渗流应力场耦合作用下苏州工业园区某地下车库基坑的变形分析

渗流应力场耦合作用下苏州工业园区某地下车库基坑的变形分析摘要：地下水渗流对基坑变形的影响成为当前研究的热点，以苏州工业园区某地下车库基坑为例，采用ABAQUS模拟基坑开挖及支护过程，分析基坑开挖过程中的变形及渗流场规律。

结果表明：在开挖间歇期的坑外地表沉降量均比同期开挖结束后的沉降量要小，而基底隆起量比同期开挖结束后的隆起量要大。

每步开挖间歇结束时，围护墙的水平位移有所减小。

随着开挖的进行，围护墙周围的水头等势线越来越密，地面沉降形状为下凹的盆地形状。

关键词：基坑；渗流-应力耦合分析;有限元模拟
1引言
基坑开挖时，坑内外通常存在着水头差，地下水将在坑内外水头差作用下发生渗流。

基坑开挖过程是地下水渗流与岩土变形动态耦合的过程。

利用渗流-应力耦合理论研究开挖过程中地下水的渗流形态和孔隙水压力场的分布，分析地下水渗流对基坑稳定性的影响具有重要意义。

近几年来，许多研究者在分析渗流稳定问题时，引入了渗流场与应力场的关系，即渗流-应力耦合关系，并在岩土工程的各个领域取得了一定的成果和进展，渗流-应力耦合问题已成了研究的热点问题。

谢兼量[1]进行了渗流应力耦合条件下的海堤边坡稳定性研究；贾善坡等[2]进行了泥岩隧道施工过程中，渗流场与应力场完全耦合的损
伤模型研究；张巍等[3]对大型地下洞室群围岩进行了应力-损伤-渗流的耦合分析；张媛媛[4]，苗丽等[5]，周建国等[6]在土坝的渗流场与应力场的耦合应用方面的研究获得了一些进展；王强等[7]，杨永恒[8]，郭娟[9]，周舒威等[10]基于渗流-应力耦合对尾矿坝的稳定性进行了研究；李筱艳[11]、纪佑军等[12]采用渗流-应力耦合分析，求解基坑的渗流场以及位移场。

本文结合苏州工业园区星海街站南北两侧公共地块地下车库项目，利用ABAQUS有限元软件进行了基坑工程在渗流－应力耦合作用下的变形分析，可为基坑工程的设计和施工提供参考。

2工程概况和地质条件
星海街站南北两侧公共地块地下车库场地，位于苏州工业园区星海街及其以西、苏华路南北两侧的公共地块内。

项目主要包括绿地、下沉式广场、地下两、三层停车场及局部商业、预留地下通道，部分地面建（构）筑物。

地下车库北基坑北侧5m为苏雅路，东侧基坑边线位于星海街慢车道上，距离建园大厦4～7m，南侧基坑边线位于苏华路慢车道上，西侧较为空旷，现为绿化草坪。

南基坑北侧基坑边线位于苏华路慢车道上，东侧基坑边线位于星海街慢车道上，距离星海大厦3～7m，南侧基坑边线以南7m有一近东西走向河道（相门塘），C25孔以南现为在建工地，西侧较为空旷，为绿化草坪。

地下室结构采用现浇钢筋混凝土框架体系，地下室结构底板（无论地下两层或三层）均处于同一标高，地下室结构顶板上部覆土（至自然地面）地下
三层处约 1.3m，地下两层处约 3.0m，基坑深度为自然地面以下约14.5m。

场地地貌单元属长江三角洲太湖流域冲湖积平原区，地貌形态单一。

拟建场地66.30m以浅各土层由第四系全新统～中更新统（Q4～Q2）冲湖积相沉积物组成，呈水平层状分布，土的物理力学性质如表1所示。

地表水主要为场地南侧河道内河水，河水面标高1.34m，水深2～3m，河底淤泥厚0.5～1.0m。

潜水主要赋存于①1杂填土、①2素填土层中，勘察期间，测得其初见水位标高1.6m左右，稳定水位标高1.24~1.45m。

微承压水主要赋存于④a粉质粘土、④粉土层中，最大涌水量为38.304m3/d，渗透系数平均值为4.18×10-4cm/s，属“弱透水”级。

勘察期间实测微承压水头标高在1.16m，随季节变化地下水位有升降，年变幅0.80m左右。

承压水主要赋存于⑦粉砂、⑨粉土层中，水头埋深在地面以下2.32m，承压水头标高0.16m左右。

3有限元分析
3.1模型尺寸与计算参数
本工程取北侧基坑东西向AA－B1B1二维断面进行分析，基坑宽为120m，基坑开挖深度为13.5m，开挖至1.5m和7.2m深度时设
置支撑。

