软土地区桩锚联合支护基坑降水开挖的渗流应力耦合研究

张剑麟，王瑞雪，徐世光，易思材，冯一鸣

(昆明理工大学国土资源工程学院，昆明 650093)

1 引言

随着城市建设的发展，地下空间的开发和利用成为一种必然的趋势，基坑工程也变得越来越多。软土因其天然重度小，高压缩性，高含水量等特点，工程性能差，导致其在基坑工程中对基坑沉降变形和稳定性的影响很大，威胁到基坑周边建(构)筑物的安全[1]。由于在地下水位较浅的工程地质条件下，为了保证基坑内的地下水不影响施工，通常需要对基坑进行降水处理。尽管基坑工程事故的90%都是由于地下水引起的，但在实际基坑工程设计中基本不考虑渗流场对基坑开挖变形的影响。

随着土体流固耦合作用研究的发展，数值模拟得到了广泛的应用，通过建立基坑渗流场与应力场耦合的有限元模型，不但可以使计算结果更加接近实际，而且可以为基坑降水和支护的优化设计提供理论指导[2]。MIDAS-GTS是韩国MIDAS IT软件公司为将通用的有限元分析内核与岩土结构的专业性要求有机地结合而开发的有限元分析软件，可以模拟较为复杂的岩土工程问题，在基坑开挖设计计算中应用较为广泛。本文以昆明软土地区某基坑工程为例，基于渗流应力耦合作用建立基坑降水开挖的有限元模型，分析该基坑在渗流影响下不同降水开挖工况下的变形规律。

2 饱和土渗流理论的基本方程

水在土中的渗流是在土颗粒间发生的。在基坑降水开挖过程中会产生的坑内外的水头差，从而引起坑内外的渗流运动。在动水力的的作用下，土体的应力场会发生改变，土体的应力场改变会对岩土体的结构产生影响，进而导致土体的渗透性产生变化，结果导致土体的渗流场发生变化[3]。

根据饱和土中水的连续稳定渗流条件与Darcy定律结合建立饱和土中三维渗流的连续微分方程，如下[4]：

式中，h为水头参数；kx，ky，kz分别为x，y，z3个方向的渗透系数。

结合 Darcy 定律、可以得出地下水运动的连续性方程的基本方程，如下[5]：

式中，Q为施加的边界流量;t为时间；θ为水的体积分数，θ=Vw/V，Vw为水流过土体时驻留在土体结构中的水的体积，V为土体的总体积。

3 工程概况及有限元数值模拟

3.1 工程概况

昆明某基坑工程，基坑占地面积约为5 089 m2，拟建地上建筑为19F～20F住宅及1F～2F附属商业楼，1栋3F～4F幼儿园组成，地下建筑为1～2层。基坑支护方式主要为桩锚联合支护，开挖的平均深度约为7 m，止水帷幕采用沿基坑周边闭合的平面布置形式。本工程场地的东北侧原设计采用排桩+预应力锚索进行支护，该剖面位置支护桩和锚索施工结束后，进行土方开挖，开挖接近坑底，根据监测结果，基坑底部隆起和基坑周边地表沉降较大。

3.2 场区地质条件情况

项目场地钻孔内揭露范围内的主要土层的特性如下：

① 杂填土：主要为粘性土夹碎石、碎砖、块石，结构较疏松，土质不均匀，欠固结，强度低。为场区地面整平时人工填筑而成，属新近填土，场区表层均有分布。

② 粘土：饱和，以软塑状态为主，局部呈流塑状态，土质不均匀，局部含少量有机质，干强度及韧性一般，具高压缩性。

③ 泥炭质土：局部为泥炭。黑色，湿，流塑状态，土质不均匀，局部渐变为有机质土，土体结构松散，含较多半炭化腐木，局部成泥炭，具高压缩性。

④ 粘土：可塑状态，土质不均匀，局部含灰白色钙质结核颗粒及钙质胶结块，韧性及干强度中等，具高压缩性。

⑤ 粉土：饱和，稍密状，土质不均匀，局部含胶结块摇震反应中等，韧性及干强度低，具中等压缩性。

⑥ 有机质土：可塑状态为主，局部软塑状态，土质不均匀，具高压缩性。

⑦ 粘土：可塑-软塑状态，以可塑状态为主，韧性及干强度中等，具高压缩性。

3.3 有限元模型的假定条件

本次数值模拟的计算过程中，满足以下的假定条件：假定土体为各向同性的均质材料，地下水在土体中的渗流符合Darcy定律。假定在水位线以下的土体饱和度为100%，基坑的侧向远端水头保持不变。假定在模型的计算过程中，土体的弹性模量、渗透系数、泊松比等参数保持不变，且设置的止水帷幕为悬挂式，其渗透系数趋于0[6]。

