渗流应力场耦合作用下苏州工业园区某地下车库基坑的变形分析
渗流应力场耦合作用下苏州工业园区某地下车库基坑的变形分析摘要：地下水渗流对基坑变形的影响成为当前研究的热点，以苏州工业园区某地下车库基坑为例，采用ABAQUS模拟基坑开挖及支护过程，分析基坑开挖过程中的变形及渗流场规律。
结果表明：在开挖间歇期的坑外地表沉降量均比同期开挖结束后的沉降量要小，而基底隆起量比同期开挖结束后的隆起量要大。
每步开挖间歇结束时，围护墙的水平位移有所减小。
随着开挖的进行，围护墙周围的水头等势线越来越密，地面沉降形状为下凹的盆地形状。
关键词：基坑；渗流-应力耦合分析;有限元模拟1引言基坑开挖时，坑内外通常存在着水头差，地下水将在坑内外水头差作用下发生渗流。
基坑开挖过程是地下水渗流与岩土变形动态耦合的过程。
利用渗流-应力耦合理论研究开挖过程中地下水的渗流形态和孔隙水压力场的分布，分析地下水渗流对基坑稳定性的影响具有重要意义。
近几年来，许多研究者在分析渗流稳定问题时，引入了渗流场与应力场的关系，即渗流-应力耦合关系，并在岩土工程的各个领域取得了一定的成果和进展，渗流-应力耦合问题已成了研究的热点问题。
谢兼量[1]进行了渗流应力耦合条件下的海堤边坡稳定性研究；贾善坡等[2]进行了泥岩隧道施工过程中，渗流场与应力场完全耦合的损伤模型研究；张巍等[3]对大型地下洞室群围岩进行了应力-损伤-渗流的耦合分析；张媛媛[4]，苗丽等[5]，周建国等[6]在土坝的渗流场与应力场的耦合应用方面的研究获得了一些进展；王强等[7]，杨永恒[8]，郭娟[9]，周舒威等[10]基于渗流-应力耦合对尾矿坝的稳定性进行了研究；李筱艳[11]、纪佑军等[12]采用渗流-应力耦合分析，求解基坑的渗流场以及位移场。
本文结合苏州工业园区星海街站南北两侧公共地块地下车库项目，利用ABAQUS有限元软件进行了基坑工程在渗流－应力耦合作用下的变形分析，可为基坑工程的设计和施工提供参考。
2工程概况和地质条件星海街站南北两侧公共地块地下车库场地，位于苏州工业园区星海街及其以西、苏华路南北两侧的公共地块内。
项目主要包括绿地、下沉式广场、地下两、三层停车场及局部商业、预留地下通道，部分地面建（构）筑物。
地下车库北基坑北侧5m为苏雅路，东侧基坑边线位于星海街慢车道上，距离建园大厦4～7m，南侧基坑边线位于苏华路慢车道上，西侧较为空旷，现为绿化草坪。
南基坑北侧基坑边线位于苏华路慢车道上，东侧基坑边线位于星海街慢车道上，距离星海大厦3～7m，南侧基坑边线以南7m有一近东西走向河道（相门塘），C25孔以南现为在建工地，西侧较为空旷，为绿化草坪。
地下室结构采用现浇钢筋混凝土框架体系，地下室结构底板（无论地下两层或三层）均处于同一标高，地下室结构顶板上部覆土（至自然地面）地下三层处约 1.3m，地下两层处约 3.0m，基坑深度为自然地面以下约14.5m。
场地地貌单元属长江三角洲太湖流域冲湖积平原区，地貌形态单一。
拟建场地66.30m以浅各土层由第四系全新统～中更新统（Q4～Q2）冲湖积相沉积物组成，呈水平层状分布，土的物理力学性质如表1所示。
地表水主要为场地南侧河道内河水，河水面标高1.34m，水深2～3m，河底淤泥厚0.5～1.0m。
潜水主要赋存于①1杂填土、①2素填土层中，勘察期间，测得其初见水位标高1.6m左右，稳定水位标高1.24~1.45m。
微承压水主要赋存于④a粉质粘土、④粉土层中，最大涌水量为38.304m3/d，渗透系数平均值为4.18×10-4cm/s，属“弱透水”级。
勘察期间实测微承压水头标高在1.16m，随季节变化地下水位有升降，年变幅0.80m左右。
承压水主要赋存于⑦粉砂、⑨粉土层中，水头埋深在地面以下2.32m，承压水头标高0.16m左右。
3有限元分析3.1模型尺寸与计算参数本工程取北侧基坑东西向AA－B1B1二维断面进行分析，基坑宽为120m，基坑开挖深度为13.5m，开挖至1.5m和7.2m深度时设置支撑。
由于基坑轴对称性比较好，取一半进行模拟。
土体模型大小为261.3m×70m(1/2宽度高度)，墙体按照等刚度原则将支护桩和止水桩换算成厚为1.3m的地下连续墙，墙身高度以大部分桩长为依据定为24.8m。
土体采用减缩积分的四节点平面应变孔压单元CPE4PR，围护墙采用减缩积分的四节点平面应变单元CPE4R，如图1所示。
支撑的作用主要是限制土体向基坑内部位移，这里采用施加位移约束的条件来实现，即假设支撑是刚性。
图1二维有限元计算模型对于地基土层，采用Mohr-Coulomb模型，模型中各材料参数如1所示。
围护墙，重度取为25kN/m3，弹性模量取为10GPa，泊松比取为0.2。
