降雨作用下的深基坑穩定性數值模擬分析

賀麗平 董建軍

(1.太原科技大學，山西 太原 030024； 2.遼寧工程技術大學，遼寧 葫蘆島 125105)

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降雨作用下的深基坑穩定性數值模擬分析

賀麗平1董建軍2

(1.太原科技大學，山西 太原 030024； 2.遼寧工程技術大學，遼寧 葫蘆島 125105)

以某基坑工程為例，運用FLAC3D軟件，對不同降雨入滲深度條件下的基坑工程及降雨條件進行數值模擬，分析了基坑的穩定性，為考慮降雨條件的基坑支護方案設計與施工提供一定的依據。

基坑支護，降雨入滲，穩定性，數值模擬

近年來，城市中的建筑密度隨著城市現代化的推進而增大，隨著高層建筑的不斷興建，深基坑開挖支護問題日益突出。基坑開挖深度越來越深，開挖環境日益復雜，設計及施工人員經常遇到新的問題及新的挑戰，從而使基坑工程的成功率降低。其中突出的問題有：1)方案選擇錯誤；2)實施方案與設計方案不符；3)設計計算錯誤；4)未進行穩定驗算。

在總結前人研究成果的基礎上，本文以某基坑工程為背景，運用巖土工程專業軟件FLAC3D建立合理的數值模型，模擬基坑降雨前和降雨后的開挖過程，并對不同降雨入滲深度條件下基坑的各個工況進行模擬，通過平衡計算對影響基坑穩定性的幾個主要指標如：基坑側壁水平位移、支護樁的樁身最大彎矩、錨桿的最大軸力等進行了對比分析，并得出一些可供參考的結論。

1 工程概況

基坑開挖深度距室外自然地坪約10.7 m。基坑在開挖之前，先行放坡2.5 m，臺寬1.0 m，坡高2.5 m，坡度系數為1.0。另外，坑邊存在堆載，其超載類型可簡化為均布荷載，超載值為10.0 kPa，作用深度簡化為0.0 m，作用寬度為6.0 m，距離坑邊3.5 m。基坑內降水最終深度達13 m。

1.1 地質情況

地貌單元為濱海沉積平原，地層成因以沖洪積與濱海沉積為主。各巖土層特征如表1所示。

表1 各巖土層主要參數統計表

1.2 降水方案

場地地下水豐富，地下水位距地表平均1.35 m，主要含水層在第②層中砂及第⑤，⑥層粗砂、礫砂等，③，④層粉質粘土層地下水呈微承壓水。

為保證基坑實現干作業施工，必須對該場地進行人工降低地下水。采用無砂混凝土濾管管井降水法，依基坑環行及中間布置降水井，地下水位降至基坑底以下0.5 m，同時滿足第二道錨桿的端頭在地下水位以上。基坑底四周設碎石盲溝，以排截坡腳少量明水，保證周圍建筑物及地下管線的安全。

1.3 支護方案

根據基坑場地情況及地質情況，采用排樁支護。支護樁采用現澆鋼筋混凝土樁，混凝土強度等級為C25，樁身縱筋及加強箍筋采用HRB335，箍筋采用HPB235。樁長11.20 m，樁身直徑為0.60 m。嵌固深度為3.00 m，樁頂標高為-2.50 m，樁間距為1.20 m。

冠梁也采用鋼筋混凝土在現場澆筑，混凝土強度等級為C25，截面形狀為矩形，其寬度為0.65 m，高度為0.40 m。

錨桿分兩層，第一層錨桿水平間距為1.20 m，豎向間距為4.50 m，入射角15.00°，總長度為15.50 m，錨固段長度為9.00。第二層錨桿水平間距為2.40 m，豎向間距為3.00 m。入射角15.00°，總長度17.00 m，錨固長度為11.00 m。 具體支護方案見圖1。

2 數值模擬

2.1 建模參數

利用FLAC3D軟件建立計算模型，根據地質條件和開挖深度以及機構單元尺寸確定計算區域尺寸為40 m(長)×3.6 m(寬)×25 m(高)，基坑開挖深度為10.70 m，開挖后，基坑開挖面后側長19.00 m。

荷載條件：求解過程中需要考慮地表附加荷載的作用、土層自重應力及水壓力。根據基坑場地周邊條件，基坑坡頂處作用有超載，其值為10 kPa，作用寬度為6 m。初始應力場為考慮重力梯度的自重應力場。由于基坑最終降水深度達到13 m，故13 m以下部分為考慮水力梯度的靜水壓力場，而13 m以上部分由于進行了降水處理，因此其孔壓設置為負值。

