开挖速率对软黏土深基坑时间效应的影响分析

 王志鹏1,2，冯怀平1，张  良3

（1．石家庄铁道大学土木工程学院，河北  石家庄050043；2．铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津300142；3．河北建设勘察研究院有限公司，河北  石家庄050043）

[摘要]基于流固耦合的基本控制方程，编制了相应的可以考虑时间效应的程序，通过某深基坑的验算，对不同开挖速率、地表沉降和桩顶位移、桩后土体超孔隙水压和有效应力、应力路径变化情况进行了分析，结果表明开挖速率大的基坑其坑侧土体应力先达到土体的抗剪强度而破坏，建议在实际工程中易采用分层开挖的方法进行施工。

[关键词]深基坑；流固耦合；时间效应；位移；应力；有限元分析

[中图分类号]TU411.2 [文章编号]1002-8498(2016)07-0062-04

 0  引言

 基坑工程是一个临时工程，有些基坑在开挖完成暴露静置的时候出现了坍塌，而不是在开挖过程中坍塌的，这一现象引起了很多学者的关注。根据现场实测表明，基坑开挖过程中，其坑侧土体应力、支护结构内力、变形和每一工况土体的参数都在随时间发生变化，我们把这些参数随着基坑的开挖时间、开挖间歇期而变化的现象称作时间效应。最早的研究者把基坑支护中支护结构的内力和变形都看作瞬时完成来处理，而土体是一种非常复杂的模型，仅仅在其开挖后把这些参数当成固定的来处理，显然与实际工程不符，直接导致了计算结果与

实际情况有较大偏差，可见认清楚基坑的时间效应对基坑的及时支护有着非常重要的意义。

 针对基坑时间效应，一些学者在总结了大量工程实践的基础上，认为土体的某些参数和基坑开挖时间存在着某种函数关系。燕喜军等采用增量分析法，以土体水平抗力系数K h随着时间的增加而减小来考虑时间效应影响引起的位移，结合苏州某地铁车站的基坑，并与实测数值进行对比分析，达到了良好的预测效果。沈健等以三维“m”法为基础建立了三维有限元模型，经研究发现土体基床系数是随着时间变化的，以此来说明时间效应，并把它应用在上海某基坑，得出了考虑时间效应的计算方法比较合理的结论。

 影响基坑时间效应有很多不确定因素，还有一些学者认为土的流变性对时间效应起主导作用。刘燕等在基坑围护结构上考虑了土体流变性，在支护结构上采用杆系有限元法，以土的流变性反映时间效应的影响，对基坑的变形进行了计算并与实际结果进行了比较，得出被动抗力系数K h取值是时间效应计算方法的关键。郭磊等把弹塑性下的流固耦合效应应用在某基坑的数值模拟上，通过与未考虑流固耦合数据结果的分析，得出了土内渗流未稳定时，基坑的支护结构受力情况和变形随时间不断变化。高文华等利用Mindlin厚板理论为基础的三维有限元分析模型，以基坑的三维结构性和地基的流变性反映时间效应，对上海香港广场深基坑围护结构的变形进行了分析，并与现场监测结果进行了对比。

 随着时间效应研究的不断深入，越来越多的人把土体当成一种黏弹塑性模型来考虑，并用有限元方法来计算这种模型。傅艳华等以软土流变黏弹塑性模型（SSC模型）为基础，利用Plaxis有限元软件，建立了以土的流变反映时间效应的有限元模型，对基坑的变形进行了预测，并与实际监测数据进行了对比，证明了其模型的可行性。徐浩峰等采用MERCHANT模型，编制了相应的有限元分析程序，分析了纯固结作用和流变与固结耦合作用的情况下对基坑性状影响的规律。也有学者从开挖方式着手来研究时间效应。李刚等结合中原万达广场塔式起重机基坑，用数值模拟不同开挖方式对周围环境的影响，得出了该基坑采用4层开挖较为经济、安全。付立彬等用MIDAS对某地铁车站深基坑进行了分层和阶梯开挖方式的建模，通过与监测数据对比表明阶梯开挖变形与实际较为接近。

 综上，以往的学者大都是找到随时间变化的参数来研究时间效应的，而从开挖速率影响孔隙水压、有效应力和应力路径方面来研究基坑时间效应的甚少，本文将从这一方面着手，针对基坑的不同开挖速率进行分析，进而研究开挖过程中基坑时间效应的影响。

1  有限元基本方程

流固耦合理论的基本控制方程：

2算例分析

 计算算例取自邯郸金世纪新城基坑工程，基坑计算宽度和深度均为30m，无放坡，桩长20m，桩径1m，围护结构采用地下连续墙，埋桩深度H1=20m，桩下计算深度H2= 10m，坡角为300，混凝土弹性模量为30GPa。土层各项参数如表1所示，切变模量为200kPa，超孔隙水压为0。

