流固耦合條件下基坑降水開挖力學機理研究

1.濟南華置房地產開發有限公司，山東 濟南 250000

2.山東省機械設計研究院，山東 濟南 250031

近年來，隨著城市地下空間的不斷利用，越來越多的地下構筑物應運而生，由于地下結構所處環境的復雜性和不確定性，施工過程中事故頻發。鑒于此，國內外專家都對基坑開挖進行了一定研究。

國外，Westermann K等[1]提出了一種基礎自動化程序新技術，利用CPRF迭代過程自動化來替代原有結構，從而達到增加基坑穩定性和減少建造成本的目的。Ngoc D等[2]利用殘余應力模型在考慮基坑尺寸、深度以及各開挖應力的條件下進行回彈變形計算分析，并將實驗結果與PLAXIS 2D有限元模型進行對比，發現殘余應力模型結果與現場實測數據更相符，并且能夠預測基坑回彈變形規律。

國內，陳昆等[3]、曾超峰等[4]、鄭剛等[5]以天津市富力響鑼廣域網大型深基坑項目為背景，利用數值模擬分析與試驗檢測相結合的方式，研究了兩種情況下基底回彈、支護結構以及周邊土體變形規律等結果的差異性。賈堅等[6]、張婧等[7]通過對基坑開挖過程中主要應力變化行徑進行分析，指出基坑開挖數值模擬分析考慮土體變形特征的應力路徑相關性和壓硬性的重要性。李濤等[8]、索文斌等[9]以成都地鐵為工程背景，利用顆粒流數值模擬方法研究了深基坑開挖過程中土拱產生和發展的微觀機理。基于此，文章利用有限元差分軟件FLAC 3D對基坑降水開挖施工過程進行模擬，旨在為后續施工提供一定的參考。

1 工程地質

某工程區地下水位于地下2m處，根據現場試驗測定底層年代及成因，可以將土層分為三層。

（1）填土①層：主要由建筑垃圾和黃土構成，結構分布不均勻，并且部分為后來建造的人工地面結構，該層土厚度為2m。

（2）黏土②層：黃褐色，可塑～可塑偏硬，稍具搖振反應，稍有光澤，中等干強度，中等壓縮性，含錳質結合，含量自上而下逐漸增加，頂部一般為10%～15%，底部約為20%～25%，含氧化物條帶，該層土厚度為30m。

（3）全風化泥巖③層：紫紅色泥巖夾灰白色、灰黃色、灰綠色泥質砂巖，泥質結構，塊狀構造，以泥巖為主，原巖結構大部分被破壞，風化裂隙較為發育，錘擊聲悶，破壞后呈碎塊狀，遇水易軟化，粉砂巖較泥巖強度高，局部地段見鈣質膠結的砂巖，紫紅色泥巖巖塊用手可折斷或捏碎，粉砂巖較難鉆進，泥巖巖芯較完整，砂巖巖芯較破碎。該層土分布全線，厚度為68m。

具體土質物理參數如表1所示。

表1 土質物理參數表

2 數值模擬

通過有限元差分軟件FLAC 3D建立了基坑數值模擬計算模型，如圖1所示。由于基坑開挖過程中在基坑縱向方向的受力特征相似，此次模擬只截取其中某一區間來進行模擬分析，從而有效減少模型網格數量，加快整體模擬計算速度。根據模擬計算邊界影響效應，取開挖深度3～4倍距離作為基坑邊界到模擬邊界的距離，整個模型長200m、高100m、寬10m，由20000個實習單元構成。根據模擬計算要求，模型地面和左右側面為固定邊界，模型頂部為自由邊界。基坑外側土層選用摩爾-庫倫模型，地連墻結構選用彈性模型。

圖1 基坑數值模擬計算模型

3 模擬結果分析

3.1 基坑豎向位移

基坑開挖豎向位移云圖如圖2所示。從圖2中可以看出，基坑開挖后，基坑兩側出現地表沉降，基坑內出現坑底隆起現象，這是由于隨著基坑土體的卸載，原有的土體平衡狀態被打破，在土壓力差作用下土顆粒向基坑下部運動。而且隨著基坑開挖深度的不斷增加，地表沉降值和坑底隆起量也隨之增大。

圖2 基坑開挖豎向位移云圖

3.2 基坑水平位移

地連墻側向位移云圖如圖3所示。從圖3中可以看出，基坑開挖后，在兩側土體擠壓下地連墻向基坑內側發生側移，并且隨著深度的增加，地連墻側移呈現出先增加后減小的變形趨勢，這是由于隨著深度的不斷增大，兩側土壓力也隨之增加，地連墻在土體擠壓下產生更大側向位移。但是隨著深度的進一步增大，地連墻入土深度不斷增大直至巖層，由于巖體對地連墻側移有限制作用，地連墻側向位移逐漸變為零。隨著基坑開挖深度的不斷增加，地連墻側向位移不斷加大，這是由于隨著開挖的深度不斷增加，地連墻需承受的兩側土體壓力也隨之增加，當開挖深度達到設計基坑標高后，地連墻側向位移達到最大值80.6mm，在基坑實際開挖中要不斷對地連墻側向位移進行檢測，防止其出現過大位移造成墻體倒塌。

圖3 地連墻側移云圖

為了研究不同地下水位對地連墻側移的影響，分別繪制了地下水位-2m和-10m條件下地連墻側向位移曲線圖，如圖4所示。從圖4中可以看出，隨著入土深度的不斷增加，三步開挖步下地連墻都呈現出兩頭大、中間小的變形趨勢，并且地下水位由-2m降低到-10m后，地連墻側向位移也隨之減小，這是因為隨著地下水位降低，基坑內外水壓力差也隨之減小，水對地連墻的側向擠壓力減小，所以地下水位降低，地連墻側向位移減小。地下水位降低后，地連墻側向位移變化規律沒有改變，最大側向位移總是發生在開挖深度的2/3位置處，由此可以判斷地下水位的改變僅對地連墻側向位移的大小產生影響，而對地連墻變形規律沒有影響。

圖4 不同地下水位下地連墻側移曲線圖

4 結論

（1）基坑降水開挖會引起地表發生不均勻沉降，這是由于坑內土體的卸載使原有的平衡被打破，基坑外側土體向坑內擠壓，使地表發生沉降。

（2）由于坑內土體開挖，地連墻失去了原有土體的支撐，在外側土體的擠壓下，發生朝著坑內方向的側向位移。隨著深度的增大，地連墻側向位移呈現出先增大后減小的趨勢。

（3）通過改變原有地下水位所處的位置，研究地下水位對基坑開挖過程中各項力學機理的影響，發現隨著地下水位的降低，地連墻側移減小，地下水改變只會影響基坑變形的大小，而不會影響基坑變形分布規律。