基于流固耦合作用的富水砂卵石地层深基坑变形特性分析

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基于流固耦合作用的富水砂卵石地层深基坑变形特性分析

向贤华

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉　430063)

摘　要：深基坑事故大多是由于地下水控制失效造成。长沙地区砂卵石地层透水性好、富水性强、水源补给充沛，地下水的影响更为明显。研究在富水砂卵石地层中深基坑开挖和水位下降引起的地面沉降、基底渗透稳定等影响与变化规律，具有十分重要的现实意义。对长沙富水砂卵石地层地铁深基坑降水与开挖施工过程进行流固耦合数值模拟，计算结果表明，砂卵石地层中基坑开挖引起的地表沉降值与沉降影响范围更大；最大沉降位置更靠近围护结构，沉降曲线表现为较陡；地表沉降速度初期较快，后期较慢；最大渗流力主要分布在连续墙嵌固深度范围内偏下处。针对长沙富水砂卵石地层深基坑特点，提出注浆封底加固，与地连墙防渗帷幕形成封闭截水的风险控制措施与建议。

关键词：轨道交通；富水砂卵石地层；深基坑；流固耦合；数值模拟

在深基坑开挖过程中，大幅度降低基坑内水位，会引起周边一定范围内的地表产生沉降，进而导致相邻建筑、管线、道路等设施下沉、开裂，乃至破坏。同时，随着基坑内水位的下降，坑内外的水头差增大，地下水将在坑内外水头差的作用下发生渗流，在渗透水流的作用下，土中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中悬浮、移动，形成空洞并逐渐扩大或流失，引发流土、管涌等渗透破坏，最终导致地层塌陷、基坑坍塌等事故[1-5]。

对于土体，随着地下水的渗流，孔隙水压力变小，有效应力增加，土骨架产生压缩和变形，这种变形反过来又影响了土体本身的渗透性能与渗流状态。因此，基坑降水与开挖施工过程中土体内渗流场与应力场的变化是一个相互作用相互耦合的过程，即渗流场与应力场的流固耦合[6-11]。

以长沙富水砂卵石地层地铁深基坑为背景，利用有限差分程序FLAC3D在流固耦合计算模式下对深基坑开挖引起的变形特性进行了数值计算与分析，对基坑降水与开挖施工过程中引起的地面沉降、渗流压力、地下连续墙嵌固深度影响等结果进行了探讨，获得了一些有意义的规律，可为今后类似工程的设计与施工提供参考。

1　工程背景及实例

1.1　长沙地貌及砂卵石地层分布与特点

长沙市地处湘江下游、湘浏盆地西南缘，是洞庭湖平原和湘中丘陵的过渡地带。地势展现为西北和东南高，西南和东北低。最高点岳麓山，海拔约293.5 m，最低点为湘江、浏阳河、捞刀河畔，海拔约30 m。地貌主要为丘陵和河流阶地。长沙地区地貌分布如图1所示[12]。

图1　长沙地区地貌分布

其中，Ⅰ级阶地与Ⅱ级阶地由于江河的侵蚀与堆积造成。Ⅰ级阶地呈带状分布于湘江、浏阳河和捞刀河两岸，为冲积物覆盖、半掩埋阶地。Ⅰ级阶地软弱地层广泛分布，砂层较厚，地下水与江水存在水力联系，具有承压性。Ⅱ级阶地呈带状沿湘江和浏阳河分布，为嵌入或基座阶地，广泛分布砂层、圆砾及卵石，具有典型的二元结构，含水量丰富，并受季节性降水的影响，地下水具有微承压性。

砂卵石层广泛分布在Ⅰ级阶地及Ⅱ级阶地，并受断裂带的影响，具有埋藏浅、厚度大、含水量丰富、透水性强的特点。

1.2　工程概况

长沙市轨道交通3号线一期工程某地铁站为地下两层岛式车站，车站总长217.3 m，标准段净宽21.5 m，顶板覆土约3.0～3.5 m，底板埋深为17.5～18.5 m。车站基坑采用明挖法施工，围护结构采用地下连续墙加内支撑体系。

车站基坑地处湘江西侧，属湘江二级阶地。场地内土层自上而下依次为：杂填土、淤泥质土、粉质黏土、细砂、粗砂、圆砾、卵石。基坑底部主要为透水性较强的砂、砾及卵石等富水含水层。本工程主要土层参数如表1所示。

表1　土层物理力学参数

层号土层h/mγ/(kN/m3)Es/MPacu/kPaφ/(°)K/(m/d)①杂填土1.819.34.618.6121.2②淤泥质土3.417.02.14.5100.005③粉质黏土3.019.79.236.6200.007④细砂5.218.08.04.0185.0⑤粗砂6.319.012.04.0268.0⑥圆砾8.719.418.04.03220.0⑦卵石11.220.020.04.043.025.0

