丁 洪1，董 涛1
（1、中国建筑第四工程局有限公司，广东 广州 510006）
摘要：当前有关土体卸载应力释放对周边建（构）筑物影响的研究较多，但大多都未考虑地下水和土体的流固耦合相互作用关系，论文依托珠海市某实际工程项目为背景，采用大型有限元仿真模拟手段，重点对比分析周边既有建（构）筑物在考虑应力场、渗流场耦合作用和不考虑二者固流耦合作用两种情况下的应变大小，并与实际监测数据进行对比，得出一些重要结论，旨为后续其他类似项目提供设计依据和施工处理措施，以确保基坑的顺利开挖和周边建（构）筑物的安全使用。
关键词：流固耦合；仿真模拟；有限元；施工；监测
1工程概况
1.1工程地质及水文地质状况
根据该项目的勘察报告，拟开挖场地内地层自上而下分为：素填土（平均厚度3.00m）、淤泥质粉质黏土（平均厚度2.40m）、含砂粉质黏土（平均厚度2.24m）、砾砂（平均厚度5.11m）、粉质黏土（平均厚度3.70m）、砂质黏性土（平均厚度8.60m）、全风化混合岩（平均层厚8.53m）、强风化混合岩（平均层厚8.64m）、中风化混合岩（平均层厚2.96m）以及微风化混合岩（中风化混合岩以下均为微风化混合岩）。
本项目地下水较丰富，地下水类型主要为孔隙型潜水及基岩裂隙水，孔隙潜水赋存于第四系地层和全风化混合岩中，主要储水层为砾砂层，有关地下水位的分布情况分述如下。
（1）孔隙潜水
填土层（①）主要以砂质黏性土、石英质颗粒和少量碎块石等组成，局部含少量的建筑垃圾，含水量较贫乏，透水性一般，属弱~中等透水层。
第四系冲洪积层的淤泥质粉质黏土（②1）主要以粉土和黏土为主，含水量较丰富，透水性差，属弱透水层；含砂粉质黏土（②2）含水量较贫乏，透水性较差，属弱透水性；砾砂（②3）层主要以石英粒为主，含水量较丰富，透水性强，属强透水层。粉质黏土（②4）层含水量较贫乏，透水性差，属弱透水性。
第四系残积层的砂质黏性土层（③）主要以砂粒和黏性土为主，由于颗粒间胶结，含水量较贫乏，属弱透水层。
全风化混合岩（④1）呈坚硬土状，由于颗粒间胶结，含水量较贫乏，属弱透水层。
地下水受大气降水及邻近含水层补给，动态随季节性变化。地下水的排放主要靠大气蒸腾和通过山泉水外泄进行排放。地下水的流向主要从东南往西北流向。
（2）基岩裂隙水
基岩裂隙水主要分布于强、中风化岩层中，受基岩裂隙发育程度和连通性的影响，强、中风化粉砂质岩呈弱～中等透水性，该层地下水具微承压性。受上部潜水的下渗或侧向径流补给。
钻探期间钻孔测得的地下水位埋深3.80～5.80m, 相应标高15.39～20.69m。地下水流向主要为由东南向西北流向。地下水位受地貌形态、雨季大气降水、地表水系下渗影响较大，地下水变化幅度在1.0~2.0m。
2有限元仿真模拟分析
本文以靠近既有老式建（构）筑物一侧的基坑为重点，主要模拟无地下水位和地下水位在地表以下3m时的真实状况，根据设计要求，南侧靠近既有建（构）筑物一侧预留高4.6m，宽12.6m的反压土台，反压土台位置采用逆作法施工，施工时先行将受土台影响位置人工挖孔桩基础完成，然后施做反压土台影响区域的地下室结构顶板，达到换撑条件后再开挖反压土台土体并施工其下方的地下室结构底板，然后按顺序施做原反压土台影响范围内的地下室结构，塔楼地上结构部分按正常流水施工，下文将采用实体网格准确模拟反压土台。
建模时采用场地地层主要根据靠近既有建（构）筑物的勘察钻孔资料进行适当归并而得到偏向不利地层，根据场地地质条件及基坑开挖的实际情况，建立的模型总长度为350m，宽度为220m，高度为60m。边界条件设定为：左右边界dx=0，底面dz=0，前后面dy=0。地面的超载取20kN/m2。
计算时，将对地层和周边既有老式建（构）筑物作位移清零处理，用K0作为模型初始计算条件，以精确模拟土体开挖和土中水渗流相互耦合作用关系造成的位移变化。
根据以上分析，在不考虑应力场和渗流场耦合作用情况下（仅将水在土体中的作用力等效成静止水压力计算），基坑周边老式建筑物最大沉降T1为3.181mm。
若地下水位在地面以下3m位置时，考虑水-土应力场耦合相互作用（本次建模未考虑砂土的固结沉降），基坑周边老式建筑物最大沉降T2为4.233mm。
从以上计算结果可以看出，不考虑流固耦合情况下，周边建筑物最大沉降为T1=3.181mm，而考虑流固耦合相互作用情况下，周边建筑物最大沉降为T2=4.233mm，差值T2-T1=1.052mm，增量的绝对值为△T=33%，由此可以看出虽然沉降值变化不大，但增量变化比较显著。
结合第三方监测单位提供的监测数据，该处民房实际沉降值为3.95mm，相比较而言，更接近考虑流固耦合作用下的计算值。
3结论
本文通过广东省珠海某实际工程项目为背景，采用大型有限元实体建模方法，分别进行了考虑水土流固耦合和不考虑流固耦合作用的模拟分析，同时结合国内外作者类似课题的研究，在上述基础上可以得出如下结论：
（1）为保证基坑开挖过程中周边建筑物的安全，周边建议设置观测井，注意地下水位的变化，必要时，及时进行回灌。
（2）虽然考虑流固耦合和不考虑流固耦合二者在计算数值上相差不大，但根据监测结果显示，考虑流固耦合的情况下更接近实际值，也验证了Biot固结理论的准确性和可行性。
（3）从计算结果可以看出，传统水土分算或合算的计算值偏小，即不考虑流固耦合作用下的计算结果是偏于保守的，也是存在一定风险的，虽然目前基坑设计基本都会考虑设置止水帷幕，但这只是延长了渗流路径，基坑内外依然存在水头差，坑内降水仍会使内外产生渗流，且渗流方向指向土体开挖一侧，这对基坑的稳定性十分不利[9]，会大大降低坑底被动区抗力，尤其砂土较厚地区，有可能产生涌砂、涌水，给施工的顺利开展带来一定困难。
（4）一般来说，基坑开挖过程中土体应力释放机理是很复杂的，不同施工顺序和工艺对结果的影响也不尽相同，地下水位的变化幅度也会直接影响到周边建筑的沉降，在施工时应加强观测。
（5）本项目在实际施工过程中靠近既有建筑物一侧预先留设反压土体，以抵消部分围护结构水土压力，减少变形，待其他区域地下室主体结构完成后再施工预留反压土体影响范围区域，采用逆作法较原设计采用的顺做法有较大的工期优势，经初步测算，节省工期约56天，该方法在本项目应用中取得了良好的效果，值得类似项目效仿，具有一定推广价值。
参考文献
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