滲流—應力場耦合作用下蘇州工業園區某地下車庫基坑的變形分析

摘 要：地下水滲流對基坑變形的影響成為當前研究的熱點，以蘇州工業園區某地下車庫基坑為例，采用ABAQUS模擬基坑開挖及支護過程，分析基坑開挖過程中的變形及滲流場規律。結果表明：在開挖間歇期的坑外地表沉降量均比同期開挖結束后的沉降量要小，而基底隆起量比同期開挖結束后的隆起量要大。每步開挖間歇結束時，圍護墻的水平位移有所減小。隨著開挖的進行，圍護墻周圍的水頭等勢線越來越密，地面沉降形狀為下凹的盆地形狀。

關鍵詞：基坑 滲流-應力耦合分析 有限元模擬

中圖分類號：TU43 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）05（b）-0039-04

基坑開挖時，坑內外通常存在著水頭差，地下水將在坑內外水頭差作用下發生滲流。基坑開挖過程是地下水滲流與巖土變形動態耦合的過程。利用滲流-應力耦合理論研究開挖過程中地下水的滲流形態和孔隙水壓力場的分布，分析地下水滲流對基坑穩定性的影響具有重要意義。

近幾年來，許多研究者在分析滲流穩定問題時，引入了滲流場與應力場的關系，即滲流-應力耦合關系，并在巖土工程的各個領域取得了一定的成果和進展，滲流-應力耦合問題已成了研究的熱點問題。謝兼量[1]進行了滲流應力耦合條件下的海堤邊坡穩定性研究；賈善坡等[2]進行了泥巖隧道施工過程中，滲流場與應力場完全耦合的損傷模型研究；張巍等[3]對大型地下洞室群圍巖進行了應力-損傷-滲流的耦合分析；張媛媛[4]，苗麗等，周建國等[6]在土壩的滲流場與應力場的耦合應用方面的研究獲得了一些進展；王強等[7]，楊永恒[8]，郭娟[9]，周舒威等[10]基于滲流-應力耦合對尾礦壩的穩定性進行了研究；李筱艷[11]、紀佑軍等[12]采用滲流-應力耦合分析，求解基坑的滲流場以及位移場。

本文結合蘇州工業園區星海街站南北兩側公共地塊地下車庫項目，利用ABAQU

S有限元軟件進行了基坑工程在滲流-應力耦合作用下的變形分析，可為基坑工程的設計和施工提供參考。

1 工程概況和地質條件

星海街站南北兩側公共地塊地下車庫場地，位于蘇州工業園區星海街及其以西、蘇華路南北兩側的公共地塊內。項目主要包括綠地、下沉式廣場、地下兩、三層停車場及局部商業、預留地下通道，部分地面建（構）筑物。地下車庫北基坑北側5 m為蘇雅路，東側基坑邊線位于星海街慢車道上，距離建園大廈4～7 m，南側基坑邊線位于蘇華路慢車道上，西側較為空曠，現為綠化草坪。南基坑北側基坑邊線位于蘇華路慢車道上，東側基坑邊線位于星海街慢車道上，距離星海大廈3～7 m，南側基坑邊線以南7 m有一近東西走向河道（相門塘），C25孔以南現為在建工地，西側較為空曠，為綠化草坪。地下室結構采用現澆鋼筋混凝土框架體系，地下室結構底板（無論地下兩層或三層）均處于同一標高，地下室結構頂板上部覆土（至自然地面）地下三層處約1.3 m，地下兩層處約3.0 m，基坑深度為自然地面以下約14.5 m。

3 有限元分析

3.1 模型尺寸與計算參數

2.2 邊界條件

模型左邊界為軸對稱邊界條件，右邊設置水平方向位移約束，底部邊界設置水平、豎直方向位移約束。模型右邊界假定孔隙水壓力不發生變化為定水頭邊界，即水源源不斷地補充，模型底部為不透水邊界，模型左邊界孔隙水壓力隨著降水水頭的變化而變化。

