考虑渗流影响的深基坑开挖模拟与监测分析

任延寿

（中交第一航务工程局有限公司，天津 300456）

0 引言

近年来随着基础设施建设的不断发展，基坑施工条件越来越复杂化[1-3]，基坑安全也越来越被重视[4-6]。在我国沿海、沿江（河）城市地下水位一般较高，准确、合理地考虑渗流对基坑稳定性的影响，才能合理地进行基坑支护结构的设计、施工工序的安排以及安全监测点的布置[7-8]。基坑开挖导致的土体应力释放将有助于土体中孔隙水的流动及排出，这样将影响基坑支护结构及土体的应力分布，进而影响基坑稳定性。有限元模拟仿真作为基坑开挖安全评估最简便易行的方法之一，近年来越来越多地应用于基坑开挖的安全设计，然而如何选取更加合理、更贴近工程实际的计算参数和施工工况，利用仿真结果指导工程设计、施工以及安全监测，需要进行更深一步的研究与探索。本文利用某专业化煤炭码头翻车机房圆形深基坑在高水位、临近建筑物情况下的开挖工程实例，应用有限元软件PLAXIS对施工全过程进行模拟仿真，在考虑渗流影响的情况下复核基坑设计方案和施工工序的合理性，并指导施工安全监测点的布置。

1 工程概况

某专业化煤炭码头翻车机房圆形深基坑，基坑直径72 m，开挖深度20 m；地基土体地下水位为地表以下2 m，开挖时基坑降水至开挖面以下1 m；基坑南侧15 m处有两幢办公楼，基础为筏板结构。采用圆形地连墙作为深基坑围护结构，地连墙壁厚1.3 m，深度为入土33 m。地连墙顶部设有冠梁1道，下面设有4道腰梁并沿圆周均匀设置12道竖肋，冠梁、腰梁和竖肋混凝土设计强度等级为C30。在基坑内部距地连墙15 m处设6个降水井。基坑南侧地连墙布设有侧向位移观测点cx-1，从基坑边缘开始间隔5 m设置地表沉降测点，分别为cj-1、cj-2和cj-3，基坑周边情况及测点布设如图1所示。

图1 基坑周边情况及测点布设示意图Fig.1 The surrounding situation of foundation pit and the layout plan of measurepoints

工程区域内地层为第四纪海相沉积层与陆相沉积层，以海相沉积为主，沉积韵律较明显，土层的强度从上至下逐渐增大。根据本次钻探资料揭示，上部地层主要由杂填土、粉土、粉质黏土及粉砂组成，下部地层为粉质黏土及密实粉细砂为主。

基坑开挖施工一共分为6步，分别为地下连续墙施工；基坑降水并第1层开挖2.5 m，2 m处冠梁加内支撑；基坑降水并第2层开挖7 m，5 m处腰梁加内支撑；基坑降水并第3层开挖10 m，9 m处腰梁加内支撑；基坑降水并第4层开挖15 m，13 m处腰梁加内支撑；基坑降水并第4层开挖20 m，17 m处腰梁加内支撑。

2 有限元仿真模拟

2.1 参数选取

本次计算分析采用摩尔库伦模型对土体进行模拟，采用杨氏模量、泊松比、黏聚力、内摩擦角和膨胀角等参数来表征土体特性。对基坑开挖的围护结构地连墙采用板单元模拟，钢支撑采用锚杆单元模拟。

根据工程实际情况，假定土体中水的渗流符合达西定律且土体各向同性，渗流影响范围用影响半径R表征，考虑降水对基坑及周边建筑物的影响，取降水中线100 m为影响半径。模型中基础深度取60 m，计算时同步考虑土骨架变形与孔压消散，有限元计算物理参数见表1。

表1 有限元计算物理参数表Table 1 Physical parameter table of finite element calculation

由于基坑南部有两幢办公楼，根据楼房设计资料，楼房采用条形基础，基础宽度2.5 m，荷载不超过180 kN/m，此次选取办公楼方向的基坑断面进行计算，计算时在距离基坑边缘15 m处施加均布荷载来模拟办公楼的存在。

在进行有限元仿真计算时，地连墙重度取8.2 kN/m，泊松比为0.12，轴向刚度为2.65×107kN/m，抗弯刚度为1.365×106kN·m2/m；内支撑为钢管桩，轴向刚度为2.5×106kN/m。

建立有限元模型，本次计算共划分896个单元，6 457个节点。设定模型底面为水力边界基准面且不透水，水头及孔隙水压力按照水位线所在高度计算，水位线处水压力为0，计算基坑开挖前及开挖完毕时的孔隙水压力分布情况。本次模拟严格按照设计尺寸及施工进度安排进行，仿真分析的第一步为地应力平衡，而后模拟步骤按照施工进度进行，并考虑每次降水引起的水位变化。

计算时在程序中输入地基土地下水位位置，程序将根据外部边界条件生成外部水下压力，而在进行变形计算时，程序会自动将外部水压力作为荷载处理，与土体重度和孔压一并考虑，此时计算结果将更加接近工程实际。

2.2 仿真结果分析

根据图2可知，基坑变形主要是由地连墙的侧向位移引起，墙后地面有沉降。根据仿真结果可知基坑开挖过程中主要的位移发生在地连墙的地面部分以及基坑开挖深度中部，地连墙墙顶最大位移达22 mm，地连墙深层水平位移达19 mm，地连墙所受最大弯矩达940 kN·m/m，建议墙顶区域范围内应加强沉降及近接建筑物的稳定监测以保证施工安全。