由于基坑轴对称性比较好，取一半进行模拟。

土体模型大小为261.3m×70m(1/2宽度高度)，墙体按照等刚度原则将支护桩和止水桩换算成厚为1.3m的地下连续墙，墙身高度以大部分桩长为依据定为24.8m。

土体采用减缩积分的四节点平面应变孔压单元CPE4PR，围护墙采用减缩积分的四节点平面应变单元CPE4R，如图1所示。

支撑的作用主要是限制土体向基坑内部位移，这里采用施加位移约束的条件来实现，即假设支撑是刚性。

图1二维有限元计算模型
对于地基土层，采用Mohr-Coulomb模型，模型中各材料参数如1所示。

围护墙，重度取为25kN/m3，弹性模量取为10GPa，泊松比取为0.2。

3.2边界条件
模型左边界为轴对称边界条件，右边设置水平方向位移约束，底部边界设置水平、竖直方向位移约束。

模型右边界假定孔隙水压力不发生变化为定水头边界，即水源源不断地补充，模型底部为不透水边界，模型左边界孔隙水压力随着降水水头的变化而变化。

3.3有限元模拟的实施步骤
（1）建立整个场地土体及支护结构(地下连续墙)有限元模型；
（2）设置初始有效应力，孔隙比及孔静水压力，施加重力荷载，
平衡初始应力场，由于桩与土弹模和密度相差太大，第一步平衡时，将桩的模量、密度设置跟土相近；
（3）二次平衡地应力，此步将桩的模量设置成实际值，二次地应力平衡后，位移量级控制在10-4~10-5m量级；
（4）施加桩剩余部分的重力荷载；
（5）逐层降水并“杀死”各层的土体单元，模拟基坑降水和基坑开挖；
（6）限制支撑与墙体相交处的节点位移，模拟支撑作用；
（7）开挖一层土之后都有一个施工间歇过程，使超静孔隙水压力得以消散；
（8）重复步骤（5）～（7）直至开挖到基底。

此基坑工程的分析共分成11步，其中初始应力场平衡为第一步，基坑开挖分三次完成，前两次开挖完成以后分别加第一道、第二道支撑。

根据工程实际情况，开挖一层20天，完成一道支撑时间为5天，间歇期为5天。

4计算结果与分析
4.1降水开挖引起的基坑变形
地下水渗流作用贯穿于基坑工程整个施工过程中，无论是降水阶
段，还是开挖加撑阶段。

而基坑的变形主要就是桩体的变形、桩后地面沉降和基坑底部隆起。

图2为二维基坑模型降水开挖过程中的土体沉降变形图。

可以发现：（1）随着开挖过程的不断进行，桩后地面的沉降量和基坑底部的隆起量都在不断增加；（2）在考虑渗流作用的情况下，基坑在开挖间歇期的沉降变形值均比同期开挖结束后的沉降变形值要小，而基坑隆起量却比同期开挖结束后的隆起量要大，但两者的变化量不大。

a.第一层开挖结束
b.第一层支撑
c.第二层支撑
d.第三层间歇期
图2二维基坑模型降水开挖过程中土体沉降云图
4.2支护结构水平位移
图3为不同开挖阶段围护墙的水平位移变化曲线，每步开挖和间歇期的趋势一致，最大水平位移发生的位置随着开挖深度的增大而逐渐下移，与各步开挖面基本保持一致，最终在基坑底面处达到最大。

从图中还可以看出：（1）随着开挖深度的增加，墙身下部的位移随之增大，而顶部位移有减小的趋势，其最大位移发生在第三次开挖结束之后；（2）在每步开挖间歇结束时围护墙的水平位移均有所减小，这
是由于超静孔隙水压力的消散和渗流造成坑外水压力的减小，使得墙体的位移有所回落，有利于基坑的稳定性。

图3支护结构水平位移变化曲线
4.3基坑底隆起变形
由于在基坑开挖过程中，土体开挖卸载，基坑土体会产生回弹，从而引起基坑底产生隆起变形。

图4为基坑降水开挖过程中基坑底的隆起变形量，可以看出，基坑隆起量在基坑中轴线处最大，第一层开挖结束，最大隆起量达到2cm，随着开挖的进行，隆起量愈大，全部开挖结束，变形量为2.3cm。

