考虑渗流与土体弹塑性本构关系的基坑受力变形特性数值分析

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基坑受力变形分析是基坑设计当中的重要内容,水土压力是作用于围护结构的主要荷载。然而水土压力大小不仅与围护结构的位移有关,还受到地下水渗流等因素的影响。所以对基坑的受力和变形进行研究具有重要意义。本文以北京市政建设集团有限责任公司和太原市轨道交通集团有限公司共同资助的两个地铁深基坑项目为工程背景,采用理正深基坑与有限元软件PLAXIS 3D进行了数值分析与研究,并得出以下结论:(1)采用对比分析法,得出HSS模型得到的基坑变形比较符合实际变形规律:在有多道支撑的条件下,围护结构侧向位移呈两端小中间大的“鼓胀”形分布,且随着开挖深度的增加,围护结构侧向位移值越来越大,最大值位于开挖面附近;多道支撑条件下,坑外地表沉降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。HSS模型的计算值相较于其他模型更接近实际值,具有一定的工程实际应用价值。(2)基坑降水使得坑内外形成水位差,地下水在基坑范围内将发生渗流,开挖到坑底时,考虑渗流的坑外稳态孔隙水压力合力相比不考虑渗流的坑外静止水压力合力减小12.9%,考虑渗流的坑内稳态孔隙水压力合力相比不考虑渗流的坑内静止水压力合力增加83.7%,渗流对坑内孔隙水压力的影响更加明显。稳态孔隙水压力在桩两侧呈非线性分布,且稳态孔隙水压力在水力梯度较大处(粉质黏土层及桩底附近土层)的增加或减少趋势会比较明显。(3)坑外渗流力的竖向分量竖直向下增加了土体有效容重,导致作用在桩外侧的有效土压力相比不考虑渗流增加。坑内的渗流力的竖向分量竖直向上减小了土体有效容重,导致作用在桩内侧的有效土压力相比不考虑渗流减小。基坑开挖到坑底时,考虑渗流时的坑外有效土压力合力相比不考虑渗流增加15%,考虑渗流时的坑内有效土压力合力相比不考虑渗流减小22.4%,渗流对坑内有效土压力的影响更加明显。渗流有效土压力对基坑的受力起到了不利作用,基坑设计时合理采用考虑渗流影响的有效土压力更加偏于安全。(4)基坑开挖到坑底时,考虑渗流的坑外有效土压力合力为2810.1k N,不考虑渗流的坑外有效土压力合力为2443.4k N,朗肯主动分算土压力合力为1871.95k N。不考虑渗流的坑外有效土压力合力相比朗肯主动分算土压力增大30.5%,考虑渗流的坑外有效土压力合力相比朗肯主动分算土压力合力增大50.1%,同时考虑地下水渗流及土体弹塑性本构关系的坑外有效土压力相比朗肯主动分算土压力更大。(5)基坑开挖到坑底时,考虑渗流的桩最大侧向位移相比不考虑渗流增加了9%。考虑渗流的坑外地表最大沉降值相比不考虑渗流增加了32%,且考虑渗流的“凹槽”形影响范围更远,渗流对沉降的影响更大,这是由于渗流力使得坑外土体竖向有效应力增大,土体产生固结,且考虑渗流的桩侧向变形更大也会对沉降有影响。所以渗流对围护结构的侧向变形、地表沉降值及沉降范围的影响不容忽视,考虑渗流得到的基坑变形更偏于安全。
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