渗流场耦合降水支护结构

深基坑工程中，降水和支护系统的研究日趋受到普遍的关注，尤其是沿海地区，例如长江三角洲第四纪松散沉积层地区［1］。深基坑降水过程实际是渗流场和应力场相互耦合的过程，关于土体和流体相互作用的研究最早见于太沙基对地面沉降的研究，提出了著名的有效应力原理，并建立了一维固结模型，之后比奥在此基础上建立了较为完善的三维固结理论，Verrujit进一步发展了多相饱和渗流与孔隙介质耦合的理论模型，在连续介质力学的系统框架内建立了Euler型多相流体运移和变形孔隙介质耦合问题的理论模型［2］。

基于上述基本理论，目前关于深基坑降水过程提出了许多计算模型，主要有水土分算模型、部分耦合模型和基于比奥固结理论的全耦合模型［2］。比奥固结理论从较严格的固结机制出发推导了准确反映孔隙水压力消散与土骨架变形相互关系的三维固结方程，运用基于比奥固结理论可将渗流模型与土力学分析模型有机的结合起来，对基坑降水进行渗流与应力耦合的分析。然而深基坑在降水作用下支护结构体系的位移研究由于受到土质条件、基坑深度、周边环境、施工方法和支护结构体系参数等因素的影响，理论与应用无法同步，工程应用也尚不明确，故大多数工程中均未考虑深基坑降水作用下支护结构的位移问题，从而引起了许多工程事故。

1水土全耦合模型

假定饱和土体中土骨架变形为线弹性和微小变形、地下水渗流符合达西定律，且不可压缩或微压缩，取以x、y为同一水平面的直角坐标系，z方向向上为正，则三维比奥固结方程如下［3～7］:式中:G为剪切模量，ν为泊松比，wx、wy、wz分别为x、y、z方向上的位移分量，u为孔隙水压力，kx、ky、kz分别为x、y、z方向上的渗透系数，γ为土的重度，γw为水的重度，Ω为研究区域。

1.1定解条件

1.1.1初始条件地应力初始条件:采用土体的自重应力估算土体的初始应力:1.1.2边界条件孔隙水压力边界条件Γ:属于混合边界，式中μ为土体给水度，θ为自由面外法线方向与垂线的交角，q为通过自由面边界Γ3的单位面积流量。

2摩尔-库仑线性模型

弹塑性摩尔-库仑模型包括5个参数，表示土体弹性的杨氏模量E和泊松比ν，表示土体塑性的内摩擦角φ和黏聚力c，以及剪胀角ψ。摩尔-库仑模型描述了对岩土行为的一种“一阶”近似。摩尔-库仑的屈服条件为如下形式［8］:式中:I1为应力张量第一不变量;J2为应力偏量第二不变量;θ为洛德角;C、φ为土的强度参数。对于非饱和土体，孔隙水压力uw=Sγwh，联立土体平衡方程及广义有效应力原理，则得到应力场控制方程为

3工程实例

3.1工程概况拟建工程良志嘉年华二期项目位于兰州市城关区内，基坑开挖深度约15m，基坑周长约为820m，面积约为32025m2，地下室设地下车库。针对现场的实际情况，基坑采用单级复合土钉墙的支护措施;在此工程中，共计10排，其中第二排和第三排为预应力锚杆支护，其余均为土钉支护，土钉及锚杆水平间距1.1m，倾角均为10°，基坑围护平面布置图如图1所示，基坑剖面图如图2所示。基坑所处地层复杂，简化其三层，分别为杂填土、卵石层及强风化泥质砂岩，其物理力学特性如表1所示，地下水属潜水类型，主要含水层为卵石层，水位埋深约为7.24m。

3.2计算模型本文采用大型通用岩土工程有限元软件PLAXIS对复合土钉支护进行分析，该程序广泛用于岩土工程的应力-应变、渗流分析及固结分析等领域。土体采用Mohr-Coulomb理想弹塑性模型;土钉采用土工栅格单元，此单元是具有轴向刚度而无弯曲刚度的细长形结构;锚杆自由段采用点对点锚杆单元，它具有两个节点，此单元既可以承受拉力也可以受压;锚杆锚固段采用与土钉类似的单元;土体与结构物之间的界面用界面单元来处理，通过给界面选取合适的界面强度折减因子来模拟土体强度与界面强度之间的关系，本文中按照土体强度参数折减65%而获得。水压通过指定地下水头利用潜水位来生成水压。

