基于GHS模型和瞬态渗流-固结完全耦合的基坑开挖分析.pdf

第41卷第8 期2023年8 月文章编号：10 0 9-7 7 6 7（2 0 2 3)0 8-0 2 2 7-0 8市放技术Journal of Municipal TechnologyVol.41,No.8Aug.2023D0I:10.19922/j.1009-7767.2023.08.227基于GHS模型和瞬态渗流-固结完全耦合的基坑开挖分析乔海冰(中铁一局集团厦门建设工程有限公司，福建厦门36 10 0 0)摘要：以福建省厦门市滨海东大道改造工程交叉上跨厦门地铁3号线区间隧道段基坑项目为例，采用Plaxis软件建立了基坑有限元模型并确定了土体参数，对比分析了瞬态渗流-固结完全耦合与稳态渗流-固结半耦合分析方法计算得到的基坑降水和沉降差异，以及HSS模型和稳态渗流-固结半耦合与GHS模型和瞬态渗流-固结完全耦合分析方法计算得到的基坑坑底竖向位移差异。分析结果表明：采用瞬态渗流-固结完全耦合分析方法计算得到的基坑水位变化值更接近实测值；采用GHS模型和瞬态渗流-固结完全耦合分析方法计算得到的基坑坑底竖向变形和下卧地铁隧道右线管片结构竖向位移更接近实测值；因此基于GHS模型和瞬态渗流-固结完全耦合的基坑开挖分析方法计算精度更高。关键词：基坑工程；GHS模型；HSS模型；瞬态渗流；稳态渗流；固结；完全耦合；数值分析Qiao Haibing中图分类号：TU43Analysis of Foundation Pit Excavation Based on GHS Model andComplete Coupling of Transient Seepage and Consolidation(China Railway First Bureau Group Xiamen Construction Engineering Co.,Ltd.,Xiamen 361000,China)Abstract:Taking the foundation pit of Binhai East Avenue Reconstruction Project in Xiamen City,Fujian Province,as an example,the finite element model of the foundation pit was established by Plaxis software and the soilparameters were determined.The foundation pit dewatering and settlement difference were compared and analyzedby transient seepage-consolidation complete coupled analysis method and steady seepage-consolidation semicoupled analysis method,and the vertical displacement difference at the bottom of the foundation pit calculated bythe HSS model and steady seepage-consolidation semi coupled analysis method,GHS model and transient seepage-consolidation complete coupled analysis method.The analysis results indicate that the water level changing value offoundation pit by the transient seepage-consolidation complete coupled analysis method are more closer to themeasured values;The vertical deformation of the foundation pit bottom and the vertical displacement of the right linesegment structure of the underground subway tunnel calculated by the GHS model and transient seepage-consolidationcomplete coupled analysis method are more closer to the measured values;Therefore,the foundation pits excavationanalysis of the GHS model and transient seepage-consolidation complete coupled analysis method is more accurate.Key words:foundation pit engineering;GHS model;HSS model;transient seepage;steady seepage;consolidation;complete coupling;numerical analysis收稿日期：2 0 2 3-0 2-2 7基金项目：福建省自然科学基金计划项目（2 0 2 2 J011252）作者简介：乔海冰，男，工程师，学士，主要从事市政土建工程施工技术方面的工作。