基坑开挖渗流模拟分析

初始条件为： h（ x， y， 0 ） = h0 （ x ， y） 。 边界条件如下： 水头边界： h | Γ1 = 珔 h（ x， y， t） 。 流量边界： h 珋 （ h， x， y， t） 。 Γ = －q n 2 y， t） — — —待求水头函数； 式中： h = h（ x， kn kx ， ky — — —以 x， y 轴为主轴方向的渗透系数；
要： 基于 Midas gts 软件对基坑开挖渗流分析进行模拟， 根据渗流力学和岩土力学原理， 建立基坑降水过程中渗流计算模型， 通
过研究渗流对基坑的影响， 分析了基坑外土体沉降及桩位移变化情况， 得出了一些有参考价值的结论 。 关键词： 基坑， 降水， 渗流， 数值模拟 中图分类号： TU463 文献标识码： A k H k h + =0 x x x y y y 情况后， 就可解非恒定渗流问题 。
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引言
由于我国城市人口密度的不断加大和城市建设的需要， 合理
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（ 2）
而对于基坑工程在大中城 的开发与利用地下空间变得更加迫切， 市随处可见， 基坑工程中的各项工程措施又相互制约， 其中任一 环节在设计施工中出现问题， 都会导致整个工程的失败 。 在基坑 开挖工程中首先要做好工程降水 。 对于降水过程中渗流影响前人也做了很多研究， 李筱艳 利 用位移反分析计算渗透系数非线性耦合响应的渗流 —应力完全 耦合模型参数， 从而模拟基坑降水开挖引起的土体变形； 基于比 邓肯— 张 E—μ 非线性本构关系和渗透系数非线性 奥固结理论、 耦合响应关系的完全耦合分析模型预测基坑开挖土体变形； 骆祖 采用有限差分法对基坑开挖的三维渗流沉降耦合分析； 冯 晓腊等 将三维水—土耦合模型应用于深基坑降水及其引起地
第一次开挖渗流 第一次开挖不渗流
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图3
第一次开挖坑外土体沉降曲线
图 3 中当基坑开挖 1 m 时， 基坑考虑渗流沉降曲线与不考虑 渗流的沉降曲线一致， 说明对于基坑开挖 1 m 时渗流对基坑外土 4 m， 6 m， 体沉降无影响； 在图 4 ～ 图 6 中基坑分别开挖 2． 5 m， 都
第 39 卷 第 4 期 2013 年2 月 文章编号： 1009-6825 （ 2013 ） 04-0041-02
SHANXI
山
西
ARCHITECTURE
建
筑
Vol． 39 No． 4 Feb． 2013
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基 坑 开 挖 渗 流 模 拟 分 析★
卞永伟
摘
王志杰
（ 海南大学土木建筑工程学院， 海南 海口 570228 ）
1128 ★： 海南省自然科学基金（ 项目编号： 511108 ） 收稿日期： 2012作者简介： 卞永伟（ 1985- ） ， 女， 在读硕士； 王志杰（ 1988- ） ， 男， 在读硕士
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第 39 卷 第 4 期 2013 年2 月
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桩水平位移/mm 4 6 8
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表明基坑考虑渗流沉降曲线大于不考虑渗流的沉降曲线， 表2 说 明考虑渗流对基坑沉降值变化， 在第四次开挖中沉降差值最大为 － 5． 9 mm， 数值显示基坑开挖越深， 渗流对基坑外侧沉降影响越 大， 而对于发生最大沉降差值位置则趋于平稳， 发生在 距 基 坑 3． 5 m 左右。
0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1 -1.2 -1.4 -1.6 2
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0 -2
桩的深度/m
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10
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-4 -6 -8 -10 -12
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距桩位置/m 4 6 8 10 12 14 16
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第一次开挖渗流 第一次开挖不渗流 第二次开挖渗流 第二次开挖不渗流 第三次开挖渗流 第三次开挖不渗流 第四次开挖渗流 第四次开挖不渗流
竖直沉降/ 考虑两个工况， 工况一： 考虑渗流影响， 工况二： 不考虑渗流影响（ 底部 1 m 土层设置不透 水层） 。
0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1
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2
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距桩位置/m 6 8 10 12 14 16
S S = ρg（ α + nβ） — — —单位贮水量； — —土和水的压缩系数； α， β— — —水的重度； ρg = γ w — — —第一类边界， Γ1 — 如上、 下游水位边界面和自由渗出面等 已知水头边界； — —不透水边界面和潜流边界面等第二类边界（ 已知流 Γ2 — 量边界） 。 SS = 0， 当不考虑水和土压缩时， 则式（ 1 ） 变为：
桩
6
土体 1 土体 2 土体 3
土体 1
10 12
φ 25 30 25
江等
5
4
［2 ］
3
土体 2 土体 3
本文 面沉降的计算； 但总的来说对基坑渗流影响研究相对甚少， 在前人已有的基础上， 应用 Midas gts 软件模拟基坑开挖降水过 研究了基坑开挖过程中是否考虑渗流及不同方向渗透系数变 程， 化对基坑变形影响分析 。
竖直沉降/mm
［3 ］ ［1 ］
这就是平面恒定渗流的微分方程， 当结合变动的自由面边界
2
Midas gts 数值模拟
模拟某基坑开挖， 长 40 m， 开挖深度 6 m， 分四次开挖， 每次开 2． 5 m， 4 m， 6 m， 挖深度分别为： 1 m， 支撑采用 H 型钢， 桩采用直 具体尺寸如图 1 所示。 划分单元及水头位 径为 0． 8 m 混凝土桩， 置见图 2 ， 土体具体参数见表 1 。
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图 1 基坑平面尺寸图
1
有限元基本方程
考虑土和水的压缩性， 符合达西定律的二维非均质各向异性
其水头函数所满足的基本方程为： 土体渗流， k H k h H + = SS x x x y y y t
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（ 1）
图 2 划分单元及水头位置
表1 土体具体参数
μ 0． 35 0． 33 0． 3 c / kN·m － 2 10 10 17 土层 1 2 3 厚度 / m 3 4 5 E / MPa 8 9 10