考虑渗流作用时深基坑开挖坑底隆起变形分析

郑 钰

（无锡地铁集团有限公司，江苏无锡 214171）

考虑渗流作用时深基坑开挖坑底隆起变形分析

郑 钰

（无锡地铁集团有限公司，江苏无锡 214171）

对于软土地区的深基坑工程，坑底隆起变形往往在基坑变形失稳中占有重要位置，而影响深基坑坑底隆起的因素很多，找到它们之间相互影响的规律性，对指导实际深基坑工程中的设计及施工有很大意义。本文通过理论分析及数值模拟方法，同时考虑渗流作用时，对影响深基坑开挖过程中坑底隆起变形的因素进行分析，得出渗透系数增加，会使得坑底隆起变形显著增大等结论。

深基坑；渗流作用；连续墙渗漏；基坑隆起

0 引言

本文结合某深基坑开挖工程，采用数值模拟等手段，得到考虑渗流作用情况下，影响基坑坑底隆起变形的各因素和规律，可为将来该地区类似基坑开挖工程降水设计及施工提供参考。

1 未考虑渗流作用时基坑坑底隆起变形的计算方法

基坑开挖过程是坑底土层卸载的过程，在基坑开挖深度不大时，坑底隆起通常呈现为坑底中心变形最大，往两侧方向隆起变形逐渐减小。随着基坑开挖深度的增大，基坑内外土层高差不断增大，周边土体将产生积压而涌入基坑内部，进而基坑坑底产生塑性隆起变形。为此，同济大学对深基坑坑底隆起进行了系统的试验研究、提出了估算坑底隆起量的经验公式：

式（1）中，δ 为坑底隆起变形量；H 为基坑开挖深度；q 为地表超载；γ 为土体容重；c、φ、g 为土的粘聚力、内摩擦角、密度；D 为围护结构入土深度。

由式（1）以及其他研究结果可知，基坑坑底隆起变形主要与土体力学参数、围护结构入土深度及基坑开挖深度等因素有关。

2 考虑渗流作用时基坑坑底隆起变形影响

在软土地区开挖基坑时，常常由于地下水位较浅或基坑降水等因素，使得基坑内外存在水头压力差而产生渗流作用。而在渗流作用的影响下往往引起土体孔隙水压力发生变化，当坑底土体为黏土时，孔隙水压力的逐渐消散会导致坑底土体膨胀，坑底隆起将进一步增大。若基坑坑内水头小于坑外水头时，地下水将自下往上流动，则动水力的方向与土体的自重方向相反，减小土体之间的压力，根据有效应力原理及渗透力计算方法可用式（2）～（4）表示：

式（2）～（4）中，σ 为总应力；σ＇为有效应力；Δσ1和Δσ3分别为大小总主应力增量；GD为动水力；γw为水重度；I 为水头梯度。

通常在软土地区深基坑开挖过程中都会采取降水措施，而当坑内水位比坑外水位低时，由于渗流作用将引起基坑底部土体的竖向有效应力减小，当坑外向坑内的渗流路径越小，水头梯度越大时，会导致在基坑底部影响范围内的土体收到更大的动水力，坑底的隆起将增大。此外，当基坑底部的不透水层较薄，而水压较大时，很可能发生土体自重不足以抵挡水压而使得基底隆起过大，严重时会造成基坑失稳。

在探讨心内科老年患者在治疗期间心源性猝死的原因时，主要从治病原因、临床危险因素以及发生时间入手。其中治病原因包括冠心病、风湿性心脏病、高血压心脏病、扩张行心脏病。临床危险因素包括饮食不合理、情绪不稳定等。在入院时间方面，入院时间为2～3周时，出现心源性猝死的几率最大[4] 。

3 基坑隆起数值分析

某基坑工程开挖深度为 10 m，土层从上到下分为填土层、粘土层、砂土层和粉质粘土层，各土层厚度及力学参数见表1，基坑采用地下连续墙及混凝土支撑作为支护结构。在基坑开挖过程中，由于基坑底上部土体被挖走，对于下部土体而言为卸载效应，坑内土体必然会向上发生一定的隆起。