引文格式：乔海冰.基于GHS模型和瞬态渗流-固结完全耦合的基坑开挖分析.市政技术，2 0 2 3，41(8)：2 2 7-2 34.（QIAOHB.Analysisoffoundation pit excavation based on GHS model and complete coupling of transient seepage and consolidation JJ.Journal of municipal tech-nology,2023,41(8):227-234.)文献标志码：A228在城市环境下，基坑工程极易对周边土体产生扰动,进而引起邻近建(构)筑物的变形1-2;在高地下水位环境下，基坑的降水也可能引起地表的固结沉降3-41。因此,精确预测基坑降水以及基坑开挖对邻近环境的影响，并提前采取控制措施，是基坑工程的重要课题之一。数值分析是基坑工程变形预测的重要方法，土体本构模型的选择是决定分析结果可靠性的重要因素。部分学者对摩尔-库伦模型、剑桥模型、邓肯-张模型等进行了修正，修正模型在工程分析中得到了广泛应用5-7。但上述经典模型对土体的不同应力路径和应力状态下的刚度考虑不够全面,其结果往往与实际变形值差异较大。因此,有学者提出了土体硬化模型（HS模型）和土体小应变硬化模型(HSS模型)用于工程数值分析。杨兰强等8 采用Journal of Municipal Technology第41卷1工程概况福建省厦门市滨海东大道（翔安南路一翔安隧道段）改造工程路线长度约为2.9 0 4km，其中隧道总长度为2 0 40 m,U形槽长度为49 0 m，闭合框架长度为1550 m。该工程交叉上跨厦门地铁3号线刘五店站一东界站区间隧道，具体平面布置如图1所示,放坡段基坑横断面如图2 所示。N东界站方向HS模型分析了浙江省宁波市某软土工程；黄鑫等9分析了HS模型在基坑工程数值模拟中的适用性。近年来,HSS 模型应用逐渐增多10-12,并对其参数的取值进行了研究,积累了地区应用经验13-15。对于基坑降水的模拟分析，可以采用瞬态渗流16-18 或稳态渗流方法19-2 0 在基坑工程应用中,采用HSS模型计算得出的基坑坑外沉降和挡墙变形结果与实测值较吻合，坑底隆起比实测值大，挡墙最大水平位移比实测值小。由于基坑坑底以下土的刚度取值低于工程实际值，因此Plaxis软件增加了广义土体硬化模型（GHS模型），为土体刚度的应力相关性提供了更多可选择公式,以考虑前期固结应力的作用。在基坑开挖过程中，周边地层水压力随着时间发生变化，地层水压力下降导致地层压缩固结从而引起沉降。基坑开挖是短期行为，在渗透性较低的地层中，采用稳态渗流计算获得的地层水压力降幅大于实际降幅，进而获得的地层固结沉降值大于实际值。Plaxis软件提供的渗流-固结完全耦合计算方法，可准确分析由于水力边界条件随时间变化而导致的饱和土或非饱和土的孔压和变形发展规律。为充分验证采用GHS模型和瞬态渗流-固结完全耦合分析方法对基坑开挖计算精度的提升效果，笔者结合福建省厦门市滨海东大道改造工程交叉上跨厦门地铁3号线区间隧道段基坑项目，采用Plaxis软件建立有限元仿真模型，对比分析HSS模型和稳态渗流-固结半耦合方案以及GHS模型和瞬态渗流-固结完全耦合方案对基坑降水固结和基坑开挖变形的影响，相关结论可为类似工程提供参考。分界里程K1+560图1工程上跨地铁隧道区间平面布置图Fig.1 Layout plan of the section overpass the subway tunnel inthe project2有限元模型2.1模型建立根据图2 中地层分布和支护情况建立工程地质模型，如图3所示。工程上跨地铁隧道区间结构几何模型如图4所示。有限元实体模型网格划分采用10 节点高阶四面体单元，在放坡开挖基坑坑底区域和既有隧道结构附近区域加密网格，共划分为1137 44个实体单元，185158个节点。模型底部设置为完全位移约束，顶部边界自由，其他边界设置为法向位移约束。有限元模型整体网格划分如图5所示。2.2土体参数确定由于中风化花岗岩的力学行为接近理想弹塑性，因此其采用摩尔-库伦(M-C)模型模拟;其他土层采用HSS模型模拟。根据勘察报告,并参考施有志等15的成果综合确定岩土体物理力学参数，具体见表1。