shù)值模擬軟件中并不能很好地體現(xiàn)出土體的壓硬性。

其中，第三次開挖完成后的考慮滲流效應(yīng)的樁體最大水平位移模擬結(jié)果為17.605 mm，實際監(jiān)測為21.12 mm，模擬結(jié)果比實際監(jiān)測偏小16.64%，誤差較小，且兩者圍護樁體的水平變形規(guī)律吻合性良好。所以，本文所考慮的穩(wěn)態(tài)滲流作用下的基坑開挖數(shù)值模擬是足夠可靠的。

3" 支護結(jié)構(gòu)參數(shù)對深基坑的變形特性研究

支護結(jié)構(gòu)包括兩部分，分別為圍護結(jié)構(gòu)和支撐。依據(jù)本地鐵深基坑工程，在不改變支護形式的前提下，分別調(diào)整圍護樁的直徑、圍護樁混凝土強度等級以及第二道鋼管支撐的剛度來研究對深基坑變形的影響。數(shù)值模擬得出相應(yīng)的結(jié)果后，對模擬結(jié)果進行對比分析，總結(jié)出相應(yīng)規(guī)律。其結(jié)論對以后相同地質(zhì)條件下深基坑工程的變形控制措施具有一定的指導(dǎo)意義。

3.1" 圍護樁直徑對基坑的影響

1號風(fēng)道深基坑所使用的圍護樁皆為A型樁，樁直徑800 mm，樁長18.6 m，樁間距1 200 mm，樁體所用的混凝土強度等級為C35。為了研究圍護樁直徑對基坑變形的影響，現(xiàn)保持圍護樁樁長、樁間距和樁體所用的混凝土強度等級不變，定性改變樁的直徑，分別為600、700、800、900和1 000 mm。當(dāng)1號風(fēng)道開挖完成后，各個直徑的圍護樁的樁體水平變形曲線如圖3所示。

由圖3可知，圍護樁水平位移曲線呈現(xiàn)中間大兩邊小的形狀，最大位置處發(fā)生在沿樁體深度約10～12 m處，并且最大水平位移位置隨著樁直徑的增大而逐漸下移。直徑不同的圍護樁最大水平位移量有所差別，其中直徑600 mm的樁體最大水平位移最大，最大位移值可達26 mm；直徑1 000 mm的樁體最大水平位移最小。由此可知，圍護樁的最大水平位移隨著樁直徑的增大而減小。但不同直徑的圍護樁樁頂水平位移幾乎未發(fā)生改變，原因是第一道混凝土支撐作用于樁體頂部，限制樁體向坑內(nèi)移動。

從圖3還可以看出，當(dāng)圍護樁直徑以固定值增大（100 mm）時，樁體最大水平位移、相對變化量和變化幅度都呈現(xiàn)變小的趨勢，其中最大變化幅度為20.74%，最小變化幅度為7.86%。因此，增大圍護樁直徑能夠有效減小樁體最大水平位移。但是，最大水平位移卻沒有按固定變化幅度減小，用經(jīng)濟學(xué)的術(shù)語描述就是增大圍護樁直徑對樁體最大水平位移存在邊際效應(yīng)遞減趨勢。

3.2" 鋼支撐剛度對基坑的影響

1號風(fēng)道共設(shè)有2道支撐，第一道為鋼筋砼支撐，第二道為圓管鋼支撐，鋼支撐直徑為d=800 mm，壁厚t=16 mm。在保持鋼支撐直徑不變的情況下，增大鋼支撐壁厚能有效加大鋼支撐剛度。因此，本文通過定性改變鋼支撐壁厚大小，分別為0.25t、0.5t、1t、2t和4t，對應(yīng)的鋼支撐壁厚為4、8、16、32和64 mm，來研究剛支撐剛度對基坑變形的影響，當(dāng)1號風(fēng)道開挖完成后，各個壁厚鋼支撐所對應(yīng)的圍護樁水平變形曲線圖如圖4所示。

由圖4可知，圍護樁水平位移曲線呈現(xiàn)中間大兩邊小的形狀，最大位置處發(fā)生在沿樁體深度約10～12 m處，并且最大水平位移位置隨著鋼支撐壁厚的增大而逐漸下移。鋼支撐壁厚不同的圍護樁最大水平位移量有所差別，其中鋼支撐壁厚為4 mm的樁體最大水平位移最大，最大位移值可達22 mm；壁厚64 mm的樁體最大水平位移最小。由此可知，圍護樁的最大水平位移隨著鋼支撐壁厚的增大而減小。但不同鋼支撐壁厚的圍護樁樁頂水平位移幾乎未發(fā)生改變，原因是第一道混凝土支撐作用于樁體頂部，限制樁體向坑內(nèi)移動。

