流固耦合下隔水帷幕对深基坑的变形特性研究_郭安宁.pdf

第 2 期收稿日期：2022-09-06作者简介：郭安宁（1998），女，汉族、湖北宜昌人，兰州交通大学交通运输学院硕士，研究方向为基坑稳定性与地下水渗流，E-mail：.2023 年 05 月汕头大学学报（自然科学版）第 38 卷 第 2 期May2023Journal of Shantou University(Natural Science)Vol.38 No.2文章编号：1001-4217（2023）02-0071-10流固耦合下隔水帷幕对深基坑的变形特性研究郭安宁，金作栋（兰州交通大学交通运输学院，甘肃兰州730000）摘要本文以某软土区止水帷幕深基坑监测为背景，使用 COMSOL Multiphysics 对基坑分层建模并建立二维渗流-固结耦合模型，研究流固耦合模型在软土地区基坑数值模拟的可行性，基坑渗流模型的建模方法，并分析不同隔水帷幕建模方法对基坑水平位移及坑外地表沉降的影响.研究表明：COMSOL Multiphysics 模拟基坑变形数值与实际监测数值较吻合，降水渗流作用对基坑变形具有很大影响.止水帷幕对于减少坑外水位下降和控制地表沉降有显著作用.设置隔水帷幕后，地面沉降量减小，而缺点是导致围护结构变形增大.最后模拟了不同深度隔水帷幕对坑外地表沉降的影响，认为隔水帷幕对坑外沉降改变量有先增大后减小的规律，深度过小或者过大对沉降量的控制效果不好.弱透水层交界处有沉降改变量的极大值，弱透水层处沉降量改变量有明显骤减.关键词软土；流固耦合；水平位移；隔水帷幕；弱透水层；沉降量中图分类号TU46；TU924文献标识码A深基坑工程的开挖与支护是当前城市建设中的一项重要问题1.基坑开挖较深，尤其是土壤强度较低时，容易因荷载等因素产生各种工程问题造成损失.因此，为控制基坑位移与沉降，保障人员安全与降低工程损失，对于深基坑问题的监测与数值模拟是至关重要的.深基坑数值模拟的研究一般使用商用软件，如 FLAC3D、Midas/GTS、ANSY、ABAQUS 等2-6，这些研究计算了深基坑开挖后的水平位移，总结了水平变形规律，并对数值模拟数据和工程实测数据进行比较.这种研究局限于只考虑了土壤塑性，而没有考虑渗流场的影响，且对于 COMSOL Multiphysics 的运用较少.基坑开挖是一个复杂的过程，不仅包含土体的开挖，还包含开挖前的降水过程.数值模拟研究中，刘婧7以 Biot 固结理论为基础采用有限元法对多级梯次降水开挖过程进行了流固耦合分析.实验模拟中，薛丽影8利用模型试验系统完成悬挂式截水帷幕基坑地下水渗流以及完整井条件下的层状含水层渗流的研究获得与实际工程相符的渗流流网形态，丰富了地下水渗流场的特征和规律.理论计算中，张志红9考虑了地下水位下降引起的土体孔隙比和压缩指数变化对地面沉降计算的影响，提出了不同止水帷幕插入汕头大学学报（自然科学版）第 38 卷深度下潜水含水层中基坑降水引起坑外地面沉降的计算方法.陈凌铜10进行有限元数值模拟分析基坑降水开挖下基坑及邻近管线的变形，并研究了稳态渗流下隔水帷幕插入深度不同时基坑及邻近管线的变形响应.但该研究只局限于深度，而没有分析隔水帷幕影响深基坑变形的关键点（弱透水层）.在此基础上，本文建立 Biot全耦合模型研究不同隔水帷幕下深基坑的变形特性，分析隔水帷幕影响变形的原理，提出隔水帷幕设置深度的工程建议.富水地层中，地下水控制系统通常采用在基坑内设置抽水井的降水方式，以确保施工安全.然而，降水将导致地下水下降和挡土墙移动，两者结合，可能导致严重的地面沉降.本文是基于上海市某深基坑工程项目，运用 COMSOL Multiphysics 对基坑开挖与支护过程进行了基坑开挖模拟，比较模拟数据与实测数据，验证流固耦合模型的准确性，分析了隔水帷幕在基坑变形控制中的作用，以及不同隔水帷幕插入深度对基坑变形的影响.1工程概况与模型建立模拟基坑为上海市虹口区杨树浦路北外滩地区某基坑11，该基坑基地南临黄浦江，北靠杨树浦路，东侧为瑞丰大厦及秦皇岛路.