2　流固耦合模型的建立

2.1　渗流场与应力场耦合方程

基于比奥固结理论，从连续介质的基本方程出发，建立能反映孔隙压力消散与土骨架变形相互关系的方程[13]。

(1)

式(1)为砂土渗透系数的半经验半理论公式，e为孔隙比，a和b分别为系数和指数，a取值20～30，b取值1.5～2.0。

(2)

式(2)为水位下降和地面超载增加引起的沉降公式，其中Δσ为土的附加应力，ES为土体压缩模量。

(3)

式(3)为由于沉降而产生的孔隙率变化值。v和Δv分别为水位线以下单位面积上的体积以及体积变化量。

(4)

式中，hi为i时段的初始水位值；Δni为i时段因为ΔSi沉降而产生的孔隙率的增量。

2.2　三维流固耦合模型求解流程

使用有限元方法对渗透系数矩阵和水头矩阵进行迭代计算，并根据有效应力原理求解有效应力增量，代入渗透系数分布矩阵并反复迭代，直至满足求解精度。三维流固耦合模型计算流程如图2所示[14]。

图2　流固耦合模型求解流程

2.3　施工过程数值模拟

利用FLAC3D软件，使用fish语言编制程序，建立反应降水与开挖施工过程的数值模型，进行流固耦合计算。基坑周边土体视为弹塑性介质，本构模型采用弹塑性Mohr(摩尔-库伦)模型，流体模型采用各向同性fl_iso模型。土体加载准则和塑性流动准则分别采用线性硬化Druck-Prager准则和非关联流动准则[15]。

基坑采用分步施工方式，地下连续墙嵌固深度10.0 m，视为弹性考虑。地下初始水位为地面以下3.0 m，竖向设置3道支撑分4步开挖。因为第一道支撑深度仅为1 m，且在基坑初始水位以上，第一步和第二步施工影响合并为一步。具体工况如下：第一步基坑开挖至8.0 m，水位降至9.0 m，第二步基坑开挖至14.0 m，水位降至15.0 m，第三步地下水位降至地面以下19.0 m，基坑开挖至基底18.0 m。

3　计算结果及分析

3.1　地表沉降结果

随着基坑降水与开挖施工的进行，基坑周边地表逐渐产生沉降。通过程序设置监测点，各施工工况结束后地表沉降结果如图3所示，图4为地表最终沉降结果云图。

图3　各工况地表沉降曲线

图4　地表沉降结果云图

结果显示，地表沉降曲线呈抛物线形状，沉降影响范围及沉降值均随着基坑深度的增加显著变大，地表最大沉降位移点往基坑外侧移动，地表沉降最大影响范围约为基坑深度的3.5倍，这比一般的软弱黏土和中等软弱黏土基坑2倍左右的影响范围要大。地表沉降最大值达48.2 mm。

与软土地层基坑施工引起的周边地表沉降相比，砂卵石地层中基坑施工引起的地表沉降值与沉降影响范围均要大，这是由砂卵石本身低黏聚力、高渗透性的特性决定的。同时，砂卵石层中地表最大沉降位置更靠近围护结构，沉降曲线表现为更陡，这是因为砂卵石层黏聚力低，地下连续墙与土体间的摩擦力较小，制约土体下沉能力弱，因此靠近围护结构体处土体沉降量比其他地层基坑大。

图5　典型测点沉降监测曲线

通过FLAC3D在基坑周边设置监测点，监测地表沉降与时间的关系，如图5所示。结果显示，在基坑施工初期，地表沉降速度非常快，后期沉降速度较慢。整体而言，砂卵石基坑地表沉降速度在前期快于软土地层基坑，沉降值较大，后期沉降速度比软土地层慢，沉降值较小。分析认为，降水引起地层压密导致地面沉降，地层压密的时间及其延滞效应与土体渗透能力密切相关，砂卵石地层孔隙大，透水能力强，压密时间短，速度快，而黏性土的压密时间较长，速度慢。

3.2　渗流场分布

随着基坑降水与开挖，坑外地下水位不断下降，周边土体内形成一个运动渗流场，土体中的孔隙水压力降低，孔压分布不均匀，通过流固耦合模拟计算，水位降落后渗流场场速度矢量分布及孔压云图如图6所示。

图6　流场场速度矢量分布及孔压云图

渗流速度矢量分布反映了地下水流流动，坑内外存在水头差，基坑外速度矢量指向基坑内。连续墙附近流失最密，最大值分布在坑角和连续墙底部之间，所以该区域最容易产生管涌、流土等破坏。图6同时看出，渗流主要发生在4～7层土层中，这是因为4～7层为砂卵石层，渗透性强，第3、4层土分别为淤泥质土和粉质黏土，渗透性弱。在这种深厚富水砂卵石层中，在连续降水过程中，坑内土体在渗透水流的作用下，砂性土层的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动，并不断被水流带走，土体孔隙不断扩大，渗流速度增加，增加了发生流沙和管涌等风险。

