【摘要】深基坑開(kāi)挖降水過(guò)程中，坑內(nèi)外壓力差可能引起嚴(yán)重的工程事故。本文通過(guò)采用滲流應(yīng)力耦合理論及摩爾庫(kù)倫模型，結(jié)合某樁錨復(fù)合支護(hù)深基坑工程實(shí)例建立三維有限元模型分析了該深基坑工程的變形情況，并與不考慮耦合的基坑變形情況進(jìn)行對(duì)比，主要包括基坑地表沉降、坑底回彈、側(cè)向位移等。結(jié)果表明：在兩種不同的有限元模擬條件下基坑變形形態(tài)基本一致；考慮地下水流固耦合分析對(duì)基坑變形的影響不容忽視，對(duì)實(shí)際工程的設(shè)計(jì)優(yōu)化有一定的參考意義。

【關(guān)鍵詞】樁錨復(fù)合支護(hù)；滲流；流固耦合；變形

1、引言

樁錨支護(hù)體系是將受拉桿件的一端固定在開(kāi)挖基坑的穩(wěn)定地層中，另一端與圍護(hù)樁相聯(lián)的基坑支護(hù)體系，它是在巖石錨桿理論研究比較成熟的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種擋土結(jié)構(gòu)，安全經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)使它廣泛應(yīng)用于邊坡和深基坑支護(hù)工程中[1]。目前工程中往往采取基坑降水的方法，來(lái)控制地下水影響。單純的應(yīng)用土壓力原理進(jìn)行水土合算或水土分算來(lái)分析，忽略了土體中水的流動(dòng)性[2]，往往不考慮孔隙水滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)相互作用的影響，為深基坑的穩(wěn)定帶來(lái)很多安全隱患。要準(zhǔn)確考慮基坑降水引起的滲流與應(yīng)力的變化，必須進(jìn)行流固耦合分析。

2、流固耦合計(jì)算原理

本文的流固耦合現(xiàn)象為基坑降水開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)力場(chǎng)與滲流場(chǎng)的相互作用。基坑土體開(kāi)挖簡(jiǎn)化為卸荷條件下卸除側(cè)向約束，同時(shí)存在地下水滲流固結(jié)的變形過(guò)程，土體中地下水滲流與固結(jié)變形都對(duì)基坑圍護(hù)墻上土壓力產(chǎn)生影響，利用巖土工程有限元軟件建立分析模型，設(shè)立特定水力邊界條件，通過(guò)數(shù)值方法模擬“流固耦合”效應(yīng)來(lái)考慮基坑開(kāi)挖的變形。

3、工程概況

大連某深基坑工程，基坑深10m，長(zhǎng)40m，寬20m，地下水位位于地表-3m左右。工程場(chǎng)區(qū)土層自上而下大致分為回填土、風(fēng)化土、風(fēng)化巖，土體參數(shù)及選用的材料模型見(jiàn)表1。由于地下水較豐富，圍護(hù)墻采用高15m，直徑為1m，凈間距為1m的C30混凝土鉆孔灌注樁和1m寬的止水帷幕。共設(shè)2 道錨桿，分別設(shè)置在樁頂以下3m和7m處，長(zhǎng)度自上而下依次為14.5m、10.0m，傾角分別為33.7°、45°?；硬扇∵吔邓_(kāi)挖邊支護(hù)的分步施工方案，第一步開(kāi)挖3m，設(shè)置第一排錨桿；第二步開(kāi)挖4m，設(shè)置第二排錨桿；第三步開(kāi)挖3m。第一步至第三步每步開(kāi)挖之前，均考慮將地下水降到開(kāi)挖面以下1m。

4、計(jì)算模型

為了將流固耦合的結(jié)果與不考慮耦合的情況進(jìn)行對(duì)比，本文建立兩個(gè)模型，一個(gè)是基于總應(yīng)力法不考慮耦合的降水開(kāi)挖模型，另一個(gè)是考慮流固耦合作用的降水開(kāi)挖模型。

