深基坑桩锚支护渗流数值分析与监测研究

芮彩雲，李 斌

（甘肃省建筑科学研究院有限公司，甘肃 兰州 730070）

0 引言

随着经济建设速率的增加，城市用地范围逐渐趋于紧张，必然造成城市建设向着地下空间发展，伴随着产生了大量超深基坑，而超深复杂基坑已经成为研究的重点，其中基坑地下水渗流及水位变化引起的问题也逐渐复杂多面［1］。基坑施工过程中，地下水的存在会加大基坑施工难度，而兰州地区分布有大量的湿陷性黄土，属黄河一级阶地，地下水分布复杂［2，3］，具有较为明显的三维非稳定渗流特征［4-9］。在基坑开挖与降水施工过程中，土体卸荷产生的应力场和渗流所产生的渗流场土会共同促使基坑周围土体向坑内发生变形，导致坑底土体隆起和周围土体产生沉降变形［10-15］。针对以上问题，需通过对基坑施工过程中基坑开挖与降水进行模拟，分析基坑开挖过程中各个工况所产生的变形。

本文以兰州某深基坑支护及降水工程为例，基于基坑降水三维渗流分析方法，建立了深基坑降水三维渗流模型，根据模型分析结果及监测数据分析了在兰州地区特有地质环境下基坑开挖及降水对周边环境的影响大小，为兰州地区地铁车站及类似深基坑设计和施工提供重要的依据。

1 非饱和渗流-应力全耦合模型

依据非饱和土有效应力原理如式（1）及（2）所示。

式（1）中：σ′为有效应力，Pa；σ为总应力，Pa；uw为孔隙水压力，Pa；χ为面积系数，与土体的sr有关。

式（2）中：G表示剪切模量，Pa；v表示泊松比；wx，wy，wz分别表示x，y和z方向上的位移分量，m；u为孔隙水压力，Pa；n为孔隙率；γw为水的重度，N/m³；γd为土的干重度，N/m³。

故非饱和土渗流连续性方程，如式（3）所示。

式（3）中：kx，ky，kz分别为x，y和z方向上的渗透系数，m/d；θ为体积含水量，θ=nsr，%；ss为单位土体的贮水率，%。

地下水位降低所引起基坑内产生荷载如式（4）所示。

式（4）中：pw表示水位变化施加于地层荷载，Pa；Δh表示 Δt时间内水位变化幅度，m；β表示折减系数，通常砂土层取 1，黏性土层取 0.5。

开挖荷载如式（5）所示。

式（5）中：M表示移除单元数；N表示形函数；σ0表示初始应力场，Pa；B为应变位移矩阵，m-1。

2 工程概况

2.1 基坑水文地质情况

根据实际地勘报告，场地内含水层为卵石层，水随季节性变化很大，稳定水位埋深 8.1～9.3 m，且卵石层渗透系数为 55 m/d。场地内各种地层土体数据，如表 1 所示。

表1 土体参数

2.2 支护结构设计

根据基坑周边实际环境情况，在保证安全性与经济性的前提下，选择桩锚结构式对该基坑进行支护，基坑平面布置图如图 1 所示，典型剖面如图 2 所示。

图1 平面布置图

图2 典型剖面图（单位：mm）

2.3 基坑降水设计

针对该基坑实际地下水位较浅且施工时又处于夏季的情况，设置直接 0.8 m 的降水井 40 口。降水井分布形式为：沿基坑四周均匀布置降水井且距离基坑上口线距离控制在 3 m 左右；并在基坑上口线位置处设置截水沟，防止倒灌。

3 实际监测结果分析

3.1 地表沉降监测分析

基坑开挖施工过程中需对地表沉降及变形位移进行监测。根据场地实际条件并按照基坑监测方案布设沉降观测点，其监测数据变化曲线如图 3 所示。根据图 3 中的变化规律可得出：①沉降点布置位置处沉降值变化不明显，桩身与土体之间的共同协调变形；②基坑开挖初期，地表产生部分沉降，且基坑边缘产生最大沉降；③随着监测点距离基坑距离的增加，地表沉降曲线趋势逐渐变小；④三个测点处的沉降值随着基坑开挖深度的增加而逐渐增加，其中 54 d 内第 D15-05 测点沉降量增长至 16.3 mm，随着基坑继续开挖，各测点的变化基本趋于稳定。

