基坑降水数值分析

摘要：土体作为松散的颗粒集合体，它是由固体、液体、气体三部分组成（也称三相系）。地下水构成土体中的液体部分，决定着土体的物理力学性质。基坑开挖过程中，降水工程不但可以改变基坑土体的物理力学参数，更可以通过地下水渗流场的改变而影响着基坑土体边坡的稳定性。本文以某基坑工程为例，应用浸润线理论，通过数值模拟基坑开挖中地下水位的变化来分析渗流场的变化及其对基坑稳定性的影响。

关键词：地下水，渗流场，稳定性

1 引言

拟建基坑工程坑深19.5m，场地范围内地基土为软弱土，地下水丰富，水位埋深约为3m。本文基于对该基坑工程的初步设计，应用浸润线理论采用数值模拟分析的方法对基坑进行分部施工模拟，在开挖及降水的综合影响作用下计算分析基坑的应力、位移状态。

2 工程概况

基坑工程建设规模158127，拟建工程地下5层，地上42层。基坑周长315m，坑深19.5m。

3 工程地质、水文地质条件

3.1 地形地貌

拟建工程，建设场地地形平坦，相对高差不超过0.5m。归属于山前冲积平原地貌单元。

3.2 地层岩性

根据勘察钻探资料，建设场地表部为较厚的第四系覆盖层，详述如下：

3.3 水文地质条件

根据勘察资料，建设场地内地下水水位埋深2.5m～3.0m，主要为①杂填土层中的上层滞水与2、3粉质粘土层中的孔隙潜水。1杂填土层中的上层滞水水量较少，地层透水性较强，渗透性系数K=1m/d，2、3粉质粘土层中的孔隙潜水水量丰富，渗透性相对较弱，渗透性系数K=0.1m/d。

4 基坑支护结构设计

4.1 支护方案

根据建设基坑工程特征，工程场地地质条件。支护方案采用排桩+锚索，降水方案选用坑内积水明排。

4.2 计算参数的选取及设计结果

5 数值分析

数值分析中通过模型的建立及分步施工过程（开挖、降水）的模拟充分考虑基坑工程在开挖、降水综合作用下的应力与位移特征。

5.1 分步施工

将该基坑工程分解为12个分步工程：

1支护桩施工2基坑开挖至第1道锚索下0.5m，水位降至坑下0.5m3第1道锚索施工4基坑开挖至第2道锚索下0.5m，水位降至坑下0.5m5第2道锚索施工6基坑开挖至第3道锚索下0.5m，水位降至坑下0.5m7第3道锚索施工8基坑开挖至第4道锚索下0.5m，水位降至坑下0.5m9第4道锚索施工10基坑开挖至第5道锚索下0.5m，水位降至坑下0.5m11第5道锚索施工12基坑开挖至预定深度（19.5m），水位降至坑下0.5m。几何模型建立如图2。

5.2 地下水渗流分析

基坑场地范围内地层主要为粉质粘土，透水性相对较弱，基坑开挖过程中拟采用积水明排的降水方法，分步施工阶段基坑外侧的地下水不能完全的从坑壁排出，势必形成一定的水头差，在基坑及基坑外一定范围形成地下水渗流场。本文采用水位变化岸坡地下水位浸润的计算方法确定分步工程中降水后的地下水位线。然后将其赋入数值分析模型中，进行地下水渗流计算。

地下水位浸润线计算： ， 施工中降水后的坑内水位， 施工中降水前的坑内水位， 、 降水前后计算点至坑壁的距离， 降水后计算点的地下水位， 降水前计算点的地下水位。

采用浸润线理论模拟基坑开挖降水过程计算孔隙水压力。降水后的水位线改变了基坑一定范围内原有的渗流场，孔隙水压力环境也随之改变（图3―5），桩后形成三角形的孔隙水压力（图6），最大孔隙水压力约为178kN/。

5.3 基坑应力位移分析

用数值分析基坑开挖降水后，在主被动土压力及孔隙水压力的综合作用下，计算坑壁的应力及变形状态（图7―10），坑壁应力呈三角形，最大应力约为417kN/，基坑外侧2倍的基坑深度范围内土体皆有不同程度的塑性变形，最大位移量约为130mm。

6 结论与建议

（1）基坑开挖降水作用改变了初始地下水环境，形成新的渗流场，最大孔压可达178kN/；

（2）开挖完成后，基坑坑壁应力呈三角形，最大应力约为417kN/，基坑外侧2倍的基坑深度范围内土体皆有不同程度的塑性变形，最大位移量约为130mm；

（3）建议对基坑外3倍深度范围的建构筑物进行位移监测。

参考文献

（1）张力霆，土力学与地基基础，高等教育出版社，2007年7月；

（2）刘毅，317国道狮子坪水库区改线段公路病害研究，成都理工大学硕士学位论文，2010年6月；

（3）郑颖人，时卫民，孔位学，库水位下降时渗透力及地下水浸润线的计算，岩石力学与工程学报，2004（18）：3203～3210。