土体渗流场与应力场耦合作用对深基坑影响分析

李志强 崔中兴

摘要：首先介绍了渗流场与应力场耦合关系对深基坑工程的影响，再运用GEO-SLOPE对深基坑进行数值模拟进行论证，从而更好地模拟条件，对深基坑工程开挖及支护数值模拟研究具有实际意义。

关键词：渗流场；应力场；耦合；深基坑

1 引言

由于在土体中进行深基坑工程施工时，大幅度降低基坑及周边地区地下水位所形成的坑内外巨大的水头差，使得深基坑开挖区附近地下水激烈流动[2]。因为土体孔隙中水的大量排出，引起孔隙水应力的消散，而总的应力是不变的。必然使土体骨架受的荷载增加，也就是有效应力增加，有效应力增加的必然后果就是土体的固结，表现为地面的沉降或变形。这实际上就是渗流场耦合作用的过程。[3]因此，在基坑开挖支护时，需综合考虑多场耦合分析，预测在降排水过程中，可能产生的地基及基坑周围土体的变形。所以说，应力场、渗流场等对深基坑的影响是必然的。

2 深基坑耦合作用数值计算土参数和边界条件

基坑的应力场与渗流场耦合作用的数值计算采用 模型模型，再运用Geo-slope中的SEEP/W与SIGMA/W两种模块进行耦合计算，然后再对其两种结果进行对比分析。而Geo-slope中的SEEP/W与SIGMA/两种模块进行耦合计算的原理是，SIGMA/ W模块的全局变量为应变增量，SEEP/ W中的全局变量为孔隙水压力增量。耦合分析中，孔隙水压力的计算由SEEP/ W模块完成，而后将每一时段不同的孔隙水压力变化作为一种节点荷载赋于到SIGMA/ W模块中，在SIGMA/ W模块中计算每一时段土体中应力应变的变化，而且渗流场与应力场的耦合过程中，应力应变与孔隙水压力是同步求解的。

设某深基坑开挖深度为12 m，宽度为20 m。取对称轴120 m为水平边界，没有流量交换；隔水层埋深为-36 m，初始墙外地下水位于地表。土层结构为埋深0～12 m为粘壤土；12～24 m为砂壤土；24～36m为粉砂。渗透系数K分别为7.00×10-7m/s，5.83×10-6m/s，9.23×10-6m/s；容重 分别为16 kN/m，18 kN/m，20 kN/m；，弹性模量 分别为4 ，8 ，12 ；泊松比 分别为0.35，0.25，0.20；给水度W分别取0.04，0.06，0.08。设开挖基坑为三级，各级开挖深度分别为4m，8m和12m。支护隔渗深度分别考虑三种情况：16m，24m和32m。基坑排水为坑底明沟排水，坑底地下水位为坑底标高；初始墙外地下水位于地表，标高为36m。内排外灌，计算渗流场为定水头稳定流。如以三级开挖所需要的时间分别为15天、15天和20天，计算渗流场为地下水自由表面补给边界的变水头稳定流。计算区域用软件Geo-Slope离散为四边形单元，剖分结果如图1所示，计算渗流场各结点水头与渗透等效结点力。计算时段是从基坑开挖完全后的，对于在基坑底部附加均布荷载是一次性加荷完成以后开始的，计算均采用直接求解法。

对基坑周围排水边界设为上，下、左、右边界和基坑本身支护体为不排水边界，基坑底部为排水边界，具体如图1所示。

本深基坑土层简化为粘壤土、砂壤土和粉砂三层。计算时基坑土层本构模型选用线弹性模型。

3 深基坑的渗流场与应力场耦合作用计算分析

深基坑最终目的是为了建地下基础，再在上面建建筑物，這样必然有建筑物的静荷载对深基坑底部施加压力的作用，从而会对深基坑有影响。为使得本例的数值计算与实际工程相结合。数值计算方案是：先不考虑在深基坑加荷载，即模拟开挖中或开挖后的基坑的渗流场与应力场耦合作用，对基坑周边的影响；然后考虑深基坑加荷载后，相当于模拟基坑上部建了建筑物后，基坑的渗流场与应力场耦合作用对基坑周边的影响。最后对两种计算结果进行分析，得出结论。

3.1 不考虑荷载下深基坑的渗流场与应力场耦合作用计算结果

运用软件Geo-Slope中的SEEP/W与SIGMA/W两种模块进行耦合，在不考虑荷载下深基坑的渗流场与应力场耦合作用计算结果数值模拟。通过计算，可以得到基坑地下水渗流区域内的X及 方向的位移图、孔隙水压力变化图、土层的流速变化趋势图、压水头分布等，如以下图2、3、4、5、6所示。

3.2 考虑荷载下深基坑的渗流场与应力场耦合作用计算结果

用软件Geo-Slope中的SEEP/W与SIGMA/W两种模块进行耦合，并在考虑荷载下（即对深基坑底部施加垂直向下，大小为100KPa的压力，施加荷载示意图6，

对深基坑的渗流场与应力场耦合作用计算结果数值模拟。计算后得到基坑地下水渗流区域内的X及Y方向的位移图、孔隙水压力变化图、土层的流速变化趋势图等，如图7、8、9、10。

3.3 对两种情况下的计算结果对比分析

本数值模拟在分析深基坑的渗流场与应力场耦合作用影响时，不进行细观数据处理或定量分型，只是定性分析得到它们的变化趋势就可[1]。

两种情况的结果图形分析可获得以下结论：

1）在不加荷载和加荷载下，前者的耦合作用会使得基坑出现比后者的耦合作用对基坑下部土层X、Y方向的位移变化都更大些。。

2）由于在基坑底部加荷载，使得土层颗粒互相挤压，重新排布，从而土体孔隙减小，这样就影响了土层渗透速度，便知在不加荷载的耦合作用比加荷载的耦合作用下，深基坑土层的渗流速度更大。

3）孔隙水压力随荷载的增大而增大。

依据土体的线弹性本构模型，利用STGMA/ W与SFFP/ W模块的耦合计算分析表明：深基坑底部和周边的深厚覆盖土层的水平和垂直位移与土层材料性质相吻合。又因Geo-slope线弹性耦合分析收敛速度很快，而且收敛精度很高，在合理的参数取值的基础上，可以得到合理的模拟效果。所以说通过对深基坑的数值计算结果分析，可知其实际与理论结果相吻合，表明计算与理论的可行性与适用性。

4 结论

运用Geo-slope中的SEEP/W与SIGMA/W两种模块进行耦合，对深基坑在不加荷载和加荷载的两种情况下的渗流场与应力场耦合作用数值模拟。计算结果表明，依据土体渗流场与应力场耦合作用对深基坑运用计算分析，可以更好地模拟工程条件，并对深基坑开挖及支护工程数值模拟具有研究的实际意义。

参考文献

[1]崔中兴. 基于CT实时观测的水—岩力学耦合机理研究：[博士学位论文][D].西安：西安理工大学，2005：5-6

[2]王媛. 多孔介质渗流与应力的耦合计算方法[J]. 工程勘察，1995（2）：12-14

[3]罗晓辉. 深基坑开挖渗流与应力耦合分析[J].工程勘察，1996（6）：86-87

作者简介：

李志强（1977-），男，工程师，辉固勘探（深圳）有限公司，主要从事岩土边坡工程、深基坑支护设计研究工作。

崔中兴（1954-），男，教授，西安理工大学岩土工程研究所 主要从事水—岩力学耦合机理研究。