張 楊，令狐延，陳 凱

（中國(guó)建筑第四工程局有限公司 廣州510006）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，城鎮(zhèn)居民用地越來(lái)越緊張，超深地下室在地下空間領(lǐng)域中得到了前所未有的發(fā)展。由于受地上既有老式建（構(gòu)）筑物的影響以及地下空間綜合利用的需要，用地紅線多與地下室邊線重合或距離較近，這就意味著基坑開(kāi)挖邊線距既有建（構(gòu)）筑物越來(lái)越近[1]。

超深基坑的開(kāi)挖卸載必然會(huì)導(dǎo)致土體應(yīng)力的釋放，使得基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和周邊土體有趨向于基坑應(yīng)力釋放方向的變形。目前，國(guó)內(nèi)外有很多學(xué)者針對(duì)土體卸載應(yīng)力釋放對(duì)周邊建（構(gòu)）筑物的影響進(jìn)行了分析，但大多都未考慮地下水和土體的流固耦合相互作用關(guān)系[2]，實(shí)際上由于存在土體中的孔隙水壓力會(huì)直接對(duì)土顆粒間的平衡系統(tǒng)產(chǎn)生影響，這就使得理論模型與工程實(shí)際情況有所出入，無(wú)法準(zhǔn)確模擬水位變化和土顆粒之間耦合作用條件下，土體卸載對(duì)周邊建（構(gòu)）筑物的影響大小[3]。

在一些地下水位較高的沿海城市，如深圳、上海、珠海等地區(qū)，基坑在開(kāi)挖過(guò)程中涌砂、涌水、地層隆起等不良地質(zhì)現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，這會(huì)造成周邊建（構(gòu)）筑物沉降變形過(guò)大，甚至開(kāi)裂、坍塌。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)103 項(xiàng)基坑事故中，至少有22%是因?yàn)槲粗匾暤叵滤蛔兓苯踊蜷g接造成的[4]。本世紀(jì)60年代初期，已有學(xué)者開(kāi)始注意到應(yīng)力場(chǎng)和滲流場(chǎng)的耦合作用關(guān)系在地下空間中的應(yīng)用，如Durand 和Louis 等ARNON 大壩分析中，將水、土二者產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了耦合分析；沈珠江，張誠(chéng)厚等在定長(zhǎng)水流作用無(wú)支護(hù)基坑中也采用了有限元流固耦合分析，并取得了良好的效果。

本文主要在國(guó)內(nèi)外學(xué)者現(xiàn)階段研究成果的基礎(chǔ)上，以深圳市某實(shí)際工程案例為背景，采用大型有限元仿真模擬手段，重點(diǎn)對(duì)比分析周邊既有建（構(gòu)）筑物在考慮應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)耦合作用和不考慮二者固流耦合作用兩種情況下的位移變化大小，并與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，旨為后續(xù)其他類似項(xiàng)目提供設(shè)計(jì)依據(jù)和施工處理措施。

1 工程概況

1.1 工程介紹

本項(xiàng)目位于廣東省深圳市光明新區(qū)玉塘街道長(zhǎng)圳社區(qū)光僑路與長(zhǎng)升路交匯處，南側(cè)為嘉聯(lián)華超市及工業(yè)廠房，工業(yè)廠房磚墻外邊線與建筑紅線重疊，距支護(hù)樁外側(cè)不足2 m；東側(cè)為七號(hào)路及老式建（構(gòu)）筑物，距基坑開(kāi)挖邊線最近處約22.5 m；西側(cè)為廠房；北側(cè)為在建03 地塊（03 為后期擬建場(chǎng)地，目前正進(jìn)行基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工）。

1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)狀況

根據(jù)深圳市建設(shè)綜合勘察設(shè)計(jì)院有限公司提供的《勤誠(chéng)達(dá)光明更新改造項(xiàng)目（二、三期）勘察工程巖土工程勘察報(bào)告》，擬開(kāi)挖場(chǎng)地內(nèi)地層自上而下分為：素填土（平均厚度3.00 m）、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土（平均厚度2.40 m）、含砂粉質(zhì)黏土（平均厚度2.24 m）、礫砂（平均厚度5.11 m）、粉質(zhì)黏土（平均厚度3.70 m）、砂質(zhì)黏性土（平均厚度8.60 m）、全風(fēng)化混合巖（平均層厚8.53 m）、強(qiáng)風(fēng)化混合巖（平均層厚8.64 m）、中風(fēng)化混合巖（平均層厚2.96 m）以及微風(fēng)化混合巖（中風(fēng)化混合巖以下均為微風(fēng)化混合巖），典型鉆孔柱狀圖如圖1 所示。