3.2边界条件模型左边界为轴对称边界条件，右边设置水平方向位移约束，底部边界设置水平、竖直方向位移约束。
模型右边界假定孔隙水压力不发生变化为定水头边界，即水源源不断地补充，模型底部为不透水边界，模型左边界孔隙水压力随着降水水头的变化而变化。
3.3有限元模拟的实施步骤（1）建立整个场地土体及支护结构(地下连续墙)有限元模型；（2）设置初始有效应力，孔隙比及孔静水压力，施加重力荷载，平衡初始应力场，由于桩与土弹模和密度相差太大，第一步平衡时，将桩的模量、密度设置跟土相近；（3）二次平衡地应力，此步将桩的模量设置成实际值，二次地应力平衡后，位移量级控制在10-4~10-5m量级；（4）施加桩剩余部分的重力荷载；（5）逐层降水并“杀死”各层的土体单元，模拟基坑降水和基坑开挖；（6）限制支撑与墙体相交处的节点位移，模拟支撑作用；（7）开挖一层土之后都有一个施工间歇过程，使超静孔隙水压力得以消散；（8）重复步骤（5）～（7）直至开挖到基底。
此基坑工程的分析共分成11步，其中初始应力场平衡为第一步，基坑开挖分三次完成，前两次开挖完成以后分别加第一道、第二道支撑。
根据工程实际情况，开挖一层20天，完成一道支撑时间为5天，间歇期为5天。
4计算结果与分析4.1降水开挖引起的基坑变形地下水渗流作用贯穿于基坑工程整个施工过程中，无论是降水阶段，还是开挖加撑阶段。
而基坑的变形主要就是桩体的变形、桩后地面沉降和基坑底部隆起。
图2为二维基坑模型降水开挖过程中的土体沉降变形图。
可以发现：（1）随着开挖过程的不断进行，桩后地面的沉降量和基坑底部的隆起量都在不断增加；（2）在考虑渗流作用的情况下，基坑在开挖间歇期的沉降变形值均比同期开挖结束后的沉降变形值要小，而基坑隆起量却比同期开挖结束后的隆起量要大，但两者的变化量不大。
a.第一层开挖结束b.第一层支撑c.第二层支撑d.第三层间歇期图2二维基坑模型降水开挖过程中土体沉降云图4.2支护结构水平位移图3为不同开挖阶段围护墙的水平位移变化曲线，每步开挖和间歇期的趋势一致，最大水平位移发生的位置随着开挖深度的增大而逐渐下移，与各步开挖面基本保持一致，最终在基坑底面处达到最大。
从图中还可以看出：（1）随着开挖深度的增加，墙身下部的位移随之增大，而顶部位移有减小的趋势，其最大位移发生在第三次开挖结束之后；（2）在每步开挖间歇结束时围护墙的水平位移均有所减小，这是由于超静孔隙水压力的消散和渗流造成坑外水压力的减小，使得墙体的位移有所回落，有利于基坑的稳定性。
图3支护结构水平位移变化曲线4.3基坑底隆起变形由于在基坑开挖过程中，土体开挖卸载，基坑土体会产生回弹，从而引起基坑底产生隆起变形。
图4为基坑降水开挖过程中基坑底的隆起变形量，可以看出，基坑隆起量在基坑中轴线处最大，第一层开挖结束，最大隆起量达到2cm，随着开挖的进行，隆起量愈大，全部开挖结束，变形量为2.3cm。
无论是哪一层开挖，基坑隆起量随着隔基坑中轴线的距离增加，隆起量逐渐减小。
图4基坑底隆起变形曲线4.4孔隙水压力变化基坑降水开挖引起的渗流场总静孔隙水压力如图5所示，a为地应力平衡时的初始孔隙水压力分布图，此时孔压不存在超静孔压，孔压分布和重力场平衡，所以不发生渗流；b~g为每步开挖结束时和开挖间歇期结束时土体中的总静孔压的分布图，由于降水开挖后基坑内外产生水头差变化，开挖卸载也同时在土中产生负的超静孔隙水压力，土中水在重力势(水头差)和压力势(超静孔压)的共同作用下发生渗流。
等势线从入水边界到出水边界逐渐变密集，在围护墙底部附近分布最密，随着开挖的进行，围护墙周围的等势线也是越来越密，水力梯度也就越来越大，故此时地下水的流速也就越大。
a.地应力平衡后b.第一层开挖间歇期结束c.第二层开挖间歇期结束d.第三层开挖间歇期结束图5孔隙水压力变化云图4.5地面沉降图6地面沉降变化曲线图6是支护墙外地面沉降的变化曲线，可以看出，三层基坑开挖引起的地面沉降，从整个变形趋势来看，它们的形状都是一个类似于向下凹的盆地形状，最大沉降量并不是出现在坑壁，而是在离基坑一定距离的地方，再随着距支护结构边缘距离的增加，沉降变形值逐渐减小。
所以，在坑外附近有建筑物的情况下，要严格注意地表的沉降，防止产生允许值之外的不均匀沉降而造成严重损失。
5结论在考虑渗流作用的情况下，基坑在开挖间歇期的坑外地表沉降量均比同期开挖结束后的沉降量要小，而基底隆起量却比同期开挖结束后的隆起量要大。
围护墙在开挖过程中的最大水平位移发生的位置随着开挖深度的增大而逐渐下移，与各步开挖面基本保持一致，最终在基坑底面处达到最大。
而在每步开挖间歇结束时围护墙的水平位移均有所减小。
