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【摘要】深基坑开挖降水过程中，坑内外压力差可能引起严重的工程事故。本文通过采用渗流应力耦合理论及摩尔库伦模型，结合某桩锚复合支护深基坑工程实例建立三维有限元模型分析了该深基坑工程的变形情况，并与不考虑耦合的基坑变形情况进行对比，主要包括基坑地表沉降、坑底回弹、侧向位移等。结果表明：在两种不同的有限元模拟条件下基坑变形形态基本一致；考虑地下水流固耦合分析对基坑变形的影响不容忽视，对实际工程的设计优化有一定的参考意义。
【关键词】桩锚复合支护；渗流；流固耦合；变形
1、引言
桩锚支护体系是将受拉杆件的一端固定在开挖基坑的稳定地层中，另一端与围护桩相联的基坑支护体系，它是在岩石锚杆理论研究比较成熟的基础上发展起来的一种挡土结构，安全经济的特点使它广泛应用于边坡和深基坑支护工程中[1]。目前工程中往往采取基坑降水的方法，来控制地下水影响。单纯的应用土压力原理进行水土合算或水土分算来分析，忽略了土体中水的流动性[2]，往往不考虑孔隙水渗流场与应力场相互作用的影响，为深基坑的稳定带来很多安全隐患。要准确考虑基坑降水引起的渗流与应力的变化，必须进行流固耦合分析。
2、流固耦合计算原理
本文的流固耦合现象为基坑降水开挖过程中应力场与渗流场的相互作用。基坑土体开挖简化为卸荷条件下卸除侧向约束，同时存在地下水渗流固结的变形过程，土体中地下水渗流与固结变形都对基坑围护墙上土压力产生影响，利用岩土工程有限元软件建立分析模型，设立特定水力边界条件，通过数值方法模拟“流固耦合”效应来考虑基坑开挖的变形。
3、工程概况
大连某深基坑工程，基坑深10m，长40m，宽20m，地下水位位于地表-3m左右。工程场区土层自上而下大致分为回填土、风化土、风化岩，土体参数及选用的材料模型见表1。由于地下水较丰富，围护墙采用高15m，直径为1m，净间距为1m的C30混凝土钻孔灌注桩和1m宽的止水帷幕。共设2 道锚杆，分别设置在桩顶以下3m和7m处，长度自上而下依次为14.5m、10.0m，倾角分别为33.7°、45°。基坑采取边降水开挖边支护的分步施工方案，第一步开挖3m，设置第一排锚杆；第二步开挖4m，设置第二排锚杆；第三步开挖3m。第一步至第三步每步开挖之前，均考虑将地下水降到开挖面以下1m。
4、计算模型
为了将流固耦合的结果与不考虑耦合的情况进行对比，本文建立两个模型，一个是基于总应力法不考虑耦合的降水开挖模型，另一个是考虑流固耦合作用的降水开挖模型。
本工程实例有下面几个基本假定：
（1）假设含水层是水平的，并且水流服从达西定律[10]。
（2）假定降水一定时间后基坑中心处水位达到要求深度并处于暂时稳定状态。
（3）忽略降水时非饱和土对渗透效果的影响，模型渗透系数均采用土层饱和状态下的渗透系数。
开挖前打桩引起的土体原位应力状态的改变不予考虑，土体的初始应力假定为静止土压力[11]。
5、计算结果分析
本文中流固耦合工况通过考虑开挖基坑的降水变形实现了渗流场和应力場的耦合模拟，包括1个打桩阶段、3个降水阶段、3个降水变形阶段、3个开挖阶段共10个主要施工阶段；而不考虑流固耦合工况则通过降水后直接开挖实现，包括1个打桩阶段、3个降水阶段、3个开挖阶段共7个主要施工阶段。
5.1 基坑水平位移
在各开挖阶段，考虑流固耦合作用的基坑壁变形要比不考虑流固耦合作用小，在开挖最终结束时，最大位移减小了5mm。完全流固耦合的渗流方式考虑了基坑内外侧水压，模拟了降水变形施工阶段，表现出孔隙水压力逐渐消散，基坑壁水平位移回弹这一过程，符合实际情况。
5.2 基坑地表沉降