结构单元材料参数见表2。第8 期乔海冰：基于GHS模型和瞬态渗流-固结完全耦合的基坑开挖分析22950SK5513.6070(12.90)粉质新2.60(11.00)0001残积砂质黏性土500锚杆 150,L=90010cm厚喷射C20混凝土08200200锚杆 1 5 0L+30g2002503020设计标高2.0%+中风化花岗岩?+18.60(-5.00)3碎裂状强风化花岗岩坡底排水沟50 500483.5mm钢花管注浆 1.2 m59t（42.5R，水灰比0.45，掺人5%水泥）注：标高单位为m。图2 放坡段基坑横断面图（cm）Fig.2 Cross section of foundation pit at grading section素填土粉质黏土残积砂质黏性土散体状强风化花岗岩地铁3号线中风化花岗岩图3工程地质模型element model图5有限元模型整体网格划分示意图Fig.3 The geological model of the engineeringFig.5 Schematic diagram of overall mesh division of finite二级边坡与护坡3基坑降水固结分析地铁3号线隧道结构与接触单元图4工程上跨地铁隧道区间结构几何模型Fig.4 Geometric modeling of the section structure of the projectoverpass the subway tunnel3.1模拟方案不考虑开挖过程，仅设置基坑坑底水头边界深度为10 m,左侧边界为对称封闭渗流边界,右侧边围护段围护墙界为补给边界（如图6 所示）。首先采用水平应力系数ko直接生成初始地应力，再激活坑底渗流边界条件。笔者采用瞬态渗流-固结完全耦合和稳态渗流-固结半耦合分析方法对比基坑降水和沉降差异，其中瞬态渗流时间为45d。市放技术230Journal of Municipal Technology表1岩土体物理力学参数Tab.1 Physical and mechanical parameters of rock and soil mass三轴固结排三轴固结排三轴固结排水卸本构重度/水剪切试验水剪切试验载-再加载试验土层模型（kN/m）的参考割线的参考切线的参考卸载再加模量/(kN/m）林模量/(kN/m）载模量/(kN/m)素填土HSS18.0粉质黏土HSS18.4残积砂质黏性土HSS18.5散体状强风化花岗岩HSS21.0碎裂状强风化花岗岩HSS22.0中风化花岗岩M-C24.0结构单位地铁3号线隧道板单元复合土钉墙板桩墙嵌人桩单元土钉第41卷应力初始剪黏聚力/摩擦角/小应变相关切模量/kPa（）指数500050006.00060007000700030000300005000050000表2 结构单元材料参数Tab.2 Material parameters of the structural units附加重度/(kN/m)7777渗透杨氏泊松系数/模量/参数比(kN/m)(m/d)(kN/m)250000.5300000.5350000.5900000.5150.0000.5杨氏模量/(kN/m)泊松比等效厚度/m侧摩极限值/(kN/m）3x1070.1531060.2031070.153107152515285080250.000 1080.0000.200.100250.0002976 6700.200.003320.000 28755400.200.050380.000 102400000.200.050400.000 10300 0000.201.000420.240.2205x10%直径/m0.350.100.62400.2mlY补给边界X水头埋深为10 m封闭渗流边界图6 仅分析降水作用的基坑数值模型Fig.6 Numerical model of foundation pit only analyzingprecipitation effect3.2模拟结果分析3.2.1水位变化分析地层水头等值线如图7 所示，其中浅表2 层土体被隐藏。mY地下水水头（放大0.2 0 0 倍）最大值=11.0 0 m（单元6 6 49在节点316 8 9）最小值=4.197 m（单元6 2 0 5在节点11347）a)稳态渗流-固结半耦合地下水水头（放大0.2 0 0 倍）（时间45.0 0 d）最大值=11.0 0 m（单元6 6 49在节点316 8 9)最小值=4.197 m（单元4349在节点11351）b)瞬态渗流-固结完全耦合YXc）瞬态渗流-固结完全耦合（渗透系数降低）图7 地层水头等值线图Fig.7 Contour line of formation water head从图7 可以看出，采用稳态渗流-固结半耦合分析方法，散体状强风化花岗岩中的水头变化梯度较大；采用瞬态渗流-固结完全耦合分析方法，越靠近ml地下水水头（放大0.2 0 0 倍）（时间45.0 0 d）最大值=11.0 0 m（单元6 6 49在节点316 8 9）最小值=4.193m（单元5147 在节点1111)第8 期基坑水头降低等值区域越小；将所有地层渗透系数降低一个数量级，采用瞬态渗流-固结完全耦合分析方法，水头降低等值区域又进一步减小。