3.3数值模拟结果与分析本工程的数值模拟主要为比较在有降水作用下和未考虑地下水两种情况下的支护结构体系的位移，为此，首先进行了在未考虑地下水条件下的模拟，即不考虑孔隙水压，地下水位线默认为基坑底部。其次依据实际工程的地下水位线－7.24m，进行了数值模拟，以便找到降水作用对支护结构体系位移的影响。依工程的特殊性和设计要求，共分为10施工步，即每一排锚杆或土钉定义为一个施工步。

3.3.1整体位移场的分析图5分别给出了未考虑地下水作用和考虑降水作用基坑的总位移云图。由图可见，在未考虑地下水对基坑总位移的影响时，坑后的位移很小，约为20～25mm。并且在卵石层位置处总位移更小。在考虑了降水作用的影响时，由结果显示，极大的增加了坑后的总位移，约为22.5mm～37.5mm，这也不难解释，众所周知，土由土颗粒、水和气三相组成，现由于降水的作用，减小了水所占的体积，宏观表现为坑后土体的位移量增大。

3.3.2侧向水平位移的分析图6分别给出了未考虑地下水作用和考虑降水作用基坑的水平位移云图。由图可见，未考虑地下水作用时，对基坑的水平位移影响较小，约为23.45mm，从图6(a)可见，水平位移最大值发生在第4排和第5排土钉处，且在基坑底角部有较小的影响区，坑后土体的水平位移很小。而考虑了降水作用影响时，水平位移最大值为30.33mm，从图6(b)可见，水平位移发生在第3、4和5排处，且水平位移的影响区有了很大的增加，尤其是在基坑底部处，坑后的水平位移影响区约40m。可见降水作用对基坑的水平位移的影响不可忽略。给出了随着基坑深度的增加，基坑坡面水平位移的变化曲线，由图可见，未考虑地下水作用时，基坑坡面的水平位移较小，约为23.45mm，而当考虑了降水作用影响时，基坑坡面的水平位移明显增加，约为30.33mm，从图中还可以看出，土质对水平位移影响也较大，图中在卵石层部位出现了拐点，然后水平位移变化趋势相对比较平缓。

3.3.3竖向位移的分析图8分别给出了未考虑地下水作用和考虑降水作用影响时的基坑竖向位移云图，由图8(a)可以看出，基坑底面隆起量较大，而坑后的沉降较小，仅仅在地表荷载作用的范围内有所沉降，约为22.0mm，超出地表荷载之外沉降甚小，而由图8(b)所示，基坑顶面整体有所沉降，在地表荷载作用范围内较大，约为28.16mm，这也是由降水引起的缘故。而考虑降水作用影响时隆起量较小，这是因为隆起量一部分是卸载土体之后引起的基坑底面土体的回弹，当存在降水作用时，水所占据的体积不会发生回弹，回弹量只能由土体来承担，所以未考虑地下水作用影响时基坑底面的隆起量比考虑降水作用时的隆起量大。

3.3.4土钉的总位移分析图10给出了各排土钉最大的总位移随基坑深度的增加变化曲线，图11和图12分别给出了各排土钉最大水平位移和竖向位移变化曲线，由图10可以看出，考虑降水作用影响时的土钉的总位移比未考虑地下水时的总位移明显增大，尤其是2～4排的土钉，总位移量几乎增加了一倍左右，主要原因是此部位刚好处在卵石层部位，卵石层是主要的含水层，并具有较大的渗透系数，基于此，对土钉的粘结强度影响较小，图11和图12分别也反映出降水作用对土钉水平位移和竖向位移的影响，各排土钉的位移量变化趋势基本一致。由此看来降水作用对土钉总位移的影响不可忽略。

4结论基于以上的分析研究，全面反映了在考虑降水作用和未考虑地下水作用两种情况下复合土钉柔性支护结构体系位移的变化规律。研究得到如下的结论:(1)在考虑了降水作用时，基坑的总位移不仅仅包括滑动面内土体的位移，还包括坑后由于降水引起的位移，并且此位移不可忽略。(2)支护结构体系的位移不仅仅与降水措施、地下水埋藏的类型等因素有关，还与土质状况有关，在本文中，杂填土和卵石有很大的区别。(3)在降水作用下，引起支护结构的水平位移比竖向位移大，且引起的竖向位移能有效的减小基坑底面的隆起量。

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