邊界條件：假定模型底面靜止不動，采用固定鉸支座；頂部為自由邊界；四個側面在豎直方向沒有約束，只限制其水平位移，采用滾動支座，可自由上下滑動產生豎向位移。

2.2 計算結果

降雨量的大小是通過不同降雨入滲深度來考慮的，具體模擬了入滲深度分別為0.5 m，1.0 m，1.5 m，2.0 m，2.5 m，3.0 m，3.5 m，4.0 m，4.5 m，5.0 m，5.64 m 11個不同入滲深度條件下模型的力學響應。圖2～圖5分別為降雨前、 降雨入滲0.5 m，3.0 m，5.64 m時的土體水平位移云圖。

3 穩定性分析

3.1 土體位移

基坑穩定性分析中，土體水平位移是分析的主要對象之一，這是因為基坑側壁的水平位移如果超過一定范圍，基坑就會失穩，甚至發生破壞而影響施工。圖6為基坑側壁最大水平位移隨入滲深度的變化曲線。

3.2 樁身彎矩

分析樁身彎矩的變化規律，可以實時把握支護樁所處的受力狀態，從而間接考察基坑的穩定狀態。樁彎矩的大小反映了樁的受力狀態，對比樁身材料的力學參數，就可知道樁是否能夠維持穩定。圖7為樁身最大彎矩隨降雨入滲深度的變化曲線。

3.3 樁的剪力

支護樁在工作中，承受的剪力沿樁身長度是變化的。一般而言，樁上的剪力在基坑底部較大，比較危險，所以文中主要針對降雨前及各個降雨入滲深度條件下處于基坑底部的樁段的剪力進行分析研究，并通過作此樁段上的剪力值隨降雨入滲深度變化的曲線來分析其變化規律。圖8為基坑底部樁段上的剪力值隨降雨入滲深度的變化曲線。

3.4 錨桿軸力

不同降雨條件下錨桿軸力沿長度的分布規律如圖9所示。

4 結語

1)降雨條件會對基坑工程的穩定性造成非常不利的影響。它會使基坑側壁的最大水平位移明顯增大，并且隨著入滲深度的增加，基坑水平位移也逐漸增大。降雨之后的土體最大水平位移超過了降雨前的3.7倍。2)降雨作用下，基坑側壁最大水平位移發生在相鄰支護樁之間，并且位于基坑側壁中上部，而非基坑坡頂處。3)降雨條件下，基坑支護體系中的支護樁的樁身最大彎矩及剪力都會比降雨前明顯增大，并且隨降雨入滲深度的增大呈單調增加趨勢。其中各個降雨入滲深度條件下的樁身最大彎矩均超過了降雨前的2倍。而降雨后樁的最大剪力值也都超過降雨前的1.7倍。4)與降雨之前相比，降雨之后錨桿的最大軸力顯著增加，各降雨入滲深度條件下錨桿最大軸力都超過了降雨前的2.5倍，并且錨桿最大軸力隨降雨入滲深度的增加而增加。5)降雨作用對錨桿長度方向軸力的分布規律影響很小，但其各點軸力值都會隨降雨入滲深度的增加而增大。6)由分析可得，在基坑設計及施工過程中不可忽視降雨因素的作用，尤其是對滲透系數較大的基坑土體而言，降雨作用會明顯加速基坑失穩的進程。

[1] 陳育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎與工程實例[M].北京：中國水利水電出版社，2009.

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[6] 唐孟雄，陳如桂，陳 偉.深基坑工程變形控制[M].北京：中國建筑工業出版社，2006.

[7] JGJ 120—99，建筑基坑支護技術規程[S].

Numerical simulation analysis on deep foundation stability under the action of rainfall

He Liping1Dong Jianjun2

(1.TaiyuanUniversityofScience&Technology,Taiyuan030024,China; 2.LiaoningUniversityofEngineeringTechnology,Huludao125105,China)

Taking the foundation engineering as an example, the paper carries out numerical simulation of foundation engineering and rainfall conditions under different rainfall infiltration conditions by applying FLAC3Dsoftware, and analyzes the foundation stability, which has provided some guidance for foundation support scheme design and construction by taking rainfall condition into consideration.

foundation support, rainfall infiltration, stability, numerical simulation

1009-6825(2016)11-0090-03

2016-01-23

賀麗平(1985- )，女，助理工程師； 董建軍(1978- )，男，副教授

TU463

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