占地面积约 35 000 m2.基坑呈不规则长方形，基坑东西长约 230 m，南北进深 120-160 m.基坑采用钻孔灌注桩进行围护，在此基础上使用混凝土支撑，采用直径 850 mm 三轴水泥土搅拌桩作为止水帷幕.基坑开挖深度为 13.4 m，属于深基坑范畴.对该深基坑进行 COMSOL Multiphysics 建模，对基坑开挖后的钻孔灌注桩水平位移、地表沉降与基坑内部沉降进行模拟.参考表 1 中地质结构对该模型进行分层.目前对深基坑建模多是从基坑水平位移着手，对基坑上侧沉降和下部隆起模拟较少，缺少建模经验.在渗流模型参数设计中，基坑开挖深度 13.4 m，止水帷幕深度为H，以坑底中心点为中心，垂直于 y 轴为对称轴，选取基坑的一半作为研究对象.根据当地水文材料，假设该基坑水位高度为地下 2 m，并假设当距离基坑三倍以上距离不考虑水位的影响.本文模型只考虑模拟基坑开挖到坑底过程中基坑渗流固结作用的位移变化，而不考虑基坑填方后的变形.该基坑施工分为以下几步：表层土体开挖并施工第一道支撑；开挖至第二道支撑底并施工第二道支撑；开挖至第三道支撑底并施工第三道支撑；开挖至坑底.1.1几何模型选取与网格划分竖直向影响深度一般大于等于 2 倍基坑深度，而水平向影响范围一般大于等于 3倍基坑深度，由于该基坑开挖深度 13.4 m，本模型取深度为 40 m，水平距离取为 60 m.该模型的网格划分如图 1 所示.网格划分必须考虑到计算的准确性和计算时间.钻孔桩作为网格划分的关键部分，作为映射的中心，并向其余部分扩散，形成计算关键点向外扩散的网格划分13，这样的划分提高了计算关键部分的精度，有效地减少了计算时间.72第 2 期对实际工程项目进行建模，并对该模型进行网格划分，钻孔灌注桩是数值计算中的主要计算部分，故对钻孔灌注桩部分映射，使该部分网格分布更密集，从而增加该部分计算结果的精确程度.在不考虑渗流与孔隙水压力作用时，基坑上部均布荷载与土壤塑性为影响钻孔灌注桩水平位移的主要因素.该模型取基坑上部均布荷载 35103Pa，土壤塑性通过 D-P 准则匹配摩尔-库伦准则计算.1.2材料参数及本构模型基坑土体力学参数如表 1 所示.1.3支护结构参数钻孔灌注桩强度等级为 C30，杨氏模量 3103Mpa.内支撑结构采用钢管支柱，数值模拟方法采用 ramp 函数，该函数初始值 Umax为预应力锚杆最大允许位移，设置为 25 mm，杨氏模量 2105Mpa，该锚杆在小于允许位表 1 土体力学参数1杂填土04.6180100.3362黏质料土（江滩土）4.6118.210290.256.53淤泥质料质黏土5.64.917.414180.256.54淤泥质黏土10.5816.914110.256.55黏土18.53.517.81912.50.255.36粉质黏土22.33.818.120190.255.37料质黏土26.54.219.93019.50.255.28砂质料土30.76.518.7335.50.25409料砂37.213.818.71360.2560层号土层名称层面埋深层厚/m重度r/（kN m-3）固结快剪c/kPa/（）泊松比杨氏模量E/MPa图 1 模型网格划分图郭安宁等：流固耦合下隔水帷幕对深基坑的变形特性研究73汕头大学学报（自然科学版）第 38 卷移时不施加支撑力，大于 25 mm 位移时，随位移增大，其支撑力线性增大.三层支撑结构强度参数相等.当开挖达到一定深度时，只要钻孔灌注桩挠度大于允许值，支柱就会被激活.该支护结构轴向刚度 S 估算方法为：SEAl.（1）其中，A 是横截面积，l 是支护体长度，E 是材料杨氏模量.1.4流固耦合理论数值模拟方法是预测地下水头下降引起地面沉降的有效方法.基于 Biot 固结理论的全固结耦合模型，可将土壤的弹塑性、粘弹性和蠕变特性等纳入模型.此外，Biot 理论能够反映孔隙水压力和位移的相互影响.