本工程實(shí)例有下面幾個(gè)基本假定：

（1）假設(shè)含水層是水平的，并且水流服從達(dá)西定律[10]。

（2）假定降水一定時(shí)間后基坑中心處水位達(dá)到要求深度并處于暫時(shí)穩(wěn)定狀態(tài)。

（3）忽略降水時(shí)非飽和土對(duì)滲透效果的影響，模型滲透系數(shù)均采用土層飽和狀態(tài)下的滲透系數(shù)。

開(kāi)挖前打樁引起的土體原位應(yīng)力狀態(tài)的改變不予考慮，土體的初始應(yīng)力假定為靜止土壓力[11]。

5、計(jì)算結(jié)果分析

本文中流固耦合工況通過(guò)考慮開(kāi)挖基坑的降水變形實(shí)現(xiàn)了滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的耦合模擬，包括1個(gè)打樁階段、3個(gè)降水階段、3個(gè)降水變形階段、3個(gè)開(kāi)挖階段共10個(gè)主要施工階段；而不考慮流固耦合工況則通過(guò)降水后直接開(kāi)挖實(shí)現(xiàn)，包括1個(gè)打樁階段、3個(gè)降水階段、3個(gè)開(kāi)挖階段共7個(gè)主要施工階段。

5.1 基坑水平位移

在各開(kāi)挖階段，考慮流固耦合作用的基坑壁變形要比不考慮流固耦合作用小，在開(kāi)挖最終結(jié)束時(shí)，最大位移減小了5mm。完全流固耦合的滲流方式考慮了基坑內(nèi)外側(cè)水壓，模擬了降水變形施工階段，表現(xiàn)出孔隙水壓力逐漸消散，基坑壁水平位移回彈這一過(guò)程，符合實(shí)際情況。

5.2 基坑地表沉降

考慮流固耦合時(shí)基坑周圍的地表沉降規(guī)律跟不考慮流固耦合時(shí)基本一致，都在距離坑壁一定距離處出現(xiàn)最大沉降位移，對(duì)于本文的基坑實(shí)例，考慮流固耦合時(shí)最大沉降位移為12mm，略小于不耦合開(kāi)挖方式的13mm。每次降水后，基坑的地表沉降位移在坑壁一定距離處會(huì)有大幅度的增加，在距坑壁較遠(yuǎn)處會(huì)有一定的回彈，而受開(kāi)挖影響的地表豎向位移反而較小，考慮流固耦合情況的基坑開(kāi)挖詳細(xì)的表現(xiàn)了基坑地表沉降變形的主要原因，值得深究。

5.3 基坑坑底隆起

隨著開(kāi)挖深度的增加，兩種情況的坑底隆起量增加，考慮完全流固耦合時(shí)的回彈隆起位移要小于不考慮完全耦合作用的隆起位移，至開(kāi)挖結(jié)束時(shí)，最大隆起位移相差3mm左右。兩種情況下坑底土體隆起量在距坑壁較近的范圍內(nèi)呈近似曲線增大，且曲率較大；在距坑壁較遠(yuǎn)處，土體隆起量雖繼續(xù)增加，但增速較緩慢。

結(jié)語(yǔ)：

（1）在基坑各步開(kāi)挖的施工過(guò)程中，基坑側(cè)壁的最大位移均在基坑的開(kāi)挖面附近；基坑地表最大沉降位移在距離坑壁一定距離處；坑底土體隆起量在距坑壁較近的范圍內(nèi)呈近似曲線增大，且曲率較大；在距坑壁較遠(yuǎn)處，土體隆起量雖繼續(xù)增加，但增速較緩慢。由本文考慮的兩種情況可知，完全流固耦合的基坑開(kāi)挖方式減小了上述三種變形位移量，但程度較小，影響較小。

（2）錨桿在自由段軸力均勻分布，為錨固段軸力最大值，錨固段軸力在剛進(jìn)入錨固段時(shí)錨桿軸力減幅較大，在錨固段的近端則是緩慢減小，在錨固段的末端則減小為零。對(duì)比本文兩種模擬情況可知，考慮完全流固耦合情況下各排錨桿軸力與不完全流固耦合情況下差別很大，錨桿軸力較小，在同等情況下，最大減小了120kN，說(shuō)明考慮完全流固耦合情況下，可以進(jìn)一步優(yōu)化錨桿的設(shè)計(jì)。

（3）通過(guò)耦合和不耦合兩種情況對(duì)比知，流固耦合情況下基坑降水開(kāi)挖能更清晰的表現(xiàn)基坑變形性狀，值得進(jìn)一步的探討。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐勇，楊挺，王心聯(lián).樁錨支護(hù)體系在大型深基坑工程中的應(yīng)用[J].地下工間與工程學(xué)報(bào)，2006，2（4）：646-649.

[2]張小偉，姚笑青.基坑工程變形的滲流應(yīng)力耦合分析[J].地下工間與工程學(xué)報(bào)，2012，8（2）：339-344.

[3]朱彥鵬，任永忠，周勇.基于滲流場(chǎng)-應(yīng)力場(chǎng)耦合作用下的深基坑降水支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移研究[J].工程勘察，2012，（7）：32-36.