图2 基坑开挖完毕时位移云图Fig.2 Displacement nephogram at the end of foundation pit excavation

墙后土体沉降计算结果显示随着基坑开挖过程的进行，地表沉降持续增加，最大处位于基坑边缘10 m，达59 mm，随着距地连墙距离的增加地表沉降先增加后减少，基本符合远离基坑沉降变小的一般规律。分析导致基坑边缘10 m沉降较大的原因，一方面由于在基坑边缘15 m处施加表征办公楼的均布荷载导致，另一方面，地连墙在基坑深度9～13 m处产生侧向位移也将导致地面沉降增加。

基坑开挖降水过程中，土体内水力条件发生改变，原有的水力平衡状态被打破，产生渗流场，而渗透力将转变为有效应力，对土体的变形和坡体的稳定性产生影响。

图3为有效应力云图，根据计算结果可知基坑开挖时基坑内总水头势能小于坑外，最小点位于基坑开挖面中心点，水从坑外流向坑内，有可能在坑内发生管涌及坑壁失稳；降水必然引起坑内土体孔压消散，将导致基坑附近区域内发生沉降，建议降水井远离支撑结构，以免带来安全隐患，考虑渗流对有效应力的影响，将导致基坑开挖时沉降计算加大。

图3 有效应力云图Fig.3 Effective stress nephogram

在一些实际工程变形计算中，很少考虑渗透力作用（尤其是水位下降引起的）对有效应力的影响。由于岩土工程中有效应力的提高是土体发生变形和沉降的主要因素，因此在进行变形计算时应注意有效应力的变化。

3 现场监测数据分析

根据实际工程需要以及有限元应力和位移的计算结果，本项目监测除传统检测项目外，距基坑边缘5 m距离设置1个地表沉降监测，直至距离基坑边缘90 m。为进一步对比分析有限元仿真计算结果的准确性，选取临近办公楼的基坑断面数据进行分析。

3.1 地连墙水平位移监测结果分析

由监测结果可见，临近办公楼的地连墙深层水平位移变化最大，地连墙深层水平位移方向为基坑内侧，最大值为20 mm，开挖初期最大变化率达到 2.45 mm/d。

地连墙墙顶水平位移向基坑内侧偏移，最大位移发生在10～11 m基坑深度，最大值达23.2 mm，其历史最大日变化率为 2.28 mm/d。分析地连墙墙顶水平位移变化曲线可知在基坑开挖初期，受基坑土体开挖影响，地连墙内外侧土压力发生不均衡变化，基坑内侧土体被开挖出去，地连墙受基坑外侧土体的作用，其顶部向基坑内部产生移动，随着施工进行外侧土压力逐渐平衡，墙顶水平位移变化率也逐渐减小，到后期其最大日变化率已经减小至0.03 mm/d，已处于稳定状态。

据办公楼方向的基坑断面的监测点显示，地连墙墙顶侧向位移和深层水平位移分别为23.2 mm和20 mm，与有限元仿真结果对比，有限元仿真结果偏小5%左右。

3.2 土体土压力及孔隙水压力监测结果分析

在基坑开挖过程中，由于基坑内部土体被挖走，其内侧开挖面以上土压力降低为0，受主动土压力的作用地连墙墙体向基坑内侧发生偏移，随着基坑开挖深度的增加，受圈梁、竖肋共同作用影响，办公楼附近地连墙向基坑内侧偏移逐渐减小。在基坑开挖期间地连墙外侧土压力变化趋势与地连墙的偏移相对应；在监测后期，基坑外侧土体土压力变化较小，呈现基本稳定状态。

在整个基坑开挖施工阶段，地连墙外侧孔隙水压力变化不大，其最大孔隙水压力变化约为60 kPa，伴随基坑开挖，地连墙向基坑内侧产生一定的水平偏移，地连墙外侧土体孔隙水压力逐渐减小，受水位及孔隙水消散共同作用的影响，在监测后期，基坑外侧土体孔隙水压力变化较小，呈现基本稳定状态。

3.3 地表沉降监测结果分析

提取办公楼附近沉降点监测数据，并与有限元仿真计算结果进行对比分析，分析结果如图4所示，由对比结果可见监测数据与有限元分析结果吻合度较好。这也从侧面反映出考虑渗流影响下的基坑开挖有限元计算方法的准确性。根据监测结果地表沉降最大点位于基坑边缘10 m，最大值约62 mm。

与监测数据进行对比，有限元仿真结果偏小5%左右。

图4 基坑开挖地表沉降量对比图Fig.4 Comparative chart of the ground settlement of foundation pit excavation

4 结语

1）距离基坑边缘15 m处有办公楼且考虑渗流对土体的影响，仿真分析结果显示地连墙顶端将出现22 mm侧向位移，在基坑深度9～13 m处的地连墙深层水平位移达19 mm，距基坑边缘10 m处地表沉降最大值约59 mm，而与实际工程监测数据对比分析，有限元仿真结果偏小5%左右。

2）考虑渗流对土体有效应力的影响时，由于有效应力的增加将导致土压力的增加进而引起基坑支护结构的变形增大；水位较高时，由于孔隙水压力的消散有导致基坑内部土体发生管涌或基坑失稳的可能。

3）根据工程监测结果与仿真分析结果的对比分析，在地下水位较高的地区进行深基坑开挖时考虑渗流对基坑稳定的仿真分析计算结果与监测结果相差较小，更贴近工程实际情况，建议相似工况下基坑稳定性分析需考虑渗流对土体的影响。