随着开挖的进行，围护墙周围的水头等势线越来越密，流速也越来越大。
地面沉降形状为下凹的盆地形状，最大沉降量不是出现在坑壁，而是离基坑一定距离的地方。
参考文献[1]谢兼量.考虑渗流应力耦合的边坡稳定性分析:[D].南京:河海大学,2007.[2]贾善坡,陈卫忠,于洪丹.泥岩隧道施工过程中渗流场与应力场全耦合损伤模型研究[J].岩土力学,2009,30(1):19-26.[3]张巍,肖明,范国邦.大型地下洞室群围岩应力-损伤-渗流应力耦合分析[J].岩土力学,2008,29(7):1813-1818.[4]张媛媛.ANSYS在土坝渗流场和应力场及其耦合分析中的应用研究:[D].南京:河海大学,2006.[5]苗丽,郭雪莽,王复明.基于应力场与渗流场耦合的土坝稳定性分析[J].人民黄河,2007,29(9):75-77.[6]周建国,李淼,郭雪莽.水利电力机械[J].2007,2007,29(3):28-30.[7]王强,鲁柄强,王水平.尾矿坝渗流-应力耦合场的有限元分析[J].现代矿业,2010,3):74-77.[8]杨永恒.渗流场与应力场的耦合分析及其在尾矿坝工程中的应用:[D].西安:西安理工大学,2006.[9]郭娟.木梓沟尾矿堆积坝的物理力学特性及坝体渗流场与应力耦合分析:[D].西安:西安理工大学,2009.[10]周舒威,李庶林,李青石,陈际经.基于渗流-应力耦合分析的野鸡尾尾矿坝稳定性研究[J].防灾减灾工程学报,2012,32(4):494-501.[11]李筱艳.基于位移反分析的深基坑渗流场与应力场的完全耦合分析[J].岩石力学与工程学报,2004,23(8):1269-1274.[12]纪佑军,刘建军,薛强.基坑开挖中渗流-应力耦合模拟[J].岩土力学,2007,28(增):630-634.。
210606303_苏州某地铁基坑工程变形监测与数值模拟分析
DOI:10.19694/ki.issn2095-2457.2022.25.12苏州某地铁基坑工程变形监测与数值模拟分析钱洋新刘优平李雨希张恭平(南昌工程学院土木与建筑工程学院,江西南昌330099)【摘要】为了探究基坑在开挖时的变形特性,确保基坑工程的安全,使用有限元软件Midas GTS NX建立苏州某地铁基坑工程的三维数值模拟结构,并对其整个施工过程进行了数值模拟,将所获取的数值模拟结果与实际施工监测的结果进行了比较分析,其结果显示,围护结构地下连续墙的变形趋势随基坑的开挖呈现“弓”形,并且在基坑开挖深度大约2/3处是其最大的偏移位置,周边地表沉降的变形呈“三角形”的变化趋势,其最大值距离基坑边缘8.5m左右。
软件计算结果与前期基坑监测数据基本吻合,有限元分析模型能够反应该基坑工程的施工变形状况。
【关键词】地铁基坑;监测;有限元;数值模拟0引言随着经济的飞速发展，越来越多的城市为了能够满足人们的出行需求以及适应经济的快速发展，都在不断地开展地铁建设。
地铁一般都是建在城市人口流量较多以及对整个城市经济发展非常重要的地方，工期也十分紧迫。
并且基坑工程也涉及力学、地质学、施工以及监测等各个领域，是一个综合性非常强的学科[1]。
要保障地铁基坑工程施工的安全，对其进行施工监测是非常有必要的。
国内在基坑的监测上做了不少的研究，曹浪[2]等用数值模拟的方法对超深基坑进行分析，研究了预加固技术和后加固技术对基坑变形的影响，为后续超深基坑工程提供了参考。
金生吉[3]等通过埋设传感器元件对超深基坑进行实时监测，对所得到的数据结果进行了详细的分析。
杨睿[4]等为研究基坑对周围环境的影响，对西安某地铁基坑工程进行监测分析。
任俊勇[5]通过有限元软件对基坑整个施工过程进行了模拟，分析各个施工阶段的变形机理。
宋诗文[6]通过优化基坑支护形式，与设计的施工方案进行对比，并进行施工监测，给出优化施工方案。
所以针对基坑所需要进行监测的内容要加以分析，并对其相应的变形规律给出需要改进的方案以及建议，才能够保障基坑安全的施工[7-10]。
深基坑三维应力场和渗流场耦合分析与模拟
深基坑三维应力场和渗流场耦合分析与模拟
梁志松
【期刊名称】《长江科学院院报》
【年(卷),期】2014(031)005
【摘要】为研究深基坑开挖施工过程中渗流场和应力场耦合情况,建立基于非饱和土的渗流-应力全耦合模型,采用非饱和土渗流-应力全耦合模型进行深基坑三维应力场和渗流场的耦合分析,预测在基坑不同的施工阶段中基坑挡土结构的侧向变形和基坑周围地面的沉降的变化,并将理论分析结果与实际监测数据进行对比分析.分析成果表明在需要降水施工的基坑分析中,采用渗流-应力耦合模型来进行基坑的分析与计算更合理,更有效.