3.4 有限元分析模型的尺寸选取

取本基坑发生地表沉降与坑内隆起量较大的支护段作为研究对象，由于基坑开挖左右对称，基坑单侧的设计剖面图如图1所示。数值模拟基坑3次开挖及3次降水过程，基坑对周边环境的影响范围和影响深度取3～5倍开挖深度[7]。最终得到的计算模型长96.8 m，宽4.8 m,高20.7 m，基坑的三维模型如图2所示，模型水头设置如图3所示，整个计算模型划分37 496个节点，32 673个单元。根据工程地质报告中提供的土层信息，将基坑土进行划分成7层进行模拟，具体参数如表1所示。

表1 基坑土体力学参数

图1 基坑单侧支护设计剖面

图2 有限元模型示意图

图3 水头位置图

3.5 基坑开挖及降水施工模拟步骤

软件通过激活和钝化不同的网格组、单元类型以及荷载和边界约束来实现基坑降水开挖施工过程的模拟。基坑开挖前首先进行初始渗流和地应力平衡，再通过激活和钝化相关的网格和单元来进行基坑降水开挖施工过程的模拟，基坑每次的抽水均降水至每次开挖面以下0.5 m处。基坑第一次降水完成后，模拟进行第一次开挖2.5 m、围护桩和冠梁以及第一排锚杆的施工；基坑第二次降水完成后，模拟进行第二次开挖2.6 m、腰梁及第二排锚杆的施工；基坑第三次降水完成后，模拟进行第三次开挖挖至坑底，开挖深度1.6 m。在进行降水开挖工况模拟时，在基坑坡顶施加15 kN/m2的施工荷载。具体的施工模拟步骤见表2。

表2 施工工况步骤设置

4 计算结果分析

4.1 基坑降水开挖的渗流分析

4.1.1 基坑降水开挖渗流场分析

由图4可知基坑在第一次降水开挖，由于开挖深度较浅，坑内外的水头差较小，基坑内最大渗流出现在开挖的放坡面附近，因此需要加强开挖一工况下开挖放坡面的隔水和排水措施。随着止水帷幕的施工完成以及开挖深度的增加，基坑内的渗流场发生显著的变化：由于止水帷幕不透水，导致止水帷幕两侧的水平渗流被阻断，使得在止水帷幕两侧的渗流的表现为沿竖直方向发生：基坑外侧的渗流主要表现为向下发展，与基坑外的沉降方向基本一致；基坑内侧的渗流主要表现为向上发展，与坑底隆起的方向基本一致。基坑内水体主要表现为由坑外向坑内渗流。基坑出现由于降水产生的降落漏斗，并且最大的渗流速度明显地出现在止水帷幕底端，需要加以注意该处的渗透力过大可能引发渗透破坏。为解决悬挂式止水帷幕可能在底端出现渗透破坏的情况，可以在工程地质条件和工程成本允许条件下，将止水帷幕底部施工进下卧隔水层，形成落地式帷幕，并联合加深入土深度的围护桩进行共同作用。

图4 基坑不同降水开挖阶段渗流场图

4.1.2 基坑降水开挖工况下的孔隙水压力变化分析

通过本次有限元分析模拟得到基坑在不同抽水工况下的孔隙水压力变化云图(图5)可知，随着坑内降水深度的增加，基坑上部周边的孔隙水压力逐渐减小，并且孔隙水压力云图逐渐呈现为下凹形，孔隙水压力分布与水体渗流情况基本吻合。

图5 基坑不同抽水工况下孔隙水压力变化情况

4.2 基坑降水开挖模拟过程中变形分析

4.2.1 地表沉降及坑底隆起分析

由图6可知，各降水开挖工况下基坑周边的比表沉降曲线均呈现漏勺型的变化趋势，并且随着降水开挖的进行，地表沉降影响的深度随之增加。模拟得到第三次基坑降水开挖后，基坑周边的最大沉降量为约75 mm,距离基坑开挖边界6.6 m处。在开挖三工况下，坑底最大隆起量出现在坑底中心附近，约78 mm，整体的隆起量呈现凸型的变化趋势。

