張 楊，令狐延，陳 凱

（中國建筑第四工程局有限公司 廣州510006）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，城鎮(zhèn)居民用地越來越緊張，超深地下室在地下空間領(lǐng)域中得到了前所未有的發(fā)展。由于受地上既有老式建（構(gòu)）筑物的影響以及地下空間綜合利用的需要，用地紅線多與地下室邊線重合或距離較近，這就意味著基坑開挖邊線距既有建（構(gòu)）筑物越來越近[1]。

超深基坑的開挖卸載必然會導致土體應力的釋放，使得基坑圍護結(jié)構(gòu)和周邊土體有趨向于基坑應力釋放方向的變形。目前，國內(nèi)外有很多學者針對土體卸載應力釋放對周邊建（構(gòu)）筑物的影響進行了分析，但大多都未考慮地下水和土體的流固耦合相互作用關(guān)系[2]，實際上由于存在土體中的孔隙水壓力會直接對土顆粒間的平衡系統(tǒng)產(chǎn)生影響，這就使得理論模型與工程實際情況有所出入，無法準確模擬水位變化和土顆粒之間耦合作用條件下，土體卸載對周邊建（構(gòu)）筑物的影響大小[3]。

在一些地下水位較高的沿海城市，如深圳、上海、珠海等地區(qū)，基坑在開挖過程中涌砂、涌水、地層隆起等不良地質(zhì)現(xiàn)象時有發(fā)生，這會造成周邊建（構(gòu)）筑物沉降變形過大，甚至開裂、坍塌。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國103 項基坑事故中，至少有22%是因為未重視地下水位變化所直接或間接造成的[4]。本世紀60年代初期，已有學者開始注意到應力場和滲流場的耦合作用關(guān)系在地下空間中的應用，如Durand 和Louis 等ARNON 大壩分析中，將水、土二者產(chǎn)生的應力場進行了耦合分析；沈珠江，張誠厚等在定長水流作用無支護基坑中也采用了有限元流固耦合分析，并取得了良好的效果。

本文主要在國內(nèi)外學者現(xiàn)階段研究成果的基礎(chǔ)上，以深圳市某實際工程案例為背景，采用大型有限元仿真模擬手段，重點對比分析周邊既有建（構(gòu)）筑物在考慮應力場、滲流場耦合作用和不考慮二者固流耦合作用兩種情況下的位移變化大小，并與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比，旨為后續(xù)其他類似項目提供設計依據(jù)和施工處理措施。

1 工程概況

1.1 工程介紹

本項目位于廣東省深圳市光明新區(qū)玉塘街道長圳社區(qū)光僑路與長升路交匯處，南側(cè)為嘉聯(lián)華超市及工業(yè)廠房，工業(yè)廠房磚墻外邊線與建筑紅線重疊，距支護樁外側(cè)不足2 m；東側(cè)為七號路及老式建（構(gòu)）筑物，距基坑開挖邊線最近處約22.5 m；西側(cè)為廠房；北側(cè)為在建03 地塊（03 為后期擬建場地，目前正進行基坑圍護結(jié)構(gòu)施工）。

1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)狀況

根據(jù)深圳市建設綜合勘察設計院有限公司提供的《勤誠達光明更新改造項目（二、三期）勘察工程巖土工程勘察報告》，擬開挖場地內(nèi)地層自上而下分為：素填土（平均厚度3.00 m）、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土（平均厚度2.40 m）、含砂粉質(zhì)黏土（平均厚度2.24 m）、礫砂（平均厚度5.11 m）、粉質(zhì)黏土（平均厚度3.70 m）、砂質(zhì)黏性土（平均厚度8.60 m）、全風化混合巖（平均層厚8.53 m）、強風化混合巖（平均層厚8.64 m）、中風化混合巖（平均層厚2.96 m）以及微風化混合巖（中風化混合巖以下均為微風化混合巖），典型鉆孔柱狀圖如圖1 所示。

本項目地下水較豐富，地下水類型主要為孔隙型潛水及基巖裂隙水，孔隙潛水賦存于第四系地層和全風化混合巖中，主要儲水層為礫砂層，有關(guān)地下水位的分布情況分述如下。

1.2.1 孔隙潛水

①填土層主要以砂質(zhì)黏性土、石英質(zhì)顆粒和少量碎塊石等組成，局部含少量的建筑垃圾，含水量較貧乏，透水性一般，屬弱～中等透水層。

②1第四系沖洪積層的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土主要以粉土和黏土為主，含水量較豐富，透水性差，屬弱透水層；②2含砂粉質(zhì)黏土含水量較貧乏，透水性較差，屬弱透水性；②3礫砂層主要以石英粒為主，含水量較豐富，透水性強，屬強透水層。②4粉質(zhì)黏土層含水量較貧乏，透水性差，屬弱透水性。

