深基坑樁錨支護滲流數值分析與監測研究

芮彩雲，李 斌

（甘肅省建筑科學研究院有限公司，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

隨著經濟建設速率的增加，城市用地范圍逐漸趨于緊張，必然造成城市建設向著地下空間發展，伴隨著產生了大量超深基坑，而超深復雜基坑已經成為研究的重點，其中基坑地下水滲流及水位變化引起的問題也逐漸復雜多面［1］。基坑施工過程中，地下水的存在會加大基坑施工難度，而蘭州地區分布有大量的濕陷性黃土，屬黃河一級階地，地下水分布復雜［2，3］，具有較為明顯的三維非穩定滲流特征［4-9］。在基坑開挖與降水施工過程中，土體卸荷產生的應力場和滲流所產生的滲流場土會共同促使基坑周圍土體向坑內發生變形，導致坑底土體隆起和周圍土體產生沉降變形［10-15］。針對以上問題，需通過對基坑施工過程中基坑開挖與降水進行模擬，分析基坑開挖過程中各個工況所產生的變形。

本文以蘭州某深基坑支護及降水工程為例，基于基坑降水三維滲流分析方法，建立了深基坑降水三維滲流模型，根據模型分析結果及監測數據分析了在蘭州地區特有地質環境下基坑開挖及降水對周邊環境的影響大小，為蘭州地區地鐵車站及類似深基坑設計和施工提供重要的依據。

1 非飽和滲流-應力全耦合模型

依據非飽和土有效應力原理如式（1）及（2）所示。

式（1）中：σ′為有效應力，Pa；σ為總應力，Pa；uw為孔隙水壓力，Pa；χ為面積系數，與土體的sr有關。

式（2）中：G表示剪切模量，Pa；v表示泊松比；wx，wy，wz分別表示x，y和z方向上的位移分量，m；u為孔隙水壓力，Pa；n為孔隙率；γw為水的重度，N/m3；γd為土的干重度，N/m3。

故非飽和土滲流連續性方程，如式（3）所示。

式（3）中：kx，ky，kz分別為x，y和z方向上的滲透系數，m/d；θ為體積含水量，θ=nsr，%；ss為單位土體的貯水率，%。

地下水位降低所引起基坑內產生荷載如式（4）所示。

式（4）中：pw表示水位變化施加于地層荷載，Pa；Δh表示 Δt時間內水位變化幅度，m；β表示折減系數，通常砂土層取 1，黏性土層取 0.5。

開挖荷載如式（5）所示。

式（5）中：M表示移除單元數；N表示形函數；σ0表示初始應力場，Pa；B為應變位移矩陣，m-1。

2 工程概況

2.1 基坑水文地質情況

根據實際地勘報告，場地內含水層為卵石層，水隨季節性變化很大，穩定水位埋深 8.1～9.3 m，且卵石層滲透系數為 55 m/d。場地內各種地層土體數據，如表 1 所示。

表1 土體參數

2.2 支護結構設計

根據基坑周邊實際環境情況，在保證安全性與經濟性的前提下，選擇樁錨結構式對該基坑進行支護，基坑平面布置圖如圖 1 所示，典型剖面如圖 2 所示。

圖1 平面布置圖

圖2 典型剖面圖（單位：mm）

2.3 基坑降水設計

針對該基坑實際地下水位較淺且施工時又處于夏季的情況，設置直接 0.8 m 的降水井 40 口。降水井分布形式為：沿基坑四周均勻布置降水井且距離基坑上口線距離控制在 3 m 左右；并在基坑上口線位置處設置截水溝，防止倒灌。

3 實際監測結果分析

3.1 地表沉降監測分析

基坑開挖施工過程中需對地表沉降及變形位移進行監測。根據場地實際條件并按照基坑監測方案布設沉降觀測點，其監測數據變化曲線如圖 3 所示。根據圖 3 中的變化規律可得出：①沉降點布置位置處沉降值變化不明顯，樁身與土體之間的共同協調變形；②基坑開挖初期，地表產生部分沉降，且基坑邊緣產生最大沉降；③隨著監測點距離基坑距離的增加，地表沉降曲線趨勢逐漸變小；④三個測點處的沉降值隨著基坑開挖深度的增加而逐漸增加，其中 54 d 內第 D15-05 測點沉降量增長至 16.3 mm，隨著基坑繼續開挖，各測點的變化基本趨于穩定。

