芮彩雲(yún)，李 斌

（甘肅省建筑科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)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(shè)向著地下空間發(fā)展，伴隨著產(chǎn)生了大量超深基坑，而超深復(fù)雜基坑已經(jīng)成為研究的重點(diǎn)，其中基坑地下水滲流及水位變化引起的問(wèn)題也逐漸復(fù)雜多面［1］。基坑施工過(guò)程中，地下水的存在會(huì)加大基坑施工難度，而蘭州地區(qū)分布有大量的濕陷性黃土，屬黃河一級(jí)階地，地下水分布復(fù)雜［2，3］，具有較為明顯的三維非穩(wěn)定滲流特征［4-9］。在基坑開(kāi)挖與降水施工過(guò)程中，土體卸荷產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)和滲流所產(chǎn)生的滲流場(chǎng)土?xí)餐偈够又車(chē)馏w向坑內(nèi)發(fā)生變形，導(dǎo)致坑底土體隆起和周?chē)馏w產(chǎn)生沉降變形［10-15］。針對(duì)以上問(wèn)題，需通過(guò)對(duì)基坑施工過(guò)程中基坑開(kāi)挖與降水進(jìn)行模擬，分析基坑開(kāi)挖過(guò)程中各個(gè)工況所產(chǎn)生的變形。

本文以蘭州某深基坑支護(hù)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(jù)模型分析結(jié)果及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析了在蘭州地區(qū)特有地質(zhì)環(huán)境下基坑開(kāi)挖及降水對(duì)周邊環(huán)境的影響大小，為蘭州地區(qū)地鐵車(chē)站及類(lèi)似深基坑設(shè)計(jì)和施工提供重要的依據(jù)。

1 非飽和滲流-應(yīng)力全耦合模型

依據(jù)非飽和土有效應(yīng)力原理如式（1）及（2）所示。

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

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(xù)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(shù)，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(nèi)產(chǎn)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(shí)間內(nèi)水位變化幅度，m；β表示折減系數(shù)，通常砂土層取 1，黏性土層取 0.5。

開(kāi)挖荷載如式（5）所示。

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

2 工程概況

2.1 基坑水文地質(zhì)情況

根據(jù)實(shí)際地勘報(bào)告，場(chǎng)地內(nèi)含水層為卵石層，水隨季節(jié)性變化很大，穩(wěn)定水位埋深 8.1～9.3 m，且卵石層滲透系數(shù)為 55 m/d。場(chǎng)地內(nèi)各種地層土體數(shù)據(jù)，如表 1 所示。

表1 土體參數(shù)

2.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)基坑周邊實(shí)際環(huán)境情況，在保證安全性與經(jīng)濟(jì)性的前提下，選擇樁錨結(jié)構(gòu)式對(duì)該基坑進(jìn)行支護(hù)，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(shè)計(jì)

針對(duì)該基坑實(shí)際地下水位較淺且施工時(shí)又處于夏季的情況，設(shè)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(shè)置截水溝，防止倒灌。

3 實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

3.1 地表沉降監(jiān)測(cè)分析

基坑開(kāi)挖施工過(guò)程中需對(duì)地表沉降及變形位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)。根據(jù)場(chǎng)地實(shí)際條件并按照基坑監(jiān)測(cè)方案布設(shè)沉降觀測(cè)點(diǎn)，其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化曲線如圖 3 所示。根據(jù)圖 3 中的變化規(guī)律可得出：①沉降點(diǎn)布置位置處沉降值變化不明顯，樁身與土體之間的共同協(xié)調(diào)變形；②基坑開(kāi)挖初期，地表產(chǎn)生部分沉降，且基坑邊緣產(chǎn)生最大沉降；③隨著監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離基坑距離的增加，地表沉降曲線趨勢(shì)逐漸變小；④三個(gè)測(cè)點(diǎn)處的沉降值隨著基坑開(kāi)挖深度的增加而逐漸增加，其中 54 d 內(nèi)第 D15-05 測(cè)點(diǎn)沉降量增長(zhǎng)至 16.3 mm，隨著基坑繼續(xù)開(kāi)挖，各測(cè)點(diǎn)的變化基本趨于穩(wěn)定。

圖3 基坑周邊地表沉降變化曲線

3.2 樁體水平位移監(jiān)測(cè)分析

圖 4 為樁體水平位移監(jiān)測(cè)結(jié)果，其中位移為正值表示向坑內(nèi)變形。結(jié)果表明：各測(cè)孔從 4 月到 8 月的水平位移變化都在限值以內(nèi)，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)滿足基坑相關(guān)要求；最大水平位移發(fā)生在 0.5 H 左右深度處，表明基坑周邊土體強(qiáng)度較高，自身較為穩(wěn)定；隨著基坑開(kāi)挖深度增加，坑內(nèi)土體對(duì)支護(hù)樁體的反向壓力作用減小，坑外土體對(duì)樁體的作用增大。