③第四系殘積層的砂質(zhì)黏性土層主要以砂粒和黏性土為主，由于顆粒間膠結(jié)，含水量較貧乏，屬弱透水層。

④1全風化混合巖呈堅硬土狀，由于顆粒間膠結(jié)，含水量較貧乏，屬弱透水層。

地下水受大氣降水及鄰近含水層補給，動態(tài)隨季節(jié)性變化。地下水的排放主要靠大氣蒸騰和通過山泉水外泄進行排放。地下水的流向主要從東南往西北流向。

1.2.2 基巖裂隙水

基巖裂隙水主要分布于強、中風化巖層中，受基巖裂隙發(fā)育程度和連通性的影響，強、中風化粉砂質(zhì)巖呈弱～中等透水性，該層地下水具微承壓性。受上部潛水的下滲或側(cè)向徑流補給。

鉆探期間鉆孔測得的地下水位埋深3.80～5.80 m，相應標高15.39～20.69 m。地下水流向主要為由東南向西北流向。地下水位受地貌形態(tài)、雨季大氣降水、地表水系下滲影響較大，地下水變化幅度在1.0～2.0 m。

2 理論分析依據(jù)

目前國內(nèi)外學者在有關(guān)地下水位的計算時大多采用達西定律（又稱線性滲流規(guī)律），該理論模型認為：土體在飽和狀態(tài)下，水力坡降和水的滲流速度之間呈線性關(guān)系，基于這一理論，在水、土壓力計算時大多將水土分開計算或?qū)⑺畨毫Φ刃殪o止荷載與土壓力合算，但這兩種方法都是有局限性的，二者均無法考慮應力場和滲流場之間的相互作用關(guān)系，更無法準確模擬土中水的孔隙壓力消散變化規(guī)律[5]。而Biot從孔隙水壓力消散與土骨架變形二者相互影響的角度推導出了Biot 三維固結(jié)理論，該理論能夠真實反映滲流場和應力場之間的耦合感化狀態(tài)，比較貼近實際，因此又稱為三維真固結(jié)理論，這也是下文分析所采用的理論基礎(chǔ)。

簡化后的Biot 固結(jié)理論主要由滲流連續(xù)方程和平衡微分方程組成，其具體表達式如式⑴所示：

式中：G為剪切模量，G=E/[2（1+μ）]；μ為泊松比為位移分量；p為孔隙水壓力為等數(shù)滲透數(shù)表示拉普拉斯算子。

將上述Biot 固結(jié)方程式作有限元離散化處理，其有限元增量可表示如式⑵：

本方程即為流固耦合有限元表達式。式中：[K]為剛度矩陣；[T]為滲漏導水矩陣；[L]為耦合矩陣，主要體現(xiàn)流場變化對應力場應變的影響；△δi為位移增量；△pi為孔隙水壓力增量；△Fi為節(jié)點力增量值；{Qi}為點匯流項。除以上分析外，在實際應用時，還需要滿足位移邊界以及滲流邊界，以確定有限元運行計算的初始條件[6]。

3 有限元仿真模擬分析

本文以靠近既有老式建（構(gòu)）筑物一側(cè)的基坑為重點，主要模擬無地下水位和地下水位在地表以下3 m 時的真實狀況，根據(jù)設計要求，南側(cè)靠近既有建（構(gòu)）筑物一側(cè)預留高4.6 m，寬12.6 m 的反壓土臺，反壓土臺位置采用逆作法施工，施工時先行將受土臺影響位置人工挖孔樁基礎(chǔ)完成，然后施做反壓土臺影響區(qū)域的地下室結(jié)構(gòu)頂板，達到換撐條件后再開挖反壓土臺土體并施工其下方的地下室結(jié)構(gòu)底板，然后按順序施做原反壓土臺影響范圍內(nèi)的地下室結(jié)構(gòu)，塔樓地上結(jié)構(gòu)部分按正常流水施工，下文將采用實體網(wǎng)格準確模擬反壓土臺。

建模時采用場地地層主要根據(jù)靠近既有建（構(gòu)）筑物的勘察鉆孔資料進行適當歸并而得到偏向不利地層[7]，根據(jù)場地地質(zhì)條件及基坑開挖的實際情況，建立的模型總長度為350 m，寬度為220 m，高度為60 m。邊界條件設定為：左右邊界dx=0，底面dz=0，前后面dy=0。地面的超載取20 kN/m2。

計算時，將對地層和周邊既有老式建（構(gòu)）筑物作位移清零處理，用K0作為模型初始計算條件，以精確模擬土體開挖和土中水滲流相互耦合作用關(guān)系造成的位移變化[8]。

