渗流作用对深基坑支护结构的影响分析[abstract]

渗流作用对深基坑支护结构的影响分析摘要：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。

关键词：渗流作用 深基坑支护 基坑降水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。

因此，土体内的应力场和渗流场的变化是相互制约又相互影响的。

流固耦合问题的控制方程是建立在弹性力学的基本方程和渗流问题的基本方程之上的。

耦合问题引入了有效应力原理，即总应力为有效应力和总孔隙水压力之和，土骨架作为弹性固体考虑，层流孔隙水与固体通过压缩条件和连续条件而耦合。

基坑降水问题同样属于流固耦合问题，其控制方程为流固耦合控制方程。

对于平面应变问题，流固耦合方程可写为[2][3]：⎪⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎪⎬⎫=-⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂+⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂+∂∂=∂∂+∂∂-+∇-=∂∂+∂∂-+∇-012102122w y u k y x u k x t yu y v G w G x ux v G w G y x w v v y v x γεγεε （1） 为使表达更为简洁，可将流固耦合方程写成矩阵形式。

土体平衡方程写成矩阵形式为：[][][]{}[]{}{}0=+∂-∂∂γM u M f D T T （2）土体连续方程写成矩阵形式为：{}[][][]{}{}[]{}0=-∂∂∂-∂∂w f M tu M k M T T T （3）式中{}[][][]{}{}[]T y x y xw T M w w f k k k x y y xM 10;;001;00;011=⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧=⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡∂∂∂∂∂∂∂∂=∂=γ，w 为源汇项，补给区域时为正，流出区域时为负。

对于轴对称和平面应变中某些简单情况，可以推导其解析解，但对于边界条件稍微复杂一些的土层，便无法求得解析解。

在计算机技术发展后，有限元法得到广泛应用，此类问题便得到很好解决。

用有限元法求解渗流场和应力场耦合问题一般分为两大类：顺序耦合法和直接耦合法。

顺序耦合法是按照顺序进行两次或更多次渗流场与应力场分析，通过把渗流场分析的结果作为应力场分析的荷载来实现两种场的耦合的。

直接耦合法利用包含所有必须自由度（位移和孔压）的耦合单元类型仅仅通过一次求解就能得出耦合场分析结果[4]。

本文中有限元模拟分析采用的是直接耦合法。

2 工程实例分析2.1工程概况某拟建综合楼建筑总面积10600平方米，主楼11～12层（局部7层），采用框架～短肢剪力墙结构，裙楼2层框架结构，主楼裙楼均设1层地下室，基础埋深为4.65m ～5.45m 。

基坑周围环境复杂，开挖深度为5.45m ，支护方案采用钻孔灌注桩加一道钢管支撑。

基坑影响深度范围内主要为第四系全新统(Q4)，场区内土层分布较均匀，按揭露的先后顺序将各分层地基土岩性特征及分布规律自上而下如表1所示。

表 1 场地地基土岩性特征及分布规律场地地下水埋深为1.1～1.3m ，相当于绝对标高+8.7m 左右，属孔隙潜水，主要赋存于①杂填土、③粉土和④粉细砂层中，中间无稳定隔水层，该含水层富水性、透水性均较好，为统一含水层，水位变化主要受大气降水及地表水补给影响。

水位呈现季节性变化，年平均变幅为0.4～0.5m 。

其余土层含水量较小，基本不透水，可视为相对隔水层。

整个基坑地下水处理采用止降结合方案，选用双轴深层搅拌桩形成止水帷幕；基坑内采用管井抽水降低坑内地下水位。

2.2 有限元计算模型建立本构模型选用了Mohr-Coulomb弹塑性模型，土体采用四节点平面实体孔压单元，混凝土灌注桩采用二维梁单元，支撑采用二维杆单元。

模型水平方向计算长度取开挖宽度的3.5倍，竖直方向取开挖深度的6倍（⑤-1层底），整个模型尺寸为宽度130m×高度35.6m。

数值模拟完全按照施工顺序，使用单元生死技术进行仿真计算。

首先激活桩单元，随着开挖进行，逐步将开挖的单元杀死，并激活支撑单元。

地表附加荷载取为25kPa。

本文数值分析的重点是分析地下水在粉砂层中的渗流作用对基坑开挖、支护桩和支撑的影响。

表2有限元分析时模型参数Table 2 The schedule of FEM model parameters图2有限元计算模型Fig.2 The finite element model2.3 计算结果分析基坑工程开挖施工过程中，支护桩的位移、应力及支撑轴力的变化是反映基坑稳定情况的重要数据，同时也是进行基坑开挖稳定评价的重要依据。