2.3 有限元模擬的實施步驟

3 計算結果與分析

3.1 降水開挖引起的基坑變形

地下水滲流作用貫穿于基坑工程整個施工過程中，無論是降水階段，還是開挖加撐階段。而基坑的變形主要就是樁體的變形、樁后地面沉降和基坑底部隆起。圖2為二維基坑模型降水開挖過程中的土體沉降變形圖。可以發現：（1）隨著開挖過程的不斷進行，樁后地面的沉降量和基坑底部的隆起量都在不斷增加。（2）在考慮滲流作用的情況下，基坑在開挖間歇期的沉降變形值均比同期開挖結束后的沉降變形值要小，而基坑隆起量卻比同期開挖結束后的隆起量要大，但兩者的變化量不大。

3.2 支護結構水平位移

圖3為不同開挖階段圍護墻的水平位移變化曲線，每步開挖和間歇期的趨勢一致，最大水平位移發生的位置隨著開挖深度的增大而逐漸下移，與各步開挖面基本保持一致，最終在基坑底面處達到最大。從圖中還可以看出：（1）隨著開挖深度的增加，墻身下部的位移隨之增大，而頂部位移有減小的趨勢，其最大位移發生在第三次開挖結束之后。（2）在每步開挖間歇結束時圍護墻的水平位移均有所減小，這是由于超靜孔隙水壓力的消散和滲流造成坑外水壓力的減小，使得墻體的位移有所回落，有利于基坑的穩定性。

3.3 基坑底隆起變形

3.4 孔隙水壓力變化

基坑降水開挖引起的滲流場總靜孔隙水壓力如圖5所示，a為地應力平衡時的初始孔隙水壓力分布圖，此時孔壓不存在超靜孔壓，孔壓分布和重力場平衡，所以不發生滲流；b～d為每步開挖結束時和開挖間歇期結束時土體中的總靜孔壓的分布圖，由于降水開挖后基坑內外產生水頭差變化，開挖卸載也同時在土中產生負的超靜孔隙水壓力，土中水在重力勢（水頭差）和壓力勢（超靜孔壓）的共同作用下發生滲流。等勢線從入水邊界到出水邊界逐漸變密集，在圍護墻底部附近分布最密，隨著開挖的進行，圍護墻周圍的等勢線也是越來越密，水力梯度也就越來越大，故此時地下水的流速也就越大。

3.5 地面沉降

圖6是支護墻外地面沉降的變化曲線，可以看出，三層基坑開挖引起的地面沉降，從整個變形趨勢來看，它們的形狀都是一個類似于向下凹的盆地形狀，最大沉降量并不是出現在坑壁，而是在離基坑一定距離的地方，再隨著距支護結構邊緣距離的增加，沉降變形值逐漸減小。所以，在坑外附近有建筑物的情況下，要嚴格注意地表的沉降，防止產生允許值之外的不均勻沉降而造成嚴重損失。

4 結論

在考慮滲流作用的情況下，基坑在開挖間歇期的坑外地表沉降量均比同期開挖結束后的沉降量要小，而基底隆起量卻比同期開挖結束后的隆起量要大。圍護墻在開挖過程中的最大水平位移發生的位置隨著開挖深度的增大而逐漸下移，與各步開挖面基本保持一致，最終在基坑底面處達到最大。而在每步開挖間歇結束時圍護墻的水平位移均有所減小。隨著開挖的進行，圍護墻周圍的水頭等勢線越來越密，流速也越來越大。地面沉降形狀為下凹的盆地形狀，最大沉降量不是出現在坑壁，而是離基坑一定距離的地方。

參考文獻

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[11]李筱艷.基于位移反分析的深基坑滲流場與應力場的完全耦合分析[J].巖石力學與工程學報，2004，23（8）：1269-1274.

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