抽灌作用下止水帷幕应力应变研究

本文基于上海某基坑工程，利用有限元分析软件Abaqus建立了三维流固耦合模型，通过仿真结果分析了基坑降水及同时考虑基坑内抽水基坑外回灌作用下渗流场的变化情况以及止水帷幕的应力变化及变形规律。分析表明，在抽水及抽灌作用下，止水帷幕Mises应力大小随着止水帷幕埋置深度的增加逐渐增大。随着坑内降水的进行，止水帷幕整体的应力在逐渐增大，在抽水稳定后，止水帷幕的应力达到最大值。回灌井的作用使得止水帷幕所受应力逐渐变小，止水帷幕向基坑内侧的变形量减小。

在基坑工程中，若基坑开挖时施工区域的地下水水位高于基坑底面，地下水会对基坑的安全造成不良影响[1]。因此，地下空间的开挖需要降低承压水水位，以保证基坑能够在安全、干燥的环境下施工， 避免水位高导致的边坡失稳、基坑坑底突涌及地基的承载能力下降等现象[2]。实际工程中通常采用止水帷幕结合井点降水的方式来降低基坑内部承压水的水位[3]，而长时间的水位下降会使砂层以及砂层上覆的粘土固结，进而导致土体沉降，严重时会造成地面塌陷、建筑物的不均匀沉降及倾斜等灾害[4]，因此通常采取回灌的方式来使因降水而降低的地下水位得到回升，以减少基坑内部降水对周围环境的影响[5] [6]。因此，基坑降水和回灌的过程中止水帷幕的受力与变形成了工程中备受关注的问题。

目前，国内外大量专家学者针对基坑抽水及回灌对周围环境的影响展开了研究。瞿成松[7]通过对上海陆家嘴地区某基坑工程进行地下水回灌试验，探究了地下水回灌引起的水位变化及地面沉降现象，以及地下水上升与地面回弹的关系；Liu 等[8]基于三维有限差分模型并结合实测数据，以济南轨道交通R2线典型深基坑工程为基础，研究了抽灌和开挖共同作用下的岩土–围护结构–地下水的变化，并分析了回灌对围护结构和地下水的影响；Zheng 等[9]在Hantush 和Jacob 模型的基础上， 将Levenberg-Marquardt算法(LMA)和遗传算法(GA)相结合并应用到了天津市软土区的承压含水层回灌试验当中以估算水文地质参数，并依此准确地模拟地下水水位的变化。但现有的研究更多是针对抽灌作用对地下水水位及土体变形的影响，而鲜有对止水帷幕的受力及变形的变化规律的探究。

本文基于上海市某基坑工程的地层资料，通过数值分析法研究了基坑内抽水基坑外回灌作用下止水帷幕的应力状态及变形，分析了抽水及抽灌作用下渗流矢量的变化、止水帷幕的应力状态及变形，以期为其它基坑工程的施工提供借鉴。

2. 有限元模型的建立 2.1. 模型背景 本文研究的区域地处上海市，位于长江三角洲滨海平原地带，地貌类型为滨海平原地貌，场地地势平坦，地层由浅到深有填土、砂质粉土、粉质粘土及粘土层等。模型所依托的上海某基坑工程所处的地层在85.38 m 深度范围内均为第四纪松散沉积物， 属第四系滨海平原地基土沉积层， 主要由饱和粘性土、粉土组成，一般具有成层分布特点。研究区域的地质剖面如图1 所示，土层分布自上至下土层依次为：