基坑開挖滲流模擬分析★

卞永偉 王志杰

(海南大學土木建筑工程學院，海南 海口 570228)

0 引言

由于我國城市人口密度的不斷加大和城市建設的需要，合理的開發與利用地下空間變得更加迫切，而對于基坑工程在大中城市隨處可見，基坑工程中的各項工程措施又相互制約，其中任一環節在設計施工中出現問題，都會導致整個工程的失敗。在基坑開挖工程中首先要做好工程降水。

對于降水過程中滲流影響前人也做了很多研究，李筱艷[1]利用位移反分析計算滲透系數非線性耦合響應的滲流—應力完全耦合模型參數，從而模擬基坑降水開挖引起的土體變形;基于比奧固結理論、鄧肯—張E—μ非線性本構關系和滲透系數非線性耦合響應關系的完全耦合分析模型預測基坑開挖土體變形;駱祖江等[2]采用有限差分法對基坑開挖的三維滲流沉降耦合分析;馮曉臘等[3]將三維水—土耦合模型應用于深基坑降水及其引起地面沉降的計算;但總的來說對基坑滲流影響研究相對甚少，本文在前人已有的基礎上，應用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變化對基坑變形影響分析。

1 有限元基本方程

考慮土和水的壓縮性，符合達西定律的二維非均質各向異性土體滲流，其水頭函數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;

kx，ky——以 x，y 軸為主軸方向的滲透系數;

SS=ρg(α +nβ)——單位貯水量;

α，β——土和水的壓縮系數;

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)。

當不考慮水和土壓縮時，SS=0，則式(1)變為:

這就是平面恒定滲流的微分方程，當結合變動的自由面邊界情況后，就可解非恒定滲流問題。

2 Midas gts數值模擬

模擬某基坑開挖，長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

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

圖3 第一次開挖坑外土體沉降曲線

圖3中當基坑開挖1 m時，基坑考慮滲流沉降曲線與不考慮滲流的沉降曲線一致，說明對于基坑開挖1 m時滲流對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，數值顯示基坑開挖越深，滲流對基坑外側沉降影響越大，而對于發生最大沉降差值位置則趨于平穩，發生在距基坑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

對于樁水平位移滲流影響相對較小，圖7表示隨著基坑開挖滲流影響側移發生最大差值在加大，但是差距幅度并不是很大，對于成層土，以上是考慮kx=ky=2 m/d的滲透系數對基坑的影響，為了進一步分析滲流影響，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 結語

1)基坑開挖降水使基坑內外產生地下滲流，且滲流方向指向基坑內部，對基坑的穩定性產生不利影響，由圖3～圖7得出滲流對基坑外側土體影響大于對樁身的影響。

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)對于滲透系數較大的成層土體，要多方面考慮滲透系數影響，由圖8，圖9分析出對于kx＜ky土體，基坑外側土體沉降影響大于對樁的影響，基坑的穩定性較差，而對于kx＞ky，對基坑相對影響較小，穩定性較好。

3)滲流作用是否有利于圍護結構的穩定，與坑內外各土層的厚度、滲透系數和圍護結構插入坑底深度等因素有關，因此不僅要在基坑圍護結構設計中考慮地下水滲流影響，也要重點考慮對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與應力場完全耦合分析[J].巖石力學與工程學報，2004，23(8):1269-1274.

[2] 駱祖江，李 朗，姚天強，等.松散承壓含水層地區深基坑降水三維滲流與地面沉降耦合模型[J].巖土工程學報，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算中的應用[J].巖石力學與工程學報，2005，24(7):1196-1201.

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