【总页数】5页(P79-83)
【作者】梁志松
【作者单位】广东水利电力职业技术学院,广州510635
【正文语种】中文
【中图分类】TU470
【相关文献】
1.基于渗流场与应力场耦合分析的尾水渠施工期渗流场数值分析 [J], 杨昱
2.裂隙网络岩体三维渗流场与应力场耦合分析 [J], 仵彦卿;柴军瑞
3.渗流场与应力场的完全耦合模型及其在深基坑工程中的应用 [J], 李筱艳;王传鹏;柳毅
4.渗流场-应力场耦合作用下基坑三维数值分析 [J], 姚燕雅;陈国兴
5.双重介质温度场-渗流场-应力场耦合模型及三维数值研究 [J], 赵延林;曹平;赵阳升;林杭;汪亦显
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3种模拟方法在基坑降水开挖分析中的差异
3种模拟方法在基坑降水开挖分析中的差异张艳丽【摘要】以某基坑开挖工程为例,从基坑位移、稳定安全系数和连续墙受力变形3个方面比较了不考虑地下水、考虑静水压力和渗流—应力耦合3种模拟方法在分析基坑稳定性中的差异.计算结果表明:相比不考虑地下水和考虑静水压力,渗流—应力耦合计算的基坑位移最大、稳定安全系数最小、墙体所受弯矩最大,结果偏安全.建议在基坑稳定性计算中采用渗流—应力耦合法,有利于保障基坑降水开挖的施工安全.【期刊名称】《水科学与工程技术》【年(卷),期】2016(000)005【总页数】4页(P71-74)【关键词】基坑;渗流-应力耦合;降水;安全系数;弯矩【作者】张艳丽【作者单位】喀什第三师勘测设计研究院有限责任公司,新疆喀什844000【正文语种】中文【中图分类】TU46对于基坑降水开挖过程中土体发生沉降和回弹效应的研究较多，研究常用的基坑开挖模拟方法有不考虑孔隙水压力而直接模拟土层开挖、或将地下水作为静水压力施加在土体上和考虑降水开挖过程中渗流―应力耦合作用等几种方法，通过查阅相关文献［1-4］，以上方法在基坑开挖模拟中均有使用，但还未见文献对以上3种方法的计算结果进行对比分析。
因此，本文分别采用不考虑地下水、考虑静水压力和渗流—应力耦合［5］3种方法对某基坑降水开挖过程进行数值模拟分析，计算考虑了基坑右侧地表荷载的影响，通过对3种方法稳定性计算结果进行分析，为基坑降水开挖中方法的选取提供参考。
某深基坑开挖平面为矩形，宽度20m，开挖最大深度15m。
基坑地表右侧有建筑物，距离较近。
地下水位埋深距离地表3m，地下水位以下包含砂土和粉质黏土，基坑开挖涉及上层杂填土和砂土，开挖厚度分别为3m和12m，其中杂填土的开挖不涉及降水，而砂土位于地下水位以下，开挖过程需考虑降水造成的影响。
为准确分析不同模拟方法对计算结果的差异，需排除其余因素的影响，因此对模型进行一定程度的简化。
最终得到的计算模型长60m，高20m，基坑开挖长20m，高15m，开挖分4步完成。
深基坑降水开挖的渗流场与应力场耦合分析的开题报告
深基坑降水开挖的渗流场与应力场耦合分析的开题报告一、课题背景及意义随着城市化不断推进，高层建筑、桥梁、地铁等大型工程的建设越来越多。
其中，深基坑作为城市建设中不可或缺的一部分，其开挖施工所面临的困难和风险也越来越大。
在深基坑开挖的过程中，渗流场和应力场是相互耦合的，二者之间存在着复杂的相互作用关系。
因此，对深基坑降水开挖的渗流场与应力场耦合分析进行研究具有重要的理论和实际意义。
二、研究内容及方法本研究将从以下几个方面对深基坑降水开挖的渗流场与应力场耦合分析进行探究：1. 深基坑开挖及降水对渗流场和应力场的影响分析。
2. 渗流场及应力场耦合作用机理研究。
3. 建立深基坑开挖的渗流场与应力场耦合分析数值模型，并采用数值模拟的方法进行分析。
4. 借助 ANSYS 软件建立深基坑开挖的实验模型，进行物理实验验证。
三、预期成果本研究旨在探究深基坑降水开挖的渗流场与应力场耦合分析问题，预期成果包括：1. 深入研究深基坑开挖对渗流场和应力场的影响机理，深入探究二者相互耦合的作用机理。
2. 建立深基坑开挖的渗流场与应力场耦合分析模型，并进行数值模拟分析和物理实验验证，为该领域的研究提供新的思路和方法。