图6 基坑不同降水开挖工况下竖直位移云图

图7将模拟的基坑第三次降水开挖工况下得到的地表沉降数据与实际监测数据进行对比，可以看到模型模拟得到的坑外地表沉降量和实际监测值相近，变化趋势基本一致，并且地表沉降和坑底隆起量的模拟值略大于监测值，并且模拟得到的坑底隆起量大于二级基坑监测的预警值，实际监测数据得到的坑底隆起量也接近预警值，需要加以注意。

图7 基坑最终降水开挖工况下地表沉降模拟数据与实际监测数据对比

4.2.2 基坑侧向变形分析

结合不同工况下的基坑侧向变形情况，分析在渗流作用下本基坑的侧向变形特性。由图8、图9可以看出，随着开挖深度的加深，基坑的水平位移变形的最大值被控制在坑底附近。由图8(b)与图8(c)可以看出桩顶的水平位移量明显小于桩身其他位置，由此证明了冠梁和锚杆对于约束基坑顶部水平位移的作用；通过不同工况下基坑的水平位移云图也可看出围护结构成功地将基坑的水平变形控制在支护结构附近。从基坑水平位移云图可以看出，基坑的侧向变形较小，对坑内外的沉降与隆起影响不大。考虑到因为基坑降水导致的坑内外水头差产生的地下水渗流均指向基坑内部，导致坑内土在向上渗透力的作用下，可能减弱对支护结构的坡脚反压作用，对基坑边坡的稳定性造成危害[8]。

图8 基坑不同降水开挖工况下水平位移云图

图9 基坑侧向位移随桩身深度变化图

5 模拟结果与实际工程的拟合分析

通过本次有限元模拟得到的结果结合现场实际情况进行分析得：

(1) 止水帷幕虽然可以较好地控制基坑地下水的渗流，但在实际工程中，无法完全截断基坑内外的水力联系。由于坑内外水力联系存在的影响，基坑外水头依然会降低，从而引起土体的有效应力的改变，造成地表不均匀沉降的发生。

(2) 因为本基坑的最终开挖面处于泥炭质土层内，一般情况下由于泥炭质土抗剪强度低，如果出现明显的坑底隆起，须特别注意是否为基坑围护失效引起的土体剪切滑动所致[9]。但根据现场情况，基坑围护结构未发生失效，结合本次模拟得到的结果进行分析得：基坑的支护形式可以较好地约束基坑的侧向变形，但基坑竖直向的变形没有得到很好的控制，综合考虑是因为基坑内外的水头差产生的渗透力，造成了较大的坑外地表沉降，基坑内部由于在渗流力的作用下，加上坑底土上覆的土体卸载以及支护结构的侧向位移对坑底土的造成挤压等综合原因，从而引起了较大的坑底隆起量和为控制基坑外的地表沉降，可以将止水帷幕和井点回灌相结合进行基坑降水,可以较好达到控制坑外沉降[10]。

通过模拟值与实际监测数据存在差异原因，有限元模型各材料属性的本构选取与实际情况的差异，模型计算时土体简化为各向同性材料，在渗流过程中土体体积保持不变，土中渗流简化为连续稳定渗流，并且本基坑模型的土层是按平行分布进行简化，而实际基坑的土层分布较为复杂。综上而言，模拟得到的理论数据与实际监测值存在一定差异，但总体而言，模拟值与实测值的吻合度较高。

6 结论

通过对昆明市某软土基坑的降水开挖进行有限元渗流-应力耦合分析，通过模拟得到该基坑降水开挖过程中基坑渗流情况及基坑变形情况，得到以下相关的结论：

(1) 通过对模型的计算分析结果与第三方监测数据进行对比可以发现，该模型的模拟结果与监测值拟合度较高，证明了本基坑模型模拟的准确性较可靠，也证明了考虑渗流-应力耦合影响下的基坑降水开挖的三维有限元模型能够准确的模拟基坑施工过程中的变形情况。

(2) 止水帷幕可以较好地阻断基坑内外的水平向渗流，迫使地下水在止水帷幕附近的渗流表现为沿竖向发展，并且在悬挂式止水帷幕底端处容易产生较大的渗流力，可能会造成渗透破坏，影响基坑的稳定性。

(3) 在降水开挖工况下，支护结构能够较好约束基坑的侧向变形，但不能很好控制坑内外的竖向变形。由于基坑渗流作用，导致基坑外部地表沉降和基坑内部坑底隆起明显，需要采取相应的应对措施来控制地表沉降，建议在基坑周边合理设置回灌井，做好应对坑底隆起的预案准备。