降水井监测点布置如图8 所示，降水井监测点DSW-1和DSW-2水位变化如图9所示。从图9可以看出，采用瞬态渗流-固结完全耦合分析方法计算的水位变化值比采用稳态渗流-固结半耦合分析方法计算的水位变化值更接近实测结果。3.2.2地层沉降分析地层沉降云图如图10 所示。从图10 可以看出，稳态渗流-固结半耦合、瞬态渗流-固结完全耦合和降低一个数量级的瞬态渗流-固结完全耦合3种分析方法最终沉降最小值分别为2.334、2.112、1.944mm，采用稳态渗流-固结半耦合分析方法计算的地层沉降误差达10.4%。日期03-0103-2104-1004-3005-2006-0906-2907-1908-0808-28500.0300.0100.0-100.0-300.0-500.0/-700.0-900.0-1100.0-1 300.0-1500.0-1.700.0-1900.0-2 100.0-2.300.0-2.500.04基坑开挖分析4.1模拟方案为研究 GHS模型和HSS模型模拟基坑开挖中坑底变形结果的差异，笔者采用HSS模型和稳态渗流-固结半耦合进行数值模拟(方案1)以及采用GHS模型乔海冰：基于GHS模型和瞬态渗流-固结完全耦合的基坑开挖分析东界路滨海东大道DSW-Fig.8 Layout of observation points of the dewatering wells图9降水井监测点水位变化图Fig.9 Water level variation of monitoring points of the dewatering wells和瞬态渗流-固结完全耦合进行数值模拟（方案2)，对比2 种方案的基坑坑底竖向位移计算结果差异。4.2模拟结果分析4.2.1基坑坑底竖向变形分析基坑坑底竖向变形云图如图11所示。从图11可以看出，采用方案2 计算的基坑坑底231DSW-2图例：DSW-*降水井监测点图8 降水井监测点布置图-DSW-1-DSW-2一稳态渗流-固结半耦合计算值瞬态渗流-固结完全耦合计算值232Y竖向变形比方案1小。4.2.2基坑坑底下卧隧道拱顶变形分析基坑坑底下卧隧道拱顶竖向位移曲线如图12所示。从图12 可以看出，随着基坑的开挖，基坑坑底下卧隧道拱顶隆起值逐渐增大，方案1、2 最大隆起值分别为2.8、1.7 mm。基坑坑底下卧地铁隧道管片结构竖向位移监测点布置如图13所示，选择隧道右线4个监测点绘制管片结构竖向位移与实测值对比曲线如图14所示。Journal of Municipal Technologyx10-3m)0.00-0.40-0.80-1.20-1.60-2.00-2.40总位移u，（放大50 0 倍）最大值=3.7 16 10-6 m（单元7 16 0 在节点2 8 591)最小值=-2.33410-3m（单元18 36 在节点92 55)a)稳态渗流-固结半耦合YFig.10 Cloud chart of the stratum settlementX总位移u，（放大2 0 0 倍）（时间45.0 0 d）最大值=6.17 0 x10-3m（单元46 58 在节点8 95)最小值=-1.6 0 0 10-3m（单元13在节点46 591）第41卷x10-3m0.200.000.20-0.40-0.60-0.80-1.00-1.20-1.40Y-1.60-1.80X-2.00-2.20总位移u（放大50 0 倍）（时间45.0 0 d）最大值=2.6 4910-6 m（单元7 159在节点2 7 0 0 3)最小值=-2.112 10-3m（单元18 36 在节点92 55）b)瞬态渗流-固结完全耦合x10-3 m0.00-0.20-0.400.600.80-1.00-1.20-1.401.60X-1.80-2.00总位移u（放大1.0 0 10 3倍）（时间45.0 0 d）最大值=2.46 8 x10-6m（单元7 159在节点2 7 0 0 3）最小值=-1.94410-3m（单元18 36 在节点92 55）c)瞬态渗流-固结完全耦合(渗透系数降低）图10 地层沉降云图x10-3m6.005.204.403.602.802.001.200.40-0.40-1.20-2.00a）方案1图11基坑坑底竖向变形云图Fig.11 Cloud chart of vertical deformation at the bottom of foundation pit3.02.52.01.51.00.50.0-0.5051015202530354045时间/d图12基坑坑底下卧隧道拱顶竖向位移曲线图Fig.12 