3. 为深基坑降水开挖施工提供重要的理论基础和技术支持，促进城市建设的有序推进。
四、研究计划及进度安排1. 阶段一：文献阅读与综述撰写；2. 阶段二：深入研究深基坑开挖对渗流场和应力场的影响机理，深入探究二者相互耦合的作用机理，并建立数值模型进行分析；3. 阶段三：基于 ANSYS 软件建立深基坑开挖的实验模型，进行物理实验验证；4. 阶段四：总结分析研究结果，撰写论文。
预计时间安排：1. 阶段一：2022 年 4 月至 2022 年 6 月；2. 阶段二：2022 年 7 月至 2023 年 3 月；3. 阶段三：2023 年 4 月至 2023 年 7 月；4. 阶段四：2023 年 8 月至 2023 年 10 月。
地下工程渗流场和应力场耦合研究
（6-11）
1 = cos2 β1 + cos2 β2 + cos2 β3
kv
k1
k2
k3
（6-12）
式中，β1 、β2 、β3 分别为渗透方向 vr 与渗透主坐标轴 1、2、3 的夹角；cos β1 、cos β2 、cos β3 分
别为渗透方向 vr 的方向余弦。渗透系数 kv 的几何意义如图 6-2 所示，渗透系数张量对应的几何为一
向上的变形，具体表达式为：
其中， m = [1,1,1, 0, 0, 0]T 。
dεl
=
−m
dp 3KS
（6-21）
式（6-17）可表示为：
σ′ = σ +αmp
（6-22）
取α = 1 ，结合式（6-22）和式（6-20），式（6-19）可表示为：
∫ ∫ ∫ ∫ V
δ εT Dep
⎛ ⎜ dε ⎝
dt
=
sw
dpw dt
+
pw
dsw dt
（6-25）
取 pa = 0.1MPa 为标准大气压，根据前面的分析可知，饱和度也是毛细压力的函数，当然也是
（6-5）
即某一流速分量 vi 不仅与水力梯度相应分量成正比，也与水力梯度其他方向的分量成正比。式中 kij
为渗透张量，记作[K ] ，在总体坐标系中可表示为：
[ ]K = ⎡⎢⎢kkxyxx
kxy k yy
k k
xz yz
⎤ ⎥ ⎥
⎢⎣kzx kzy kzz ⎥⎦
（6-6）
对于三维问题，渗透张量共有 9 个，由于对称性， kij = k ji ，独立的系数仅有 6 个；对于二维问题，
独立的渗透系数为 3 个。
渗流场与应力场耦合作用下截渗墙位移应力分析
水库水位高程为 ２． ｍ， ９ 初始地下水位 １． 位 ９ ６ ０ｍ。 ３
式 中 ｎ为土体初始 的孔 隙率 ；。 。 ， 为土体单元 的体
积 应变 ； ｋ分别 为与孔 隙率 ｎ ， ｋ， 。ｎ相对 应 的渗
在 计算 时 ．根 据应 力场和 位 移场 的计 算结 果， 按上 式计 算 出土体 新 的渗 透系数 ， 重新 计算 渗流 场。
（） ３ 模型求解。将渗流场数值模型、 应力场数
考虑两场耦合对渗流影响时的计算结果由于土体发生变形孔隙体积变小渗透性降低自由面的位置有稍微的上升坝体坝基防渗墙下游等势线加密水力坡降有较明显增加表明相应区域渗流流速加大其中最大水力坡降出现部位仍然位于截渗墙的底部其数值为536
维普资讯
６
［ 文章编号 ］０２ ０２ （０７ ０一ｏ０一ｏ １ － ６４ ２０ ）９ ０６ ３ ０
Ｊ口 Ｉ ） 。 【 Ｎｄ （ ］ Ａ
②应 力场基本方程 。
［】６ ＝ ｑ ＋｛ｓ Ｋ ｛） ｛ Ｆ） （） ３
的多少和 大小 的关系很大 。 而在伴随位移场 变化 的同时 。 土介质的孔隙率也将发生变化进而 引 岩 起介质渗透性能 的改变 。 这样岩土介 质的渗 流场 也会 受到影 响。所 以 ， 在土坝的实际运行 中， 渗流 力的存在改变 了原有的应 力场 。 而应 力场 的变化
截渗墙 ； 渗流 场 ； 力场 ； 应 位移
［ 关键词］三峡船闸； 高边坡； 地下排水 ［ 中图分类号］ Ｖ ２． ２ Ｔ ２ ３ ＋ ４ ［ 文献标识码］ Ａ
渗流场和应力场是岩土工程力学环境 中的最 重要 组成部 分之 一 ， 二者 之间是相 互联系 、 互 相 作 用的。目前 ， 在对土石坝的研究工作 中， 渗流分
渗流场和应力场耦合应力变形数值分析