鉴于此，本次数值模拟主要进行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的对比分析。

基坑土体渗流场等势线、流线分布如图3所示，从图中可以看出，相邻两条等势线间水头差均近似为1.07m，而分布间距随到支护桩距离的增加而变大，在靠近桩端附近的等势线分布最密集，表明此处水力梯度最大，同时从流速分布可以看出桩端附近也是流速较大区域，该区域地下水的渗流作用较大。

流线显示了每个单元处流速的方向，而渗透力的方向与流速相同，因而可以判断出渗流作用会增加桩前后土体水平向应力和桩后土体竖向应力，但减小基坑底以下桩前土体的竖向应力。

图3 渗流场等势线、流线分布图（单位：m）Fig.3 The isoline of total water-head and seepage path (unit:m)从图4桩体水平位移的对比曲线中可以看出，水平位移的变化规律基本一致近似呈抛物线形，最大值出现在桩身靠近基坑底处；不同之处在于考虑渗流作用时的位移均高于不考虑渗流作用，而桩底水平位移有限元法计算值相对解析解均大些，这主要是有限元计算中开挖后土体应力释放，而回弹模量有其不确定，无法充分模拟，导致坑底周围土体隆起，进而牵动桩体向坑内水平移动。

可Fig.4 The curve of pile level displacement Fig.5 The curves of pile moments 支护桩所受弯矩、剪力如图5，图6所示。

从图5中可以看到，有限元法不考虑渗流作用时的数值解与解析解相比曲线形式基本一致，且弯矩的极值、位置也较一致；而考虑渗流作用时桩身基坑面以上部分最大弯矩值要小于不考虑渗流作用和解析法的结果，基坑面以下部分弯矩极值则相反，大于这两种情况的结果，且极值的位置相对前两种情况，分别沿桩身偏上和偏下。

对比图6，剪力的变化规律与弯矩是相对应的。

从上述分析，可以看到不考虑渗流作用的有限元法与解析法结果较接近，两者都采用总应力计算法，而考虑渗流作用时采用有效应力法，考虑土体应力场与渗流场耦合作用，对桩体受力来说，不仅土压力发生变化，同时孔隙水压力也与静水压力不同，故而弯矩值、剪力值发生变化。

总之，渗流作用对桩体受力存在一定影响，渗流作用是应该考虑的。

支撑轴力（K N ）工序图6 桩身剪力分布曲线 图7 支撑轴力对比Fig.6 The curves of pile shear stress Fig.7 The curves of brace axial stress施工过程中支撑轴力的变化如图7所示，从图中可以看出支撑轴力随着土体开挖逐渐增大，考虑渗流时支撑轴力要大于不考虑渗流时，这是由于降水开挖过程中桩体发生变形要比不考虑渗流时大，从而使得支撑所受作用力也相应增大。

综上分析，可见基坑降水开挖引起渗流场的变化，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。

因此，基坑支护结构设计时必须考虑到地下水渗流带来的不利影响，对支护体系要作相应的安全系数的提高。

3 结论及建议本文从地下水与土体的相互作用机理出发，通过引入有效应力原理，考虑渗透力对土体的作用，结合具体工程对渗流作用对基坑开挖及支护结构的影响进行了模拟分析，得到以下结论：开挖过程中，随着土层应力的释放及渗透力的作用，桩后的土体产生向基坑内倾倒的水平位移，坑底土体出现较大的隆起，而坑外地表出现近似正态函数形式分布的沉降；渗流作用使桩体水平位移增大，桩身沉降不断增大，而在开挖阶段对坑底土体有竖向的渗透力作用，从而使土体的有效应力减小，对坑底土体的隆起有积极的推动作用；流固耦合作用下桩身弯矩及剪力均有增加，同时支撑的轴力也较不考虑渗流时有所增加； 基坑支护结构设计时必须考虑到地下水渗流带来的不利影响，对支护体系要作相应的安全系数的提高。

参考文献[1] 唐业清，李启民，崔江余.著基坑工程事故分析与处理[M].北京：中国建筑工业出版社,1999,4. [2] 孔祥言.高等渗流力学[M].合肥：中国科学技术大学出版社，1999. [3] 顾慰慈. 渗流计算原理及应用[M].北京：中国建材工业出版社.2000,8[4] HKS inc. , Analysis of geotechnical problems with ABAQUS, Hibbitt, Karlsson & Sorensen, USA.。