本項(xiàng)目地下水較豐富，地下水類型主要為孔隙型潛水及基巖裂隙水，孔隙潛水賦存于第四系地層和全風(fēng)化混合巖中，主要儲(chǔ)水層為礫砂層，有關(guān)地下水位的分布情況分述如下。

1.2.1 孔隙潛水

①填土層主要以砂質(zhì)黏性土、石英質(zhì)顆粒和少量碎塊石等組成，局部含少量的建筑垃圾，含水量較貧乏，透水性一般，屬弱～中等透水層。

②1第四系沖洪積層的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土主要以粉土和黏土為主，含水量較豐富，透水性差，屬弱透水層；②2含砂粉質(zhì)黏土含水量較貧乏，透水性較差，屬弱透水性；②3礫砂層主要以石英粒為主，含水量較豐富，透水性強(qiáng)，屬?gòu)?qiáng)透水層。②4粉質(zhì)黏土層含水量較貧乏，透水性差，屬弱透水性。

③第四系殘積層的砂質(zhì)黏性土層主要以砂粒和黏性土為主，由于顆粒間膠結(jié)，含水量較貧乏，屬弱透水層。

④1全風(fēng)化混合巖呈堅(jiān)硬土狀，由于顆粒間膠結(jié)，含水量較貧乏，屬弱透水層。

地下水受大氣降水及鄰近含水層補(bǔ)給，動(dòng)態(tài)隨季節(jié)性變化。地下水的排放主要靠大氣蒸騰和通過(guò)山泉水外泄進(jìn)行排放。地下水的流向主要從東南往西北流向。

1.2.2 基巖裂隙水

基巖裂隙水主要分布于強(qiáng)、中風(fēng)化巖層中，受基巖裂隙發(fā)育程度和連通性的影響，強(qiáng)、中風(fēng)化粉砂質(zhì)巖呈弱～中等透水性，該層地下水具微承壓性。受上部潛水的下滲或側(cè)向徑流補(bǔ)給。

鉆探期間鉆孔測(cè)得的地下水位埋深3.80～5.80 m，相應(yīng)標(biāo)高15.39～20.69 m。地下水流向主要為由東南向西北流向。地下水位受地貌形態(tài)、雨季大氣降水、地表水系下滲影響較大，地下水變化幅度在1.0～2.0 m。

2 理論分析依據(jù)

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者在有關(guān)地下水位的計(jì)算時(shí)大多采用達(dá)西定律（又稱線性滲流規(guī)律），該理論模型認(rèn)為：土體在飽和狀態(tài)下，水力坡降和水的滲流速度之間呈線性關(guān)系，基于這一理論，在水、土壓力計(jì)算時(shí)大多將水土分開(kāi)計(jì)算或?qū)⑺畨毫Φ刃殪o止荷載與土壓力合算，但這兩種方法都是有局限性的，二者均無(wú)法考慮應(yīng)力場(chǎng)和滲流場(chǎng)之間的相互作用關(guān)系，更無(wú)法準(zhǔn)確模擬土中水的孔隙壓力消散變化規(guī)律[5]。而B(niǎo)iot從孔隙水壓力消散與土骨架變形二者相互影響的角度推導(dǎo)出了Biot 三維固結(jié)理論，該理論能夠真實(shí)反映滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)之間的耦合感化狀態(tài)，比較貼近實(shí)際，因此又稱為三維真固結(jié)理論，這也是下文分析所采用的理論基礎(chǔ)。