綜上，本項目三維有限元模型如圖1 所示。

圖1 三維有限元模型圖Fig.1 Supporting Structure of 3D View

根據(jù)以上分析，在不考慮應力場和滲流場耦合作用情況下（僅將水在土體中的作用力等效成靜止水壓力計算），基坑周邊老式建筑物最大沉降T1為3.181 mm，其變形云圖如圖2a 所示。

若地下水位在地面以下3 m 位置時，考慮水-土應力場耦合相互作用（本次建模未考慮砂土的固結(jié)沉降），基坑周邊老式建筑物最大沉降T2為4.233 mm，其變形云圖如圖2b 所示。

圖2 整體位移變化云圖Fig.2 The Total Displacement Diagram of the Model

從以上計算結(jié)果可以看出，不考慮流固耦合情況下，周邊建筑物最大沉降為T1=3.181 mm，而考慮流固耦合相互作用情況下，周邊建筑物最大沉降為T2=4.233 mm，差值T2-T1=1.052 mm，增量的絕對值為△T=33%，由此可以看出雖然沉降值變化不大，但增量變化比較顯著。

結(jié)合第三方監(jiān)測單位提供的監(jiān)測數(shù)據(jù)，該處民房實際沉降值為3.95 mm，相比較而言，更接近考慮流固耦合作用下的計算值。

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

本文通過廣東省深圳市光明新區(qū)玉塘街道長圳社區(qū)實際工程項目為背景，采用大型有限元實體建模方法，分別進行了考慮水土流固耦合和不考慮流固耦合作用的模擬分析，同時結(jié)合國內(nèi)外作者類似課題的研究，在上述基礎(chǔ)上可以得出如下結(jié)論：

⑴為保證基坑開挖過程中周邊建筑物的安全，周邊建議設置觀測井，注意地下水位的變化，必要時，及時進行回灌。

⑵雖然考慮流固耦合和不考慮流固耦合二者在計算數(shù)值上相差不大，但根據(jù)監(jiān)測結(jié)果顯示，考慮流固耦合的情況下更接近實際值，也驗證了Biot 固結(jié)理論的準確性和可行性。

⑶從計算結(jié)果可以看出，傳統(tǒng)水土分算或合算的計算值偏小，即不考慮流固耦合作用下的計算結(jié)果是偏于保守的，也是存在一定風險的，雖然目前基坑設計基本都會考慮設置止水帷幕，但這只是延長了滲流路徑，基坑內(nèi)外依然存在水頭差，坑內(nèi)降水仍會使內(nèi)外產(chǎn)生滲流，且滲流方向指向土體開挖一側(cè)，這對基坑的穩(wěn)定性十分不利[9]，會大大降低坑底被動區(qū)抗力，尤其砂土較厚地區(qū)，有可能產(chǎn)生涌砂、涌水，給施工的順利開展帶來一定困難。

⑷一般來說，基坑開挖過程中土體應力釋放機理是很復雜的，不同施工順序和工藝對結(jié)果的影響也不盡相同，地下水位的變化幅度也會直接影響到周邊建筑的沉降，在施工時應加強觀測。

⑸本項目在實際施工過程中靠近既有建筑物一側(cè)預先留設反壓土體，以抵消部分圍護結(jié)構(gòu)水土壓力，減少變形，待其他區(qū)域地下室主體結(jié)構(gòu)完成后再施工預留反壓土體影響范圍區(qū)域，采用逆作法較原設計采用的順做法有較大的工期優(yōu)勢，經(jīng)初步測算，節(jié)省工期約56 d，該方法在本項目應用中取得了良好的效果，值得類似項目效仿，具有一定推廣價值。

4.2 展望

通過以上分析容易看出，基于Biod 固結(jié)理論的流固耦合關(guān)系具有一定現(xiàn)實意義，但本文在建模過程中仍有諸多問題沒有考慮到位，還有諸多問題值得進一步研究，如沒有對滲流結(jié)果進行后處理，僅提取重要結(jié)果作為分析依據(jù)，建模時未考慮砂土的固結(jié)沉降，也沒有考慮水在滲流過程中造成砂土顆粒流失的情景，同時，受限于現(xiàn)有的理論和計算模型，流場和應力場耦合過程中還無法準確模擬圍護結(jié)構(gòu)的實際狀態(tài)，這就使得理論模型和真實情況有所出入[10]。本文旨在拋磚引玉，希望后來學者在該課題上能夠有更多的研究，以進一步加快真三維固結(jié)理論在設計、施工生產(chǎn)等領(lǐng)域的應用。