考虑流固耦合时基坑周围的地表沉降规律跟不考虑流固耦合时基本一致，都在距离坑壁一定距离处出现最大沉降位移，对于本文的基坑实例，考虑流固耦合时最大沉降位移为12mm，略小于不耦合开挖方式的13mm。每次降水后，基坑的地表沉降位移在坑壁一定距离处会有大幅度的增加，在距坑壁较远处会有一定的回弹，而受开挖影响的地表竖向位移反而较小，考虑流固耦合情况的基坑开挖详细的表现了基坑地表沉降变形的主要原因，值得深究。
5.3 基坑坑底隆起
随着开挖深度的增加，两种情况的坑底隆起量增加，考虑完全流固耦合时的回弹隆起位移要小于不考虑完全耦合作用的隆起位移，至开挖结束时，最大隆起位移相差3mm左右。两种情况下坑底土体隆起量在距坑壁较近的范围内呈近似曲线增大，且曲率较大；在距坑壁较远处，土体隆起量虽继续增加，但增速较缓慢。
结语：
（1）在基坑各步开挖的施工过程中，基坑侧壁的最大位移均在基坑的开挖面附近；基坑地表最大沉降位移在距离坑壁一定距离处；坑底土体隆起量在距坑壁较近的范围内呈近似曲线增大，且曲率较大；在距坑壁较远处，土体隆起量虽继续增加，但增速较缓慢。由本文考虑的两种情况可知，完全流固耦合的基坑开挖方式减小了上述三种变形位移量，但程度较小，影响较小。
（2）锚杆在自由段轴力均匀分布，为锚固段轴力最大值，锚固段轴力在刚进入锚固段时锚杆轴力减幅较大，在锚固段的近端则是缓慢减小，在锚固段的末端则减小为零。对比本文两种模拟情况可知，考虑完全流固耦合情况下各排锚杆轴力与不完全流固耦合情况下差别很大，锚杆轴力较小，在同等情况下，最大减小了120kN，说明考虑完全流固耦合情况下，可以进一步优化锚杆的设计。
（3）通过耦合和不耦合两种情况对比知，流固耦合情况下基坑降水开挖能更清晰的表现基坑变形性状，值得进一步的探讨。
参考文献：
[1]徐勇，杨挺，王心联.桩锚支护体系在大型深基坑工程中的应用[J].地下工间与工程学报，2006，2（4）：646-649.
[2]张小伟，姚笑青.基坑工程变形的渗流应力耦合分析[J].地下工间与工程学报，2012，8（2）：339-344.
[3]朱彦鹏，任永忠，周勇.基于渗流场-应力场耦合作用下的深基坑降水支护结构的位移研究[J].工程勘察，2012，（7）：32-36.
【关键词】桩锚复合支护；渗流；流固耦合；变形
1、引言
桩锚支护体系是将受拉杆件的一端固定在开挖基坑的稳定地层中，另一端与围护桩相联的基坑支护体系，它是在岩石锚杆理论研究比较成熟的基础上发展起来的一种挡土结构，安全经济的特点使它广泛应用于边坡和深基坑支护工程中[1]。目前工程中往往采取基坑降水的方法，来控制地下水影响。单纯的应用土压力原理进行水土合算或水土分算来分析，忽略了土体中水的流动性[2]，往往不考虑孔隙水渗流场与应力场相互作用的影响，为深基坑的稳定带来很多安全隐患。要准确考虑基坑降水引起的渗流与应力的变化，必须进行流固耦合分析。
2、流固耦合计算原理
本文的流固耦合现象为基坑降水开挖过程中应力场与渗流场的相互作用。基坑土体开挖简化为卸荷条件下卸除侧向约束，同时存在地下水渗流固结的变形过程，土体中地下水渗流与固结变形都对基坑围护墙上土压力产生影响，利用岩土工程有限元软件建立分析模型，设立特定水力边界条件，通过数值方法模拟“流固耦合”效应来考虑基坑开挖的变形。
3、工程概况
大连某深基坑工程，基坑深10m，长40m，宽20m，地下水位位于地表-3m左右。工程场区土层自上而下大致分为回填土、风化土、风化岩，土体参数及选用的材料模型见表1。由于地下水较丰富，围护墙采用高15m，直径为1m，净间距为1m的C30混凝土钻孔灌注桩和1m宽的止水帷幕。共设2 道锚杆，分别设置在桩顶以下3m和7m处，长度自上而下依次为14.5m、10.0m，倾角分别为33.7°、45°。基坑采取边降水开挖边支护的分步施工方案，第一步开挖3m，设置第一排锚杆；第二步开挖4m，设置第二排锚杆；第三步开挖3m。第一步至第三步每步开挖之前，均考虑将地下水降到开挖面以下1m。