无论是哪一层开挖，基坑隆起量随着隔基坑中轴线的距离增加，隆起量逐渐减小。

图4基坑底隆起变形曲线
4.4孔隙水压力变化
基坑降水开挖引起的渗流场总静孔隙水压力如图5所示，a为地应力平衡时的初始孔隙水压力分布图，此时孔压不存在超静孔压，孔压分布和重力场平衡，所以不发生渗流；b~g为每步开挖结束时和开挖间歇期结束时土体中的总静孔压的分布图，由于降水开挖后基坑内外产生水头差变化，开挖卸载也同时在土中产生负的超静孔隙水压力，土中水在重力势(水头差)和压力势(超静孔压)的共同作用下发生渗流。

等势线从入水边界到出水边界逐渐变密集，在围护墙底部附近
分布最密，随着开挖的进行，围护墙周围的等势线也是越来越密，水力梯度也就越来越大，故此时地下水的流速也就越大。

a.地应力平衡后
b.第一层开挖间歇期结束
c.第二层开挖间歇期结束
d.第三层开挖间歇期结束
图5孔隙水压力变化云图
4.5地面沉降
图6地面沉降变化曲线
图6是支护墙外地面沉降的变化曲线，可以看出，三层基坑开挖引起的地面沉降，从整个变形趋势来看，它们的形状都是一个类似于向下凹的盆地形状，最大沉降量并不是出现在坑壁，而是在离基坑一定距离的地方，再随着距支护结构边缘距离的增加，沉降变形值逐渐
减小。

所以，在坑外附近有建筑物的情况下，要严格注意地表的沉降，防止产生允许值之外的不均匀沉降而造成严重损失。

5结论
在考虑渗流作用的情况下，基坑在开挖间歇期的坑外地表沉降量均比同期开挖结束后的沉降量要小，而基底隆起量却比同期开挖结束后的隆起量要大。

围护墙在开挖过程中的最大水平位移发生的位置随着开挖深度的增大而逐渐下移，与各步开挖面基本保持一致，最终在基坑底面处达到最大。

而在每步开挖间歇结束时围护墙的水平位移均有所减小。

随着开挖的进行，围护墙周围的水头等势线越来越密，流速也越来越大。

地面沉降形状为下凹的盆地形状，最大沉降量不是出现在坑壁，而是离基坑一定距离的地方。

参考文献
[1]谢兼量.考虑渗流应力耦合的边坡稳定性分析:[D].南京:河海大学,2007.
[2]贾善坡,陈卫忠,于洪丹.泥岩隧道施工过程中渗流场与应力场全耦合损伤模型研究[J].岩土力学,2009,30(1):19-26.
[3]张巍,肖明,范国邦.大型地下洞室群围岩应力-损伤-渗流应力耦合分析[J].岩土力学,2008,29(7):1813-1818.
[4]张媛媛.ANSYS在土坝渗流场和应力场及其耦合分析中的应
用研究:[D].南京:河海大学,2006.
[5]苗丽,郭雪莽,王复明.基于应力场与渗流场耦合的土坝稳定性分析[J].人民黄河,2007,29(9):75-77.
[6]周建国,李淼,郭雪莽.水利电力机械[J].2007,2007,29(3):28-30.
[7]王强,鲁柄强,王水平.尾矿坝渗流-应力耦合场的有限元分析[J].现代矿业,2010,3):74-77.
[8]杨永恒.渗流场与应力场的耦合分析及其在尾矿坝工程中的应用:[D].西安:西安理工大学,2006.
[9]郭娟.木梓沟尾矿堆积坝的物理力学特性及坝体渗流场与应力耦合分析:[D].西安:西安理工大学,2009.
[10]周舒威,李庶林,李青石,陈际经.基于渗流-应力耦合分析的野鸡尾尾矿坝稳定性研究[J].防灾减灾工程学报,2012,32(4):494-501.
[11]李筱艳.基于位移反分析的深基坑渗流场与应力场的完全耦合分析[J].岩石力学与工程学报,2004,23(8):1269-1274.
[12]纪佑军,刘建军,薛强.基坑开挖中渗流-应力耦合模拟[J].岩土力学,2007,28(增):630-634.。