從圖4還可以看出，當(dāng)鋼支撐壁厚以固定值倍數(shù)（2倍）增大時，樁體最大水平位移、相對變化量和變化幅度都呈現(xiàn)變小的趨勢，其中最大變化幅度為14.03%，最小變化幅度為3.28%。因此，增大鋼支撐剛度能較有效地減小樁體最大水平位移。但是，最大水平位移卻沒有按固定變化幅度減小，用經(jīng)濟學(xué)的術(shù)語描述就是增大鋼支撐剛度對坑邊最大地表沉降存在邊際效應(yīng)遞減趨勢。

4" 結(jié)論

考慮穩(wěn)態(tài)滲流效應(yīng)的數(shù)值模擬結(jié)果與實際監(jiān)測規(guī)律基本一致，且兩者最大水平位移差值較小，證明了數(shù)值模擬的合理性?；谠心Ｐ?，改變圍護樁直徑和鋼支撐剛度，尋求這2個因素對深基坑的變形規(guī)律，得出如下結(jié)論。

1）考慮滲流效應(yīng)的計算方法與不考慮滲流效應(yīng)的情況相比，計算得到的樁體水平位移值與現(xiàn)場監(jiān)測值吻合良好，因此考慮滲流效應(yīng)的數(shù)值模擬方法合理可靠。

2）考慮滲流效應(yīng)與不考慮滲流效應(yīng)數(shù)值模擬的圍護樁體水平位移、坑邊地表沉降結(jié)果表明：考慮滲流效應(yīng)的樁體水平位移與坑邊地表沉降都要大于不考慮滲流效應(yīng)的，因此，滲流對深基坑工程起不利影響，在基坑支護體系設(shè)計中應(yīng)該充分考慮滲流效應(yīng)。

3）當(dāng)鉆孔灌注樁直徑從600 mm增加到1 000 mm的過程中，樁體水平位移最大減小幅度為20.74%，樁體最大正彎矩的最大增加幅度為23.87%。因此，增大鉆孔灌注樁直徑能夠有效減小基坑變形，但是樁體所承受彎矩變大，需要加大配筋。

4）通過增加鋼支撐壁厚來達到增大鋼支撐剛度的目的。當(dāng)鋼支撐壁厚從4 mm增大到64 mm的過程中，樁體水平位移最大減小幅度為14.03%，樁體最大正彎矩最大增加幅度為7.1%。因此，增加鋼支撐剛度能有效地減小基坑變形，同時對圍護樁的配筋要求增加不大。

參考文獻：

[1] 劉小軍.深基坑智能預(yù)警監(jiān)測及數(shù)值模擬研究[D].蘭州：蘭州大學(xué)，2019.

[2] 唐業(yè)清，李啟民，崔江余.基坑工程事故分析與處理[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1999.

[3] 向寅飛.不同滲流場形態(tài)下深基坑變形的數(shù)值模擬及作用效果研究[D].天津：天津大學(xué)，2010.

[4] 盛旭圓.MC、HS、HSS本構(gòu)模型在深基坑開挖模擬中的比較分析[J].低溫建筑技術(shù)，2020，42（7）：128-131，138.

[5] 顧曉強，吳瑞拓，梁發(fā)云，等.上海土體小應(yīng)變硬化模型整套參數(shù)取值方法及工程驗證[J].巖土力學(xué)，2021，42（3）：833-845.

[6] 周勇，王曉莉，朱彥鵬，等.蘭州地鐵濕陷性黃土深基坑在降低水位條件下的滲流穩(wěn)定性分析[J].中國鐵道科學(xué)，2017，38（1）：86-94.

[7] 郝明輝，陳厚群，張艷紅.ABAQUS中剪脹角的選取探討[J].水利學(xué)報，2012，43（S1）：91-97.

[8] 王衛(wèi)東，王浩然，徐中華.基坑開挖數(shù)值分析中土體硬化模型參數(shù)的實驗研究[J].巖土力學(xué)，2012，33（8）：2283-2290.

[9] 王海波，徐明，宋二祥.基于硬化土模型的小應(yīng)變本構(gòu)模型研究[J].巖土力學(xué)，2011，32（1）：36-43.