簡(jiǎn)化后的Biot 固結(jié)理論主要由滲流連續(xù)方程和平衡微分方程組成，其具體表達(dá)式如式⑴所示：

式中：G為剪切模量，G=E/[2（1+μ）]；μ為泊松比為位移分量；p為孔隙水壓力為等數(shù)滲透數(shù)表示拉普拉斯算子。

將上述Biot 固結(jié)方程式作有限元離散化處理，其有限元增量可表示如式⑵：

本方程即為流固耦合有限元表達(dá)式。式中：[K]為剛度矩陣；[T]為滲漏導(dǎo)水矩陣；[L]為耦合矩陣，主要體現(xiàn)流場(chǎng)變化對(duì)應(yīng)力場(chǎng)應(yīng)變的影響；△δi為位移增量；△pi為孔隙水壓力增量；△Fi為節(jié)點(diǎn)力增量值；{Qi}為點(diǎn)匯流項(xiàng)。除以上分析外，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，還需要滿足位移邊界以及滲流邊界，以確定有限元運(yùn)行計(jì)算的初始條件[6]。

3 有限元仿真模擬分析

本文以靠近既有老式建（構(gòu)）筑物一側(cè)的基坑為重點(diǎn)，主要模擬無(wú)地下水位和地下水位在地表以下3 m 時(shí)的真實(shí)狀況，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，南側(cè)靠近既有建（構(gòu)）筑物一側(cè)預(yù)留高4.6 m，寬12.6 m 的反壓土臺(tái)，反壓土臺(tái)位置采用逆作法施工，施工時(shí)先行將受土臺(tái)影響位置人工挖孔樁基礎(chǔ)完成，然后施做反壓土臺(tái)影響區(qū)域的地下室結(jié)構(gòu)頂板，達(dá)到換撐條件后再開(kāi)挖反壓土臺(tái)土體并施工其下方的地下室結(jié)構(gòu)底板，然后按順序施做原反壓土臺(tái)影響范圍內(nèi)的地下室結(jié)構(gòu)，塔樓地上結(jié)構(gòu)部分按正常流水施工，下文將采用實(shí)體網(wǎng)格準(zhǔn)確模擬反壓土臺(tái)。

建模時(shí)采用場(chǎng)地地層主要根據(jù)靠近既有建（構(gòu)）筑物的勘察鉆孔資料進(jìn)行適當(dāng)歸并而得到偏向不利地層[7]，根據(jù)場(chǎng)地地質(zhì)條件及基坑開(kāi)挖的實(shí)際情況，建立的模型總長(zhǎng)度為350 m，寬度為220 m，高度為60 m。邊界條件設(shè)定為：左右邊界dx=0，底面dz=0，前后面dy=0。地面的超載取20 kN/m2。

計(jì)算時(shí)，將對(duì)地層和周邊既有老式建（構(gòu)）筑物作位移清零處理，用K0作為模型初始計(jì)算條件，以精確模擬土體開(kāi)挖和土中水滲流相互耦合作用關(guān)系造成的位移變化[8]。

綜上，本項(xiàng)目三維有限元模型如圖1 所示。

圖1 三維有限元模型圖Fig.1 Supporting Structure of 3D View

根據(jù)以上分析，在不考慮應(yīng)力場(chǎng)和滲流場(chǎng)耦合作用情況下（僅將水在土體中的作用力等效成靜止水壓力計(jì)算），基坑周邊老式建筑物最大沉降T1為3.181 mm，其變形云圖如圖2a 所示。

若地下水位在地面以下3 m 位置時(shí)，考慮水-土應(yīng)力場(chǎng)耦合相互作用（本次建模未考慮砂土的固結(jié)沉降），基坑周邊老式建筑物最大沉降T2為4.233 mm，其變形云圖如圖2b 所示。

圖2 整體位移變化云圖Fig.2 The Total Displacement Diagram of the Model

從以上計(jì)算結(jié)果可以看出，不考慮流固耦合情況下，周邊建筑物最大沉降為T(mén)1=3.181 mm，而考慮流固耦合相互作用情況下，周邊建筑物最大沉降為T(mén)2=4.233 mm，差值T2-T1=1.052 mm，增量的絕對(duì)值為△T=33%，由此可以看出雖然沉降值變化不大，但增量變化比較顯著。

結(jié)合第三方監(jiān)測(cè)單位提供的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，該處民房實(shí)際沉降值為3.95 mm，相比較而言，更接近考慮流固耦合作用下的計(jì)算值。