上 游 堆 石 过 渡 层 上游反滤层
∑［ ］ Ｄ］曰 ｛６ ＋∑｛ （ ）△ ｝ Ｂ ［ ［ ］△ ｝ ｍ｝Ｎ ｛“ ＝∑Ｆ （） ２
设［ ＝［ Ｄ］ ， ］ ｍ｝Ⅳ ， Ｋ］ ］ ［ ［ ［ ＝｛ （ ） ］
简写 之 ， 即为 ：
［ ］ △ ｝ Ｌ ］＋［ ｛ ｝＝｛ Ｆ｝ ｛６ ［ Ｌ］△ △ 式 中 ［ ］ — 劲度矩 阵 ； — ［ ｄ — — 耦合 矩 阵。 Ｌ］
增 大 到 １０ １ ． ２ ｍ。对 于 水平 位移 ， 游处 水平 位移 逐 上
３ 计算实例分析
计算模型选取大坝 的最大横 剖面 （ 图 １ ， 见 ） 坝 顶高程 ２５ ００ ｍ， １．０ 坝基高程 为 ２１６０ ｍ， ９． ０ 灌浆帷
渐 较小 ， 游处 水 平 位 移 逐 渐 增 大 。这 是 因为 孔 隙 下 水 的渗透 作用 下产 生 的 ， 渗 透力 的作 用 下 坝 体 水 在
偏 移趋 势 不是 很 明显 。
耦 合 方程 。
由此可见 ， 每一个节点都建立 了三个方程 ， 其中 两个为平衡方程 ， 另一个 为水流连续性方程。静 力 变形分析模块 的全局变量 为应变增量 ， 渗流分 析模 块 中 的全 局 变 量 为孔 隙 水 压 力 增 量 。在 耦 合 分 析 中 ， 隙水压 力 的计算 由渗流 分析 模块 完 成 ， 孔 而后 将
△ “ —— 孑 隙水 压力 增量 。 Ｌ 据虚 位移原 理 ， 将式 （ ） 散 ， １离 可得如 下形 式 ：
渗 流场 和应 力场 的耦 合分 析在 裂 隙岩体 中早 已
成 为热 点 问题 ， 目前 ， 己有 较多 的研究 成果 。对 于 土 体 而言 ， 有代 表性 的是 基 于 Ｂ ｏ 固结理 论 的渗 流 最 ｉｔ
渗流—应力场耦合作用下苏州工业园区某地下车库基坑的变形分析
渗流—应力场耦合作用下苏州工业园区某地下车库基坑的变形分析作者：向华强王建丰土根来源：《科技资讯》2013年第14期摘要：地下水渗流对基坑变形的影响成为当前研究的热点，以苏州工业园区某地下车库基坑为例，采用ABAQUS模拟基坑开挖及支护过程，分析基坑开挖过程中的变形及渗流场规律。
结果表明：在开挖间歇期的坑外地表沉降量均比同期开挖结束后的沉降量要小，而基底隆起量比同期开挖结束后的隆起量要大。
每步开挖间歇结束时，围护墙的水平位移有所减小。
随着开挖的进行，围护墙周围的水头等势线越来越密，地面沉降形状为下凹的盆地形状。
关键词：基坑渗流-应力耦合分析有限元模拟中图分类号：TU43 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）05（b）-0039-04基坑开挖时，坑内外通常存在着水头差，地下水将在坑内外水头差作用下发生渗流。
基坑开挖过程是地下水渗流与岩土变形动态耦合的过程。
利用渗流-应力耦合理论研究开挖过程中地下水的渗流形态和孔隙水压力场的分布，分析地下水渗流对基坑稳定性的影响具有重要意义。
近几年来，许多研究者在分析渗流稳定问题时，引入了渗流场与应力场的关系，即渗流-应力耦合关系，并在岩土工程的各个领域取得了一定的成果和进展，渗流-应力耦合问题已成了研究的热点问题。
谢兼量[1]进行了渗流应力耦合条件下的海堤边坡稳定性研究；贾善坡等[2]进行了泥岩隧道施工过程中，渗流场与应力场完全耦合的损伤模型研究；张巍等[3]对大型地下洞室群围岩进行了应力-损伤-渗流的耦合分析；张媛媛[4]，苗丽等，周建国等[6]在土坝的渗流场与应力场的耦合应用方面的研究获得了一些进展；王强等[7]，杨永恒[8]，郭娟[9]，周舒威等[10]基于渗流-应力耦合对尾矿坝的稳定性进行了研究；李筱艳[11]、纪佑军等[12]采用渗流-应力耦合分析，求解基坑的渗流场以及位移场。
本文结合苏州工业园区星海街站南北两侧公共地块地下车库项目，利用ABAQUS有限元软件进行了基坑工程在渗流-应力耦合作用下的变形分析，可为基坑工程的设计和施工提供参考。
渗流-应力场耦合作用下苏州工业园区某地下车库基坑的变形分析
