基于渗流作用下基坑空间效应有限元分析

基于渗流作用下基坑空间效应有限元分析

马鸿发

广州大学建筑设计研究院有限公司

【摘要】基坑开挖过程中地下水的渗流作用和基坑的空间效应对基坑的安全和基坑周边环境产生不同程度的影响，为研究两者耦合作用下基坑和周边环境的位移和受力情况，本文采用有限元手段对其进行定量分析，了解其基本规律，为同类基坑工程提供参考。

【关键词】渗流；基坑开挖；空间效应；

0引言

城市中的建设项目尤其是基坑工程受地下水的影响而产生的工程事故屡见不鲜。基坑开挖过程中地下水的渗流作用对基坑的安全和基坑周边环境产生一定的影响，在地下水位较高的城市，尤其是深厚砂层地区，止水帷幕是减少降水对周边环境影响的一个重要措施。另外，随基坑开挖的进行，支护结构变形会引起坑外地层的位移，也将对基坑周边环境产生影响，但研究表明，基坑的空间效应对周边土体的影响是显著的。为此，本文综合考虑渗流作用和基坑空间效应影响，采用有限元方法研究两者耦合作用下基坑支护结构受力和变形以及对周边环境的影响。

1研究背景概况

本文有限元分析依托于大湾区某类深厚砂层地区基坑工程，主要地层自上而下为杂填土、砂层、中风化灰岩地层。本文主要针对浅基坑在渗流作用下的基坑空间效应进行分析，分析不同平面尺寸浅基坑在相同工程条件基坑的变形、受力情况和坑外土体的沉降情况，为此，采用Midas GTS-NX软件建立不同平面尺寸基坑的三维模型进行分析研究。

2分析模型建立

2.1基坑方案

本文主要针对深厚富水砂层浅基坑进行研究，假定项目设一层地下室，基坑开挖深度为5m，基坑采用悬臂灌注桩方案，桩径1000，间距1200，桩长20m；由于采用三轴搅拌桩进行悬挂式止水，未穿透砂层，桩长20m。

图1 基坑支护剖面示意图

2.2地质条件

分析模型假定的主要地层自上而下为杂填土、砂层、中风化灰岩，地层分布及其岩土力学参数见表1。

表1 场地主要岩土层理学参数建议值

2.3模型建立

根据基坑大小，并考虑基坑外50m范围土层，确保边界对模型分析的影响可忽略。同时考虑地层岩土体特性，模型底部约束Z方向位移，模型前后面约束Y方向位移，左右面约束X方向位移。采用板单元和界面单元模拟支护桩和止水帷幕。有限元模型如图2。

图2 有限元分析模拟三维模型

2.4关键工况

根据施工流程考虑有限元模拟的施工关键工况如下：

工况一：施工支护桩和止水帷幕；

工况二：坑内降水至基坑底；

工况三：开挖坑内土体。

3有限元数值模拟结果分析

本项目采用Midas GTS-NX软件进行数值模拟分析计算。经过软件模拟计算分析不同基坑尺寸发生位移和内力的变化，典型工况位移云图见图3、4。位移和内力计算结果汇总表见表2。

图3 支护结构水平方向位移变化等色图

图4 土体的竖向方向位移变化等色图

表2基坑支护结构和坑外地表变化情况汇总表

4结论

基于上述有限元数值模拟分析，得到初步结论如下：

（1）在地下水渗流作用下，悬臂基坑支护结构坑外土体沉降趋势呈三角形沉降形态，坑内隆起为中部隆起最高。

（2）基坑支护结构水平位移、坑外地表沉降、支护结构弯矩受基坑平面尺寸效应明显，基坑尺寸越小，效应趋势变化越明显。

（3）同一基坑情况下，受冠梁刚度影响，基坑角部位置位移较小。

由上述基本结论可知，在浅基坑的基坑支护设计中，可考虑渗流作用下尺寸效应对其的影响，进而优化基坑支护挡土结构和止水帷幕设计。

参考文献

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