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

本文通過(guò)廣東省深圳市光明新區(qū)玉塘街道長(zhǎng)圳社區(qū)實(shí)際工程項(xiàng)目為背景，采用大型有限元實(shí)體建模方法，分別進(jìn)行了考慮水土流固耦合和不考慮流固耦合作用的模擬分析，同時(shí)結(jié)合國(guó)內(nèi)外作者類似課題的研究，在上述基礎(chǔ)上可以得出如下結(jié)論：

⑴為保證基坑開(kāi)挖過(guò)程中周邊建筑物的安全，周邊建議設(shè)置觀測(cè)井，注意地下水位的變化，必要時(shí)，及時(shí)進(jìn)行回灌。

⑵雖然考慮流固耦合和不考慮流固耦合二者在計(jì)算數(shù)值上相差不大，但根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，考慮流固耦合的情況下更接近實(shí)際值，也驗(yàn)證了Biot 固結(jié)理論的準(zhǔn)確性和可行性。

⑶從計(jì)算結(jié)果可以看出，傳統(tǒng)水土分算或合算的計(jì)算值偏小，即不考慮流固耦合作用下的計(jì)算結(jié)果是偏于保守的，也是存在一定風(fēng)險(xiǎn)的，雖然目前基坑設(shè)計(jì)基本都會(huì)考慮設(shè)置止水帷幕，但這只是延長(zhǎng)了滲流路徑，基坑內(nèi)外依然存在水頭差，坑內(nèi)降水仍會(huì)使內(nèi)外產(chǎn)生滲流，且滲流方向指向土體開(kāi)挖一側(cè)，這對(duì)基坑的穩(wěn)定性十分不利[9]，會(huì)大大降低坑底被動(dòng)區(qū)抗力，尤其砂土較厚地區(qū)，有可能產(chǎn)生涌砂、涌水，給施工的順利開(kāi)展帶來(lái)一定困難。

⑷一般來(lái)說(shuō)，基坑開(kāi)挖過(guò)程中土體應(yīng)力釋放機(jī)理是很復(fù)雜的，不同施工順序和工藝對(duì)結(jié)果的影響也不盡相同，地下水位的變化幅度也會(huì)直接影響到周邊建筑的沉降，在施工時(shí)應(yīng)加強(qiáng)觀測(cè)。

⑸本項(xiàng)目在實(shí)際施工過(guò)程中靠近既有建筑物一側(cè)預(yù)先留設(shè)反壓土體，以抵消部分圍護(hù)結(jié)構(gòu)水土壓力，減少變形，待其他區(qū)域地下室主體結(jié)構(gòu)完成后再施工預(yù)留反壓土體影響范圍區(qū)域，采用逆作法較原設(shè)計(jì)采用的順做法有較大的工期優(yōu)勢(shì)，經(jīng)初步測(cè)算，節(jié)省工期約56 d，該方法在本項(xiàng)目應(yīng)用中取得了良好的效果，值得類似項(xiàng)目效仿，具有一定推廣價(jià)值。

4.2 展望

通過(guò)以上分析容易看出，基于Biod 固結(jié)理論的流固耦合關(guān)系具有一定現(xiàn)實(shí)意義，但本文在建模過(guò)程中仍有諸多問(wèn)題沒(méi)有考慮到位，還有諸多問(wèn)題值得進(jìn)一步研究，如沒(méi)有對(duì)滲流結(jié)果進(jìn)行后處理，僅提取重要結(jié)果作為分析依據(jù)，建模時(shí)未考慮砂土的固結(jié)沉降，也沒(méi)有考慮水在滲流過(guò)程中造成砂土顆粒流失的情景，同時(shí)，受限于現(xiàn)有的理論和計(jì)算模型，流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)耦合過(guò)程中還無(wú)法準(zhǔn)確模擬圍護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀態(tài)，這就使得理論模型和真實(shí)情況有所出入[10]。本文旨在拋磚引玉，希望后來(lái)學(xué)者在該課題上能夠有更多的研究，以進(jìn)一步加快真三維固結(jié)理論在設(shè)計(jì)、施工生產(chǎn)等領(lǐng)域的應(yīng)用。