图3 基坑周边地表沉降变化曲线

3.2 桩体水平位移监测分析

图 4 为桩体水平位移监测结果，其中位移为正值表示向坑内变形。结果表明：各测孔从 4 月到 8 月的水平位移变化都在限值以内，基坑围护结构满足基坑相关要求；最大水平位移发生在 0.5 H 左右深度处，表明基坑周边土体强度较高，自身较为稳定；随着基坑开挖深度增加，坑内土体对支护桩体的反向压力作用减小，坑外土体对桩体的作用增大。

图4 桩体水平位移变化曲线

4 计算模型的建立

4.1 数值模型

本文采用有限元数值分析软件对基坑开挖过程中位移进行数值模拟分析。由于基坑尺寸较大，为了提高计算效率，利用矩形基坑结构和土层的对称性，在实际计算分析时，依据圣维南原理及有限元分析尺寸效应，本文选取的模拟基坑尺寸 140 m×120 m，开挖深度为 11 m，具体的模型如图 5 所示。建立三维数值计算结构单元模型及网格如图 6 所示，共产生 143 789 个计算单元。考虑到施工过程中超载的影响，基坑周边超载均设置为 15 kPa。通过设置模型属性实现土体的开挖及基坑施工过程的模拟，土体本构模型采用 Mohr-Coulomb。四周侧边界法向固定，底边界固定。支护桩采用板单元模拟，锚索自由段利用锚杆单元模拟，锚固段利用土工格栅模拟。

图5 数值模拟 1/4 剖面计算模型

图6 桩锚支护网格及结构单元模型

4.2 工况模拟

1）计算基坑开挖之前土体的初始渗流场和在自重作用下的初始地应力场；

2）考虑施工过程，设置支护桩。

具体如表 2 所示。

表2 各工况信息

为了更真实地反映该基坑施工过程，在模拟过程中采用降水和开挖交替进行的方式：关于开挖方式，土体开挖分为 4 层土体。第 1 层土体，共开挖 2 m，第 2、3 层土体，每层开挖 3 m，开挖至 5 m 时设置第一道锚索，每层土体开挖后，完成相应的支护结构施工；第 4 层土体，共开挖 2 m，该层土体开挖完成后，完成底板。关于降水，潜水降水均在该层土体开挖前完成。为了避免基坑底部发生突涌破坏，当开挖到地表以下 11 m 的时候，需要进行承压水降水。在基坑中共布置有 40 口降水井，计算的 1/4 模型中涉及四口降水井。

5 模拟结果与实测结果对比分析

5.1 地表沉降分析

地表沉降及水平位移的变化云图如图 7、8 所示，图 9 为现场沉降实测与数值模拟对比结果。对比分析可得：与实际监测值的变形规律大体相同。从图 9 中可以看出，桩后土体发生局部下沉现象，分析原因主要为由坑后局部超载所引起；同时坑底土体发生隆起现象，分析原因为基坑开挖过程类似于对坑底原状土卸载过程，而坑底卸载后恢复了部分弹性变形。

图7 土体的水平位移云图

图8 土体竖向位移云图

图9 基坑坑外地表沉降

5.2 桩体水平位移对比分析

根据实际施工顺序，认为基坑开挖至设计标高时桩体变形最大，对比分析一点处桩水平位移的模拟结果与监测结果，如图 10 所示。

图10 桩体的水平位移

由图 10 中可看出，3 种不同情况下的桩体水平位移变化趋势基本类似，而且渗流作用下位移偏大。实际监测值显示，监测最大值小于渗流作用的模拟值，说明渗流对桩体位移有一定影响，实际实施过程中需要结合现场情况，分析渗流影响。

6 结论

通过分析基坑考虑渗流影响的位移变化规律可得：

1）考虑渗流作用下基坑变形与实际监测数据差异较小，更符合实际变化工况。在兰州地区进行基坑降水计算分析过程中，应考虑渗流的影响。

2）基坑周边为基坑最大沉降发生处，并随着距离基坑距离逐渐加大，位移也逐渐减小，并具有一定的范围和规律性。因此在基坑开挖过程中，应加强变形及沉降的监测工作，保证基坑安全。

3）基坑在开挖过程中，为了防止基坑发生过大位移，应及时进行支护，并严禁超挖。Q