本文采用有限元方法，对含水层不同渗透系数、连续墙不同插入深度以及围护是否发生渗漏等情况进行了分析，有限元模型见图1。由于基坑坑底隆起性状受到开挖深度、渗透系数、围护插入深度及土层力学性质等诸多因素的影响，在研究某一因素对基坑坑底隆起变形影响程度大小时，设定其他影响因素不变。

3.1 土体渗透系数对基坑坑底隆起影响

考虑地下水存在的影响，在软土地区开挖基坑时，渗流作用引起坑底土层竖向有效应力降低，进而引起坑底隆起变形量的增加。基坑开挖卸载引起的负超静孔压导致土体中的水压力和有效应力随时间不断变化，也因此引起坑底的隆起变形不断增大。

本基坑粉砂层为主要含水层，厚度较大，位于基坑坑底以下，考虑工程经济性及合理性，连续墙无法将该层隔断，故该含水层渗透性变化对连续墙周围的渗流场有显著影响。土体渗透系数分别取 1 、2 、3 、4 m /天，其他参数同表1。图2 给出了渗透系数与基坑隆起变形关系曲线，图3 给出了土体渗透系数和坑底最大隆起变形关系曲线。

表1 开挖土层的物理力学参数

图1 有限元计算模型

图2 渗透系数与基坑隆起变形关系曲线

（1）从图2 中可以看出，随着砂性土层渗透系数 k 由 1 m /天增加至 4 m /天，坑底隆起变形也随着显著增大，且变化的幅度呈非线性增大。由于受到基坑连续墙的约束，离基坑中心越近，隆起变形越大。靠近连续墙的位置的坑底隆起大小与基坑宽度及渗透系数有关，当基坑宽度较大时，该位置并不一定呈现隆起状态，而可能发生一定量的沉降。

图3 渗透系数与坑底最大隆起变形关系曲线

（2）从图3 中看出最大隆起变形和渗透系数大致呈折线形分布。当渗透系数较小时，坑底隆起变形也较小，但随着土体渗透性增加，坑底隆起变形增加速率较小，而当渗透系数继续增加，超过一定的临界值时，坑底隆起变形速率有所增大。

3.2 连续墙插入深度对坑底隆起影响

在地下水水位较高地区开挖深基坑时，一般需要设计止水帷幕以阻止或减少坑内外地下水之间的联系，止水帷幕的插入深度对深基坑工程的渗流稳定性具有重要作用。当坑底土层为渗透系数较大的含水层，且含水层厚度较大时，若采用坑内降水，止水帷幕插入深度决定了由坑外向坑内渗流渗径和水力坡降的大小，进而影响坑底隆起变形大小。

本基坑下部粉砂层厚度达 12 m，考虑连续墙与基坑下部砂性土层的相对位置关系，以连续墙深入到该层土中的长度为标准，分别取 7、9、10、13 m，其他参数不变。

图4、图5 给出了连续墙插入深度从 7 m 变化到 13 m时，坑底隆起变形曲线及坑底最大隆起变形情况。从图4、图5 中可以看出：

（1）在连续墙插入深度不变情况下，随着距离基坑中心距离的增大，坑底隆起变形显著减小，当插入深入为 7 m 时，距离基坑 10 m 处的坑底变形为-8.2 mm（沉降），而基坑中心处的隆起变形达到 18.3 mm，二者相差 3 倍以上。因此，在基坑施工中，需加强对坑底进行监测，找出类似的变性规律，以更好地指导下一步的施工。

图4 插入深度与坑底隆起变形关系曲线

图5 插入深度与坑底最大隆起变形关系曲线

（2）随着连续墙插入到砂性土层中的深度增加，基坑坑底的隆起变形也在增加，且变化的幅度呈非线性增大。这一变化趋势与连续墙作为围护结构对基坑变形约束的力学作用不太一致。从力学角度分析，连续墙插入深度越深，其嵌固效果越明显，从而能有效控制基坑的变形。而计算结果表明，当坑底土层渗透性较好时，由于连续墙未能完全阻断地下水渗流通道，随着插入深度增加，由坑内外水头差引起的渗流场变得更加急速，渗流力增大，有效应力减小，导致基坑坑底隆起变形急剧增大。在连续墙插入深度为 13 m 时，基坑坑底最大隆起值超过 30 mm，会对基坑开挖造成较大的安全隐患，需要对其进行严密监控。因此，对于此类基坑需重视基坑内外渗流造成的不利影响，必要时应当适当降低坑外水头或增加止水帷幕长度以阻断基坑内外渗流通道。