3.3　渗流压力分析

渗流压力是地下水渗流时作用在土体骨架上的力，是动水坡降所引起的，渗流压力与水力坡度成正比。不同降水与开挖深度时连续墙背渗流压力结果如图7所示。

图7　各工况地连墙背渗流压力

结果显示，随着降水及开挖深度的增加，连续墙两侧的水力坡降增大，渗流力最大值分布在连续墙嵌固深度范围内偏下处，基坑开挖深度愈大，渗流力越大，这也与流速矢量分布一致。

为研究抗渗帷幕深度对防渗的影响，对地下连续墙嵌固深度分别为5、10、15 m时进行渗流压力计算，如图8所示。结果表明，随着地下连续墙嵌固深度的增大，地下水渗流路径增长，水头损失增大，渗流速度变小，渗流压力随着减小。计算同时显示地下连续墙长度的增加量与渗流压力的减小值并不构成正比关系，即：地下连续墙越长，单位长度地连墙对渗流压力减小的贡献越小。

图8　不同嵌固深度地连墙背渗流压力

3.4　施工风险及控制措施

结合长沙地区地层分布与特点，富水砂卵石层往往与江河有水力联系，水位较高。分析表明，在该地层基坑降水与开挖施工过程中，引起地表沉降值与影响范围偏大，极有可能对周边环境产生破坏影响。同时，由于地下水位过高，砂卵石层黏聚力低，渗透性大，加大了基坑内外的水头差，降低了土体强度，因而发生流土管涌等渗透破坏的风险较大。同时，由于地下水受季节性降水影响具有微承压性，地下水的承压水头更增加了该地层基坑在雨季施工时发生渗透破坏的可能。

计算结果与分析表明，对于本基坑，砂卵石层十分厚，地下水丰富，如采用悬挂式防渗帷幕加基坑内降水的方式，地面沉降大，影响范围广，极有可能对周边产生灾害影响。另外由于降水与开挖施工过程中渗流压力大，土体黏聚力低，发生管涌流沙等渗透破坏风险非常大。而且地下连续墙插入深度大，实施比较困难且不经济。建议采用注浆水平封底，与地连墙防渗帷幕形成封闭截水，封闭渗水通道，从根本上加固土体，能较好解决富水厚砂卵石层中的地下水风险。

4　结　语

(1)以长沙富水砂卵石地层地铁深基坑为背景，利用有限差分程序FLAC3D在流固耦合计算模式下对深基坑开挖引起的变形特性进行了数值计算与分析。

(2)结果显示，砂卵石地层中基坑降水与开挖引起的地表沉降值与沉降影响范围均较其他地层大；最大沉降位置更靠近围护结构，沉降曲线表现为较陡；地表沉降速度初期较快，后期较慢。

(3)随着降水及开挖深度的增加，连续墙两侧的水力坡降增大，渗流力最大值分布在连续墙嵌固深度

范围内偏下处；地下连续墙长度的增加量与渗流压力的减小值并不构成正比关系。

(4)针对长沙富水砂卵石地层深基坑施工引起的变形特点，提出了相应的风险控制措施与建议。

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收稿日期：2015-11-03； 修回日期：2015-11-11

作者简介：向贤华(1977—)，男，高级工程师，2004年毕业于武汉大学结构工程专业，工学硕士，E-mail：[e-mail]。

文章编号：1004-2954(2016)06-0080-04

中图分类号：U231+.4

文献标识码：A　　

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.06.017

Analysis of Deep Foundation Pit Deformation Based on Fluid-structure Interaction of Water-abundant Sand and Cobble Layer

XIANG Xian-hua

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.，Ltd.，Wuhan 430063，China)

Abstract：Most deep foundation pit accidents are caused by the failure of groundwater control. Sand and cobble layer in Changsha is characteristic of good water permeability，water rich，abundant water supply with remarkable groundwater impact. Therefore，research on water-abundant sand and cobble layer in deep foundation pit excavation and water level decline caused by ground subsidence，basement permeability stability influence and the changing rules is of great significance. Seepage-stress coupling simulation of deep foundation pit dewatering and excavation of deep foundation pit in the Changsha water-abundant sand and cobble layer is conducted. The results show that the surface subsidence caused by foundation pit excavation in sand and cobble layer and the scope of settlement are very big; the maximum settlement position is closer to the retaining structure and the subsidence curve is steeper; the surface subsidence velocity is fast at initial stage and slow at late stage; the maximum seepage force is mainly distributed in the lower part of the partial solid point embedded in the continuous wall. According to the characteristics of deep foundation pit in Changsha water-abundant sand and cobble layer，risk controlling measures and suggestions are put forward to reinforce by bottom grouting and to form a closed cut-off wall and anti-seepage curtain．

Key words：Rail transit; Water-abundant sand and cobble layer; Deep foundation pit; Seepage-stress coupling; Numerical simulation