4、计算模型
为了将流固耦合的结果与不考虑耦合的情况进行对比，本文建立两个模型，一个是基于总应力法不考虑耦合的降水开挖模型，另一个是考虑流固耦合作用的降水开挖模型。
本工程实例有下面几个基本假定：
（1）假设含水层是水平的，并且水流服从达西定律[10]。
（2）假定降水一定时间后基坑中心处水位达到要求深度并处于暂时稳定状态。
（3）忽略降水时非饱和土对渗透效果的影响，模型渗透系数均采用土层饱和状态下的渗透系数。
开挖前打桩引起的土体原位应力状态的改变不予考虑，土体的初始应力假定为静止土压力[11]。
5、计算结果分析
本文中流固耦合工况通过考虑开挖基坑的降水变形实现了渗流场和应力場的耦合模拟，包括1个打桩阶段、3个降水阶段、3个降水变形阶段、3个开挖阶段共10个主要施工阶段；而不考虑流固耦合工况则通过降水后直接开挖实现，包括1个打桩阶段、3个降水阶段、3个开挖阶段共7个主要施工阶段。
5.1 基坑水平位移
在各开挖阶段，考虑流固耦合作用的基坑壁变形要比不考虑流固耦合作用小，在开挖最终结束时，最大位移减小了5mm。完全流固耦合的渗流方式考虑了基坑内外侧水压，模拟了降水变形施工阶段，表现出孔隙水压力逐渐消散，基坑壁水平位移回弹这一过程，符合实际情况。
5.2 基坑地表沉降
考虑流固耦合时基坑周围的地表沉降规律跟不考虑流固耦合时基本一致，都在距离坑壁一定距离处出现最大沉降位移，对于本文的基坑实例，考虑流固耦合时最大沉降位移为12mm，略小于不耦合开挖方式的13mm。每次降水后，基坑的地表沉降位移在坑壁一定距离处会有大幅度的增加，在距坑壁较远处会有一定的回弹，而受开挖影响的地表竖向位移反而较小，考虑流固耦合情况的基坑开挖详细的表现了基坑地表沉降变形的主要原因，值得深究。
5.3 基坑坑底隆起
随着开挖深度的增加，两种情况的坑底隆起量增加，考虑完全流固耦合时的回弹隆起位移要小于不考虑完全耦合作用的隆起位移，至开挖结束时，最大隆起位移相差3mm左右。两种情况下坑底土体隆起量在距坑壁较近的范围内呈近似曲线增大，且曲率较大；在距坑壁较远处，土体隆起量虽继续增加，但增速较缓慢。
结语：
（1）在基坑各步开挖的施工过程中，基坑侧壁的最大位移均在基坑的开挖面附近；基坑地表最大沉降位移在距离坑壁一定距离处；坑底土体隆起量在距坑壁较近的范围内呈近似曲线增大，且曲率较大；在距坑壁较远处，土体隆起量虽继续增加，但增速较缓慢。由本文考虑的两种情况可知，完全流固耦合的基坑开挖方式减小了上述三种变形位移量，但程度较小，影响较小。
（2）锚杆在自由段轴力均匀分布，为锚固段轴力最大值，锚固段轴力在刚进入锚固段时锚杆轴力减幅较大，在锚固段的近端则是缓慢减小，在锚固段的末端则减小为零。对比本文两种模拟情况可知，考虑完全流固耦合情况下各排锚杆轴力与不完全流固耦合情况下差别很大，锚杆轴力较小，在同等情况下，最大减小了120kN，说明考虑完全流固耦合情况下，可以进一步优化锚杆的设计。
（3）通过耦合和不耦合两种情况对比知，流固耦合情况下基坑降水开挖能更清晰的表现基坑变形性状，值得进一步的探讨。
参考文献：
[1]徐勇，杨挺，王心联.桩锚支护体系在大型深基坑工程中的应用[J].地下工间与工程学报，2006，2（4）：646-649.
[2]张小伟，姚笑青.基坑工程变形的渗流应力耦合分析[J].地下工间与工程学报，2012，8（2）：339-344.
[3]朱彦鹏，任永忠，周勇.基于渗流场-应力场耦合作用下的深基坑降水支护结构的位移研究[J].工程勘察，2012，（7）：32-36.