3.3 连续墙渗漏对坑底隆起的影响

由围护结构渗漏引起的地下水渗流场变化是十分复杂的三维状态，本文仅简化为平面应变进行分析。图6 给出了假定连续墙在基坑坑底下范围为 3 m 深度处发生渗漏时的渗流场云图，图7 给出了连续墙完好未发生渗漏情况下的渗流场云图。

（1）从图6 中可以看出，在达到稳定渗流的情况下，连续墙渗漏导致坑外水头迅速下降，墙底处水头流矢减小，而发生渗漏的地方流量增大。在实际施工中，要特别注意连续墙渗漏水问题，如有漏水，应及时采取应急措施进行封堵，防止安全事故发生。

（2）从图7 中可以看出，在稳定渗流的条件下，由于基坑坑外水头降低，坑底隆起变形反而减小。而实际工程中由于施工时间短，土体渗透性较小，达不到稳定渗流的条件，连续墙渗漏对坑外水头降低影响不明显，在高水头差的驱动下流矢增大，易导致坑底土体发生管涌、流砂等破坏情况。

4 结论

（1）在地下水位较高地区开挖基坑或基坑开挖过程中进行井点降水，会使得基坑内部与外部存在一定的水头差，由此产生的渗透作用会影响基底隆起变形。

（2）渗流使得坑底被动区土层的有效应力减小，进而坑底的隆起变形量增大。渗流对基坑坑底隆起变形的影响因素主要有渗透系数、止水帷幕插入深度、基坑开挖深度、承压水头以及围护结构的渗漏等。

（3）土体渗透系数大小决定了土中超孔隙水压力消散的快慢，影响了坑底回弹达到稳定的时间。

（4）本文未考虑基坑底部存在工程桩的情况，如果存在大量工程桩，基底隆起变形将会受到约束。

［1］ 李琳.工程降水对深基坑性状及周围环境影响的研究［D］.上海：同济大学，2007.

［2］ 李玉岐，周健，谢康和.渗流作用对基坑坑底回弹变形的影响［J］.岩土力学，2005，26（11）：1749-1752.

［3］ 曹力桥.软土地区深基坑开挖坑底隆起的有限元分析［J］.岩土工程学报，2013（增2）：819-824.

［4］ 孔德森，门燕青，张伟伟，等.软土深基坑坑底抗隆起稳定性数值分析［J］.岩土工程学报，2010（增1）：186-190.

图6 连续墙发生渗漏渗流场分布云图（单位：kN/m2）

图7 连续墙未发生渗漏渗流场分布云图（单位：kN/m2）

［5］ 徐彪，刘佳.对深基坑坑底隆起问题的探讨［J］.广西工学院学报，2004，15（1）：66-68.

责任编辑 朱开明

Analysis on Bottom Heave Deformation of Deep Foundation Pit Excavation by Considering of Seepage Effect

Zheng Yu

For deep foundation pit engineering works in soft soil area， bottom heave deformation often occurs in foundation pit deformation and lose of balance which plays an important role in the stability.There are a lot of impact factors causing deep foundation pit heave.Finding the regularity of the interrelation infl uence to guide the practice of deep foundation pit engineering design and construction has great significance.By using theoretical analysis and numerical simulation method， and taking into consideration of the effect of seepage， the paper makes an analysis of heave deformation factors in deep foundation pit excavation process.The analysis works out the conclusion which shows that with the increase of the permeability coefficient， the heave deformation is signifi cantly increased.

deep foundation pit， seepage effect， continuous wall seepage， foundation pit heave

TU753

郑钰（1973-），男，高级工程师

2016-04-05