Vertical displacement curves of the arch of the underlyingtunnel at the bottom of the foundation pitx10-3m3.753.252.752.251.751.250.750.25Y-0.25-0.75X-1.25总位移u（放大50 0 倍）（时间45.0 0 d）最大值=3.6 2 9x10-3m（单元518 4在节点1112）最小值=-1.0 5310-3m（单元9在节点48 118）b)方案2方案1方案2第8 期滨海东大道DSW-1图13基坑坑底下卧地铁隧道管片结构竖向位移监测点Fig.13 Vertical displacement monitoring points of the underlyingsubway tunnel segment structure at the bottom of the foundation pit从图14可以看出，采用GHS模型和瞬态渗流-固结完全耦合分析方法计算得到的管片结构竖向03-0103-0603-1103-1603-21 03-26 03-3104-0504-1004-1504-2004-2504-302.0SGC-Y01-SGC-Y101.5-SGC-Y15o-SGC-Y201.0+方案1+一方案20.50.0-0.5-1.0-1.5-2.0 LFig.14 Comparison of vertical displacement and measured values of the right line segment structure of the underlying subway tunnel atdeep foundation excavations on neighboring buildings J.Jour-参考文献nal of disaster prevention and mitigation engineering,2018,381方施有志，柴建峰，赵花丽，等.地铁深基坑开挖对邻近建筑物影响分析J.防灾减灾工程学报，2 0 18,38（6)：92 7-935.（SHIY Z,CHAI J F,ZHAO H L,et al.Study on the impact of metro乔海冰：基于CHS模型和瞬态渗流-固结完全耦合的基坑开挖分析东界路图例：DSW-2DSW_*降水井监测点SGC-*地铁隧道管片结构竖向位移监测点布置图图14基坑坑底下卧地铁隧道右线管片结构竖向位移与实测值对比图the bottom of the foundation pit233位移更接近实测值。5结论1)在基坑开挖工程中，由于实际开挖具有时空效应，不符合平面应变条件，因此采用瞬态渗流-固结完全耦合分析方法计算得到的水位变化值比采用稳态渗流-固结半耦合分析方法计算得到的水位变化值更接近实测值。2)基坑坑底竖向变形由卸载隆起和固结沉降共同决定,其中卸载隆起为主导因素,固结沉降为次要因素，最终在基坑开挖过程中坑底表现为显著隆起。3)采用GHS模型和瞬态渗流-固结完全耦合分析方法计算得到的基坑坑底竖向变形和下卧地铁隧道右线管片结构竖向位移比采用HSS模型和稳态渗流-固结半耦合分析方法计算得到的数值更接近实测值。这是由于基坑坑底GHS模型应力相关刚度的计算应力水平比HSS模型的更高,GHS模型的剪切刚度也显著大于HSS模型。日期(6):927-935.)2 施有志，李秀芳，林树枝.城市中心地带地铁深基坑开挖对周边环境影响实测分析J.防灾减灾工程学报，2 0 17,37(6)：90 0-MET市放技术234Journal of Municipal Technology909.(SHI Y Z,LI X F,LIN S Z.Monitoring analysis of effects ofsubway deep excavation on surroundings in city heartland J.Journal of disaster prevention and mitigation engineering,2017,37(6):900-909.)3李晓生.富水深厚砂卵石地层深基坑降水引起的地层沉降预测J.河南科技大学学报（自然科学版）,2 0 2 3,44（1)：7 7-8 3.(LI X S.Prediction of stratum deformation caused by deep foun-dation pit dewatering in water-rich and deep sandy pebble stratumJ.Journal of Henan University of Science and Technology(nat-ural science 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