圖4 樁體水平位移變化曲線

4 計(jì)算模型的建立

4.1 數(shù)值模型

本文采用有限元數(shù)值分析軟件對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程中位移進(jìn)行數(shù)值模擬分析。由于基坑尺寸較大，為了提高計(jì)算效率，利用矩形基坑結(jié)構(gòu)和土層的對(duì)稱(chēng)性，在實(shí)際計(jì)算分析時(shí)，依據(jù)圣維南原理及有限元分析尺寸效應(yīng)，本文選取的模擬基坑尺寸 140 m×120 m，開(kāi)挖深度為 11 m，具體的模型如圖 5 所示。建立三維數(shù)值計(jì)算結(jié)構(gòu)單元模型及網(wǎng)格如圖 6 所示，共產(chǎn)生 143 789 個(gè)計(jì)算單元。考慮到施工過(guò)程中超載的影響，基坑周邊超載均設(shè)置為 15 kPa。通過(guò)設(shè)置模型屬性實(shí)現(xiàn)土體的開(kāi)挖及基坑施工過(guò)程的模擬，土體本構(gòu)模型采用 Mohr-Coulomb。四周側(cè)邊界法向固定，底邊界固定。支護(hù)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(shù)值模擬 1/4 剖面計(jì)算模型

圖6 樁錨支護(hù)網(wǎng)格及結(jié)構(gòu)單元模型

4.2 工況模擬

1）計(jì)算基坑開(kāi)挖之前土體的初始滲流場(chǎng)和在自重作用下的初始地應(yīng)力場(chǎng)；

2）考慮施工過(guò)程，設(shè)置支護(hù)樁。

具體如表 2 所示。

表2 各工況信息

為了更真實(shí)地反映該基坑施工過(guò)程，在模擬過(guò)程中采用降水和開(kāi)挖交替進(jìn)行的方式：關(guān)于開(kāi)挖方式，土體開(kāi)挖分為 4 層土體。第 1 層土體，共開(kāi)挖 2 m，第 2、3 層土體，每層開(kāi)挖 3 m，開(kāi)挖至 5 m 時(shí)設(shè)置第一道錨索，每層土體開(kāi)挖后，完成相應(yīng)的支護(hù)結(jié)構(gòu)施工；第 4 層土體，共開(kāi)挖 2 m，該層土體開(kāi)挖完成后，完成底板。關(guān)于降水，潛水降水均在該層土體開(kāi)挖前完成。為了避免基坑底部發(fā)生突涌破壞，當(dāng)開(kāi)挖到地表以下 11 m 的時(shí)候，需要進(jìn)行承壓水降水。在基坑中共布置有 40 口降水井，計(jì)算的 1/4 模型中涉及四口降水井。

5 模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)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(xiàn)場(chǎng)沉降實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬對(duì)比結(jié)果。對(duì)比分析可得：與實(shí)際監(jiān)測(cè)值的變形規(guī)律大體相同。從圖 9 中可以看出，樁后土體發(fā)生局部下沉現(xiàn)象，分析原因主要為由坑后局部超載所引起；同時(shí)坑底土體發(fā)生隆起現(xiàn)象，分析原因?yàn)榛娱_(kāi)挖過(guò)程類(lèi)似于對(duì)坑底原狀土卸載過(guò)程，而坑底卸載后恢復(fù)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(duì)比分析

根據(jù)實(shí)際施工順序，認(rèn)為基坑開(kāi)挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)樁體變形最大，對(duì)比分析一點(diǎn)處樁水平位移的模擬結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)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(shì)基本類(lèi)似，而且滲流作用下位移偏大。實(shí)際監(jiān)測(cè)值顯示，監(jiān)測(cè)最大值小于滲流作用的模擬值，說(shuō)明滲流對(duì)樁體位移有一定影響，實(shí)際實(shí)施過(guò)程中需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，分析滲流影響。

6 結(jié)論

通過(guò)分析基坑考慮滲流影響的位移變化規(guī)律可得：

1）考慮滲流作用下基坑變形與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)差異較小，更符合實(shí)際變化工況。在蘭州地區(qū)進(jìn)行基坑降水計(jì)算分析過(guò)程中，應(yīng)考慮滲流的影響。

2）基坑周邊為基坑最大沉降發(fā)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(guī)律性。因此在基坑開(kāi)挖過(guò)程中，應(yīng)加強(qiáng)變形及沉降的監(jiān)測(cè)工作，保證基坑安全。

3）基坑在開(kāi)挖過(guò)程中，為了防止基坑發(fā)生過(guò)大位移，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行支護(hù)，并嚴(yán)禁超挖。Q