流固耦合模型需要同时考虑渗流场与应力场耦合作用.考虑渗流场作用主要由孔隙水压力产生，孔隙水压力大小基于降水作用的水头变化而变化.中国沿海地区属于软土地区，软土中地下压力水头改变会导致弹塑性变形，且带有隔水帷幕的基坑开挖过程中，基坑降水开挖会造成坑内坑外水头差，这种复杂情况在 Biot 固结理论计算中更能体现.Biot 理论假设土壤骨架为线弹性变形，且该值较小忽略不计.模型中地下水渗流遵循达西定理.基于 Biot 固结理论，建立二维流固耦合方程12：G2wxG12vxwxxwyy()ux0（2）G2wyG12vywxxwyy()uyt（3）twxxwyy()1wxkxux()ykyuyw()0（4）其中 G 是杨氏模量，2是拉普拉斯算子；wx、wy是指沿 x、y 方向的位移；v 为泊松比；u 为孔隙水压力；t、w为土壤和水的单位重度；kx、ky指沿 x，y 方向的渗流速度.2基坑变形数值模拟只针对于基坑水平位移计算时，可以考虑忽略重力的影响，而在基坑沉降及隆起计算中，需要考虑重力的预应力作用，以及基坑卸载的过程.在非流固耦合模型中，不考虑基坑开挖过程中的降水过程，即不考虑因降水导致的固结沉降作用.2.1围护体水平位移围护体、土体测斜监测设备采用武汉深基坑研究所 CX-3 型土体测斜仪.墙体布设测斜 28 孔，编号为 CX1CX28，孔位间距 25-30 m，孔深 29-31.2 m.其中 CX1-CX6为靠近交通主干道杨树浦路方向的土体测斜仪，由西向东依次放置.图 2 所示为编号CX3 的水平位移计算值与实测值的对比.74第 2 期以地面高度为 0 m，流固耦合模型计算的最大位移值为-23.3 mm，出现在埋深为-10.4 m 处.非流固耦合模型计算的水平位移最大值为 14.9 mm，出现在埋深为-10.1 m处.最大的监测位移是-23.2 mm，出现在-11 m 的埋藏深度.流固耦合模型计算的最大位移与实际监测值比较接近，两个模型计算的最大位移点的位置也比较接近实际位置.综合来看流固耦合模型的效果更好.2.2围护结构内力分析实验证明，基于 von Mises 屈服准则模拟出的结果更接近实验值.对钻孔灌注桩的von Mises 应力进行了有限元模拟，von Mises 应力随钻孔灌注桩深度的变化如图 3 所示.从图 3 中可以看出，两者的趋势相对相同，但在同一深度下的最大应力却大不相同.这是模型约束的设置，在计算中控制了钻孔桩顶部和底部之间的水平位移.非流体-固体耦合模型的最大值在-9.9 m 处，而流体-固体耦合模型的最大值在-8.4 m 处，考虑是渗流的影响，孔隙应力在基坑开挖深度中所占比例较大.钻孔灌注桩剪切应力图如图 4 所示.可以发现考虑降水与流固耦合作用后，钻孔灌注桩桩体剪切应力大体均增大，剪切应力在-2 m、-6 m、-10 m 桩体埋深位置出现突变点，最大剪切应力 242.9 kPa，出现在-1.9 m 埋深处.突变点深度为支护结构设置深度，推断剪切应力的突变由内支撑的作用力导致，由于钻孔灌注桩的侧向位移，内支撑受压给予桩体一个相反的力.其次是该桩体在坑底深度位置上也出现了突变点，分析为基坑开挖的临空状况导致的受力不均.故桩体抗剪关键部位为坑底与桩体的交界部位及支护钢管与钻孔灌注桩的结合部位，应加强该点抗剪强度的监测与防护.2.3坑外地表沉降量分析当考虑渗流及降水作用时，地表沉降受两种因素共同影响，基坑降水开挖过程导致坑外水位下降，是造成坑外沉降的主要原因.模拟了坑外随基坑降水开挖过程的沉降量图 2 围护体水平位移计算值与实测值对比郭安宁等：流固耦合下隔水帷幕对深基坑的变形特性研究75汕头大学学报（自然科学版）第 38 卷图 4 钻孔灌注桩剪应力图图 3 钻孔灌注桩 von Mises 应力图变化情况，假定为先降水后开挖，先降水至水头高度位于基坑以下再分段开挖基坑.降水井设置在坑内，降水过程通过降水结束后水头高度进行模拟.通过理查德方程计算降水开挖过程中的渗流场，再通过孔隙压力的变化将渗流场