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化， 开 挖 卸 载 也 同 时 在 土 中产 生 负 的 超 静 孔隙 水 压 力 ， 土 中水 在 重力 势 （ 水 头 差） 和压 力势 （ 超静 孔 压 ） 的 共 同作 用 下 发 生渗 流 。 等 势 线 从 入 水 边 界 到 出 水 边 界 逐 渐变 密 集 ， 在 围护 墙 底 部 附 近 分 布 最 密 ， 随 着开 挖 的
０
水 平位移／ｃ ｍ
图３ 支护 结构 水 平 位移 变 化 曲线
２． ４
２． ２
４ 结论
在考 虑渗流作 用的情 况下 ， 基 坑 在 开 挖 间歇 期 的 坑 外 地 表 沉 降量 均 比 同期 开 挖 结 束后的沉降量要 小 ， 而 基 底 隆 起 量 却 比 同期 开 挖 结 束 后 的 隆 起 量 要 大 。 围 护 墙 在 开 挖 过 程 中 的 最 大 水平 位 移 发生 的 位 置 随 着开挖 深度的增大而逐 渐下移 ， 与 各 步 开 挖面 基本保持一致 ， 最终 在 基 坑 底 面处 达 Ｏ ｌ ０ ２０ ３０ ４ ０ ５ ０ ６ ０ 到最大 。 而 在 每 步 开 挖 间 歇 结 束 时 围 护 墙 隔 基 坑 中 轴 线 的 距 ｍ 的 水 平位 移 均 有 所 减 小 。 随 着 开 挖的 进 行 ， 图 ４ 基坑 底 隆起 变 形 曲线 围护 墙 周 围的 水 头 等 势 线 越 来 越 密 ， 流 速 也越来越 大。 地 面 沉 降 形 状 为 下 凹 的 盆 地 此基坑 工程 的分析 共分成 ｌ １ 步， 其中 图３ 为 不 同 开 挖 阶 段 围护 墙 的 水 平 位 形状， 最 大 沉 降 量 不是 出现 在 坑 壁 ， 而 是 离 初 始应力场平 衡为第 一步 ， 基 坑 开 挖 分 三 移 变 化 曲 线 ， 每 步 开 挖 和 间 歇 期 的 趋 势 一 基 坑 一 定 距 离 的地 方 。 次 完成 ， 前 两 次 开 挖 完 成 以 后 分 别加 第 一 致 ， 最 大 水 平 位 移 发 生 的 位 置 随 着 开 挖 深 道、 第二道支撑 。 根 据 工 程 实 际情 况 ， 开 挖 度 的 增 大 而 逐 渐 下 移 ， 与 各 步 开 挖 面基 本 参考文献 层２ Ｏ 天 ， 完 成一道支撑时 间为５ 天， 间 歇 保持 一 致 ， 最 终 在 基坑 底面 处达 到 最 大 。 从 ［ １ 】谢 兼 量 ． 考 虑渗 流 应 力 耦 合 的边 坡 稳 定 图 中还 可 以 看 出 ： （ １ ） 随着 开 挖深 度的 增加 ， 期为５ 天。 性分 析［ Ｄ 】 ． 南京 ： 河海 大 学 ， ２ ０ ０ ７ ． 墙 身 下 部 的位 移 随 之 增 大 ， 而 顶 部 位 移 有 【 ２ 】贾 善坡 ， 陈 卫忠 ， 于洪丹 ． 泥岩 隧 道 施 工 减小的趋势 ， 其 最 大 位 移 发 生 在 第 三次 开 ３ 计算结果与分析 过 程 中 渗 流 场 与 应 力 场 全 耦 合 损 伤 模 ３． １ 降水 开挖 弓 ｌ 起 的基坑 变形 挖 结 束之 后 。 （ ２ ） 在每 步开 挖 间歇 结 束 时 围 型研 究【 Ｊ 】 ． 岩土 力学 ， ２ ０ ０ ９ ， ３ ０ （ １ ） ： １ ９ — 地 下 水 渗 流 作 用 贯 穿 于 基 坑 工 程 整 个 护墙 的 水 平 位 移 均 有 所 减 小 ， 这 是 由于 超 ２６． 施工过程中 ， 无论是降水阶段， 还 是 开 挖 加 静 孔 隙水 压 力 的 消 散 和 渗 流 造 成坑 外水 压 ［ ３ 】张 巍 ， 肖明 ， 范国邦 ． 大 型 地 下 洞 室群 围 使 得 墙 体 的 位移 有 所 回落 ， 有 利 撑 阶段。 而 基 坑 的 变 形 主 要 就 是 桩 体 的 变 力 的减 小 ， 岩 应 力一 损 伤一渗流 应 力耦 合分 析 【 Ｊ 】 ． 岩 形、 桩 后地面沉降和 基坑底部隆起 。 图２ 为 于 基 坑 的 稳 定 性 。 土力学， ２ ０ ０ ８ ， ２ ９ （ ７ ） ： ｌ ８ １ ３ －１ ８ １ ８ ． 