3算例分析

3.1  开挖速率的影响

 在算例中采用了简单的基坑形式主要进行定性分析，在计算中分别对比了一次性开挖5m、分2m和3m 2次开挖、分5次开挖每次1m这3种开挖方式，这3种情况下起始开挖时刻均为1d，有限元单元格划分如图1所示，图中加粗的黑线为桩，桩顶位移变化如图2所示。

 图2中的3条曲线分别为3种不同工况下桩顶位移随时间的变化情况。在图中可以明显地看到当一次性开挖5m时桩顶位移的变化是比较大的，而分5次开挖桩顶位移变化较小。无论采用哪种开挖方式曲线上都会有一段骤然上升的部分，这部分位移的变化是刚开挖导致的，开挖完成后曲线又基本呈水平走向，这是因为基坑静置暴露，其周边土体慢慢固结造成的。由以上分析可知，采用速率较小的开挖方式即分层开挖且在每层开挖后使基坑静置一段时间引起基坑的桩顶位移较小。

 地表沉降变化曲线如图3所示，反映的是分5次开挖基坑周边不同位置沉降随时间变化的关系曲线，从整体上来看，在基坑开挖的影响范围内，地表都表现出下沉，但是不同位置下沉量不一样。随着时间的推移，由于基坑边缘的土体会产生侧压力，致使边缘土体向基坑内移动，这必然会使得处在基坑边缘后方的土体向基坑方向移动，填补已发生变形土体所产生的空隙，这就是同一时间段沉降最大的地方不是在基坑的边缘处而是在距基坑一定位置的地方。每次开挖完成后都要把基坑静置一段时间，这段时间其周边土体的孔隙水压力会逐渐消散，土体固结，这也是基坑周边地表沉降的一个原因，所以在地表沉降过程中一定要做好相关监测，实时反馈，以指导基坑的顺利开挖。

3.2孔隙水压力和有效应力分析

 在基坑开挖过程中及时了解孔隙水压力沿深度的变化情况对基坑支护有着非常重要的意义。孔隙水压力沿桩长分布曲线如图4所示。

 从图4中可以看出，当基坑开挖完成时，在桩体后侧的孔隙水压力大体上为负值，但在开挖完成的第1天桩底为正的孔隙水压力，而负孔隙水压力的最小值出现在桩体中间的某个部位，具体出现在哪个位置和基坑的排水情况有关，具体来讲，基坑的上方排水，当桩体后面出现负孔隙水压，水沿高度流下来，在水经过的地方负孔隙水压就会慢慢消散，所以负孔隙水压的最大值出现在桩顶以下的某个部位。随着时间的推移，桩后整体的负孔隙水压力大体走向都是慢慢消散，最后趋于0。

 在开挖过程中土体的有效应力不断发生变化，下面对桩体顶部后侧土体有效应力的变化做了简单分析，一次开挖5m时土体有效应力的变化情况如图5所示。

 从图5中可以看出，有效应力在不断变小，而且变小的速率在不断减小，最后趋于稳定，这是因为原先的土体中有负孔隙水压力存在，开挖完成后，负孔隙水压力慢慢趋近于0，有效应力变小，最后趋于稳定，此时总应力就为有效应力。

3.3应力路径分析

 图6对比了单元格划分当中的最上面一层桩后土体的应力路径变化情况。由图中可以看出3种开挖方式应力路径的变化和趋势大体上是一致的，都是从右向左、由下向上发展，并且这3种开挖方式的最终结果趋近一致。起初，应力路径向左发展即平均主应力p变小是由于基坑开挖卸荷引起的，这和三轴试验当中围压减小引起的平均主应力p变小的情况类似。另外，在这个过程中有效应力变小也是引起平均主应力p变小的一个重要原因。曲线之所以上升是因为上述的原因使得广义剪应力q变大，这根据广义剪应力q的定义很容易理解。图中部分近似水平走向的曲线是由于开挖完成后基坑静置土体应力没有发生较大改变引起的，对比3条曲线可以看出，当开挖速率较大时，即一次性开挖5m的工况，其剪应力增长比较快且最大值大于其余2条曲线，这对基坑是非常不利的，其值很有可能达到土体的破坏值，相比之下，一次开挖1m的工况比较安全，建议在实际施工时易采用开挖速率小且开挖完成后将基坑静置一段时间的开挖方法。

4结语

 本文基于Biot固结理论推导了流固耦合理论的基本控制方程，最后对某基坑在不同分层开挖方式的情况下进行了计算，得到的结论如下。

 1)开挖速率对桩体顶部水平位移有较大的影响，速率大的桩顶位移变化交大，反之则小，为了安全起见，应采用开挖速率小的方式进行基坑开挖。

 2)在算例中考虑了基坑的时间效应，得出了即使基坑支护完成也要对基坑继续进行监测，因为基坑墙体位移、支撑轴力等都是随着时间继续变化的。

 3)根据应力路径变化可知当开挖速率较大即一次性开挖5m时，土体的应力骤然上升，会快速到达破坏包线，这对实际工程非常不利的，建议采用分层开挖的方法，并且待土体固结以后再进行下一层开挖。