圖3 基坑周邊地表沉降變化曲線

3.2 樁體水平位移監測分析

圖 4 為樁體水平位移監測結果，其中位移為正值表示向坑內變形。結果表明：各測孔從 4 月到 8 月的水平位移變化都在限值以內，基坑圍護結構滿足基坑相關要求；最大水平位移發生在 0.5 H 左右深度處，表明基坑周邊土體強度較高，自身較為穩定；隨著基坑開挖深度增加，坑內土體對支護樁體的反向壓力作用減小，坑外土體對樁體的作用增大。

圖4 樁體水平位移變化曲線

4 計算模型的建立

4.1 數值模型

本文采用有限元數值分析軟件對基坑開挖過程中位移進行數值模擬分析。由于基坑尺寸較大，為了提高計算效率，利用矩形基坑結構和土層的對稱性，在實際計算分析時，依據圣維南原理及有限元分析尺寸效應，本文選取的模擬基坑尺寸 140 m×120 m，開挖深度為 11 m，具體的模型如圖 5 所示。建立三維數值計算結構單元模型及網格如圖 6 所示，共產生 143 789 個計算單元。考慮到施工過程中超載的影響，基坑周邊超載均設置為 15 kPa。通過設置模型屬性實現土體的開挖及基坑施工過程的模擬，土體本構模型采用 Mohr-Coulomb。四周側邊界法向固定，底邊界固定。支護樁采用板單元模擬，錨索自由段利用錨桿單元模擬，錨固段利用土工格柵模擬。

圖5 數值模擬 1/4 剖面計算模型

圖6 樁錨支護網格及結構單元模型

4.2 工況模擬

1）計算基坑開挖之前土體的初始滲流場和在自重作用下的初始地應力場；

2）考慮施工過程，設置支護樁。

具體如表 2 所示。

表2 各工況信息

為了更真實地反映該基坑施工過程，在模擬過程中采用降水和開挖交替進行的方式：關于開挖方式，土體開挖分為 4 層土體。第 1 層土體，共開挖 2 m，第 2、3 層土體，每層開挖 3 m，開挖至 5 m 時設置第一道錨索，每層土體開挖后，完成相應的支護結構施工；第 4 層土體，共開挖 2 m，該層土體開挖完成后，完成底板。關于降水，潛水降水均在該層土體開挖前完成。為了避免基坑底部發生突涌破壞，當開挖到地表以下 11 m 的時候，需要進行承壓水降水。在基坑中共布置有 40 口降水井，計算的 1/4 模型中涉及四口降水井。

5 模擬結果與實測結果對比分析

5.1 地表沉降分析

地表沉降及水平位移的變化云圖如圖 7、8 所示，圖 9 為現場沉降實測與數值模擬對比結果。對比分析可得：與實際監測值的變形規律大體相同。從圖 9 中可以看出，樁后土體發生局部下沉現象，分析原因主要為由坑后局部超載所引起；同時坑底土體發生隆起現象，分析原因為基坑開挖過程類似于對坑底原狀土卸載過程，而坑底卸載后恢復了部分彈性變形。

圖7 土體的水平位移云圖

圖8 土體豎向位移云圖

圖9 基坑坑外地表沉降

5.2 樁體水平位移對比分析

根據實際施工順序，認為基坑開挖至設計標高時樁體變形最大，對比分析一點處樁水平位移的模擬結果與監測結果，如圖 10 所示。

圖10 樁體的水平位移

由圖 10 中可看出，3 種不同情況下的樁體水平位移變化趨勢基本類似，而且滲流作用下位移偏大。實際監測值顯示，監測最大值小于滲流作用的模擬值，說明滲流對樁體位移有一定影響，實際實施過程中需要結合現場情況，分析滲流影響。

6 結論

通過分析基坑考慮滲流影響的位移變化規律可得：

1）考慮滲流作用下基坑變形與實際監測數據差異較小，更符合實際變化工況。在蘭州地區進行基坑降水計算分析過程中，應考慮滲流的影響。

2）基坑周邊為基坑最大沉降發生處，并隨著距離基坑距離逐漸加大，位移也逐漸減小，并具有一定的范圍和規律性。因此在基坑開挖過程中，應加強變形及沉降的監測工作，保證基坑安全。

3）基坑在開挖過程中，為了防止基坑發生過大位移，應及時進行支護，并嚴禁超挖。Q