考虑渗流作用的基坑受力变形分析（2）

4 基坑变形分析

4.1 围护结构侧向变形

从图5中可以看出考虑渗流和不考虑渗流计算的桩侧向变形在不同工况下的分布规律一致，即在多道支撑条件下桩的侧向变形呈两端小中间大的“鼓胀”形分布，随着基坑向下开挖，桩的最大侧向变形值逐渐增大，且桩的最大侧向位移位置逐渐向下偏移，基本位于开挖面附近。这是由于内支撑的约束作用，导致围护结构在支撑附近的位移较小，从而使得最大侧向变形不断向下偏移。

（a）

（b）

图5 围护结构侧向变形分布

（a）工况一~工况四计算值；（b）工况四计算值与实测值对比

工况一未架设冠梁与混凝土支撑时，桩顶侧向变形最大，桩体从顶部整体倾向坑内，并且由于第一步开挖到–1.7m，基坑内没有进行降水，所以考虑渗流与不考虑渗流计算的桩侧向变形值相同。

工况二至工况四由于基坑内外形成水位差，导致渗流影响下的水、土压力与不考虑渗流情况比较会发生变化，故考虑渗流与不考虑渗流计算的桩侧向变形也开始出现差异。

工况二考虑渗流计算的桩最大侧向变形为5.58mm，不考虑渗流计算到的桩最大侧向变形为6.27mm，考虑渗流的支护桩最大侧向变形比不考虑渗流的小。

分析其原因：结合图3（b）和图4（b）可以看出， 工况二考虑渗流的坑内水压力增长相比有效土压力的减小更加显著，故渗流对基坑变形起到了有利作用，所以工况二考虑渗流的桩最大侧向变形比不考虑渗流的小。

随着基坑不断降水开挖，考虑渗流的桩侧向变形 逐渐大于不考虑渗流的桩侧向变形。工况四（开挖到坑底）考虑渗流计算的支护桩最大侧向变形为30.59mm，不考虑渗流计算得到的桩最大侧向变形为28.16mm，考虑渗流的支护桩最大侧向变形较不考虑渗流增大约9%。渗流对坑外有效土压力的增大影响幅度比对坑外水压力的减小影响幅度大，最终导致支护桩的侧向变形增大。渗流对深基坑的变形控制起到不利作用。

从图5可以看出，考虑渗流的围护结构侧向变形与实际值更加接近，误差在可接受范围内，且两者桩体的水平变形规律基本相同，拥有较好的拟合度。因此，当基坑开挖较深、地下水降深较大时，为了安全起见，应当充分考虑渗流作用。

4.2 坑外地表沉降

由图6可看出，考虑渗流与不考虑渗流各工况下的坑外地表竖向位移分布规律一致，设置支撑的条件下，坑外地表沉降都是在距离坑边一定范围内呈开口向上的“凹槽”形分布。且随着开挖深度的增加，沉降值及“凹槽”形影响范围越来越大。

（a）

（b）

图6  坑外地表沉降分布

（a）工况一~工况四计算值；（b）工况四计算值与实测值对比

工况一坑外土体在坑边表现为沉降，然后在距离坑边一定范围内呈现上抬趋势，由于工况一基坑内外没有形成水位差，故考虑渗流与不考虑渗流的地表沉降计算值相等。

工况二考虑渗流的地表沉降值小于不考虑渗流的计算值，这与桩的侧向变形规律一致。

工况三和工况四考虑渗流的比不考虑渗流计算的地表沉降大，工况四（开挖到坑底）考虑渗流的坑外最大地表沉降比不考虑渗流的坑外最大地表沉降大32?%。且在距离坑边较远处，可见考虑渗流的坑外地表沉降影响范围更远。

分析其原因，考虑渗流时由于渗透力的作用使支护桩外侧土中受到的竖向有效应力增加，从而导致地表沉降量增大。

从图6可看出，考虑渗流的坑外地表沉降与实测值更加接近，表明考虑渗流的分析方法是合理的。

5 深基坑设计方法的改进建议

以上工程实例的分析结果表明，对基坑的开挖过程进行计算分析时，考虑渗流的基坑水、土压力与不考虑渗流的情况有很大差异；考虑渗流的围护结构最大侧向变形、坑外地表沉降比不考虑渗流情况增大9%、32%。由此看出，渗流对基坑的变形影响不容忽视。

目前我国通用设计软件（如理正深基坑设计软件），对于降低地下水位后形成的渗流场不加考虑，只简单按静水压力来计算孔隙水压力，有效土压力计算也不考虑渗流影响。

对于开挖深度较大、地下水降深较大的情况，其计算结果会出现较大误差，因此建议在基坑设计时引入渗流分析，具体做法建议如下。

第一步：采用PLAXIS 3D等有限元软件建立深基坑三维模型，同时需深入了解本地土体的力学特性，采取适当的本构模型及经验参数（建议采取小应变硬化土模型）。

第二步：结合内支撑或锚杆的设置，将基坑开挖分为若干施工步。

第三步：对于每一个施工步，根据水位的实际降低位置建立渗流边界面（与坑外实际水位形成水头差进而形成稳态渗流场），进行渗流分析及渗流作用下的基坑受力分析。

第四步：重复步骤3，直至最后一步（基坑开挖到底）分析完毕。

6 结论

结合工程实例，采用理论分析及数值模拟，分别研究考虑渗流与不考虑渗流的基坑水土压力、围护结构侧向变形、坑外地表沉降分布规律，得出以下结论。

（1）随着开挖过程基坑降水会产生渗流，当水源补给充足、降水井流速基本稳定、支护结构两侧水头差基本保持不变，基坑周围形成的渗流场可视为稳态渗流场。渗流作用会引起水压力和土压力发生变化，进而引起基坑的位移场发生变化。

（2）稳态孔隙水压力在坑内外成层土中呈非线性分布，且在水力梯度较大处（渗透系数较小的土层及桩底附近）的稳态孔隙水压力变化趋势比较明显。考虑渗流的坑外水压力比不考虑渗流时减小，而考虑渗流的坑内水压力比不考虑渗流时增大，且坑内外水位差越大，减小或增大幅度越大。

（3）支护桩外侧考虑渗流的有效土压力相比不考虑渗流时增大，而支护桩内侧考虑渗流的有效土压力相比不考虑渗流时减小。

（4）地下水位降深较大时，渗流将会增大基坑变形。在本工程案例中开挖至坑底时，考虑渗流的围护结构侧向变形、坑外地表沉降比不考虑渗流时增大9%、32%，因此渗流对基坑的变形影响不容忽视。

（5）对比分析结果表明，考虑渗流作用的分析方法与不考虑渗流的情况相比更接近实测值，该方法合理可靠。基于此提出了深基坑设计方法的改进建议，可进一步完善目前的深基坑设计方法。

（ 本文已完结 ）