二 维 基 坑 模 型 降 水 开 挖 过 程 中的 土 体 沉 降 ３． ３基 坑底 隆起 变形 ［ ４ 】张 媛 媛 ． ＡＮＳ Ｙ Ｓ 在土坝渗 流场和应 力 变形图。 可以 发 现 ： （ １ ） 随 着 开挖 过 程 的 不 断 由于在 基坑开 挖过程 中 ， 土 体 开 挖 卸 场及 其耦合 分析 中的应用研 究【 Ｄ 】 ． 南 基坑土体会产生回弹， 从 而 引起 基坑 底 进行 ， 桩 后 地 面 的 沉 降 量 和 基 坑 底 部 的 隆 载 ， 京： 河海大学 ， ２ ０ ０ ６ ． 图４ 为 基 坑 降水 开 挖 过 程 中 起量都在不断增加 。 （ ２ ） 在 考 虑 渗 流 作 用 的 产 生 隆 起 变 形 。 ５ ］苗丽 ， 郭 雪莽 ， 王复明 ． 基 于 应 力 场 与渗 可 以看 出 ， 基 坑 隆起 ［ 情况下 ， 基 坑 在 开 挖 间歇 期 的 沉 降 变 形 值 基 坑 底 的 隆 起 变 形 量 ， 流 场 耦 合 的土 坝 稳 定 性 分 析 … ． 人 民 黄 均 比同期开挖结 束后的沉 降变形值要小 ， 量 在 基 坑 中 轴 线 处 最大 ， 第 一 层 开 挖结 束 ， 河， ２ ０ ０ ７ ， ２ ９ （ ９ ） ： ７ ５ － ７ ７ ． 而 基 坑 隆 起 量 却 比 同期 开 挖 结 束 后 的 隆 起 最大 隆 起 量达 ， Ｕ ２ ｃ ｍ， 随着 开 挖 的进 行 ， 隆 【 ６ 】周建 国 ， 李淼 ， 郭雪 莽 ． 东 湖 书库 非 均 质 起 量愈 大 ， 全部 开 挖结 束 ， 变形量 为 ２ ． ３ ｃ ｍ。 量要大 ， 但两者的变化 量不大。 土坝 渗 流 场 与应 用场 耦 合 分 析【 Ｊ ］ ． 水 利 无论 是 哪 一 层 开 挖 ， 基 坑 隆 起 量随 着 隔 基 ３． ２支护结构水平位移 电力 机械 ， ２ ０ ０ ７ ， ２ ９ （ ３ ） ： ２ ８ － ３ ０ ．
渗流作用对深基坑支护结构的影响分析
科技资讯科技资讯S I N &T NOLOGY INFORM TION2008NO.20SCI ENCE &TECHNOLOGY I NFORMATI ON 工业技术在地下水位较高地区开挖基坑时,坑内外通常存在着水头差,地下水将在坑内外水头差作用下发生渗流。
地下水渗流改变基坑内外的应力场,不仅影响作用在围护结构上的水压力、土压力及侧压力,还引起基坑周围地表的沉降,对周围环境带来严重影响。
通过分析大量基坑失稳和变形破坏的工程事故实例可发现,因渗流引发的基坑失稳占很大比重[1]。
所以,有必要深入研究基坑场区地下水的渗流形态和孔隙水压力场的分布,分析地下水渗流对基坑稳定性的影响,进而采取合理的设计方案和施工措施,减少此类事故的发生。
目前渗流的研究以数值模拟技术为主要手段,常用的方法是有限差分法和有限元法。
有限差分法在处理简单的几何边界条件时可以取得良好的结果,但在求解复杂几何条件时其自身的不稳定性和收敛的困难性使得计算困难。
而有限元法在渗流区域不规则、边界条件较为复杂时,相对其他的数值方法更具有优势。
因此,本文选取一支护体系为排桩加单支撑的典型深基坑工程实例,进行有限元数值模拟,分析渗流作用对支护桩和支撑的作用影响。
1流固耦合的控制方程基坑工程中降低地下水位会使得周围土体存在水头差,不同的水头差产生的渗透力将以体积力的形式对土体产生作用,引起土体应力场和位移场的变化。
与此同时,应力场与位移场的改变将引起土体孔隙率的改变,孔隙率的变化必将引起土体的渗透性的变化,从而引起渗流场的变化。
渗流作用对深基坑支护结构的影响分析邬启昌(厦门港湾咨询监理有限公司福建厦门363000)摘要:从地下水与土体的相互作用机理出发,结合有效应力原理,通过建立考虑渗流作用的有效应力法模型和不考虑渗流作用的总应力法模型,按考虑渗流和不考虑渗流两种情况下支护桩的位移、桩身弯矩和支撑轴力进行对比分析,结果表明,基坑降水开挖引起渗流场发生变化,以至于在地下水作用下土体应力发生改变,使得支护桩及支撑所受荷载也随之变化,导致桩体、支撑受力变大,位移也增加。