承台深基坑降水引起的钢板桩围护结构应力-变形耦合效应研究

引言

钢板桩是目前工程施工中较为常用的一类板桩围堰形式，是一种带有凹凸不平的锁扣型钢结构体系，其常见的截面形式有直板形、槽形、Z 字形等形态各异的尺寸大小及不同锁口形式，通常在桥梁结构及水工结构施工中应用较为常见。随着我国加大对交通基础设施的建设力度，出现越来越多的道路拓宽、邻近公路或铁路的深基坑开挖等工程，而工程的修建面临着工程地质与环境等因素的影响，给施工技术带来不少的挑战。我国城市化进程的加快和基础设施建设的不断推进，深基坑工程在高层建筑、地铁、桥梁等项目中日益普遍，尤其是在承台基础施工中，深基坑的开挖与支护问题尤为突出。在深基坑施工过程中，为了确保基坑干燥和作业安全，降水措施成为必不可少的技术手段。然而，降水不仅会引起地下水位下降，还会改变土体中的渗流场和应力场，进而对围护结构产生复杂的力学影响。钢板桩作为一种常用的围护结构形式，其受力与变形特性在降水作用下表现出显著的耦合效应，即降水引起的渗流-应力场变化与结构的变形响应相互影响、相互制约。当前，尽管已有大量研究关注基坑降水或围护结构的单一问题，但对于二者之间耦合效应的系统性研究仍显不足，尤其是在复杂地质条件和不同降水工况下，钢板桩围护结构的力学行为演化规律尚不明确。

一、相关理论与分析方法

（一）深基坑降水理论与渗流计

深基坑降水理论的核心在于通过人为干预地下水的渗流场，将基坑内地下水位降至开挖面以下，以保证干作业环境并防止渗流破坏。其理论基础主要遵循达西定律，即渗流速度与水力梯度成正比，并基于质量守恒原理建立地下水非稳定渗流的控制方程。在实际工程中，常采用解析法（如大井法、叠加井群法）进行降水方案的初步设计与涌水量估算，该方法将不规则基坑等效为一口大井，利用裘布依（Dupuit）假设的稳定流公式进行计算；而对于复杂的水文地质条件、非均质各向异性土层以及基坑开挖的动态过程，则需依托数值模拟方法（如采用 MODFLOW、SEEP/W 等有限差分或有限元软件）进行精细化渗流计算，该法能够模拟降水过程中潜水含水层与承压含水层的水头变化、降落漏斗的形成与发展、以及坑内外的渗流路径与水力梯度，从而为评估降水对周边环境的影响和围护结构受力提供精确的水荷载边界条件。

（二）钢板桩围护结构计算理论

钢板桩围护结构的计算理论旨在分析其在土压力、水压力等荷载作用下的内力与变形响应，确保其稳定性。传统分析方法主要基于极限平衡理论，如等值梁法、静力平衡法，通过将桩身简化为受侧向土压力作用的梁，并假定坑底以下某点为铰接或固定点来求解最大弯矩和插入深度，该方法概念清晰、计算简便，但无法准确反映桩体的实际变形。更为精确的分析则采用弹性地基梁法（如 m 法），将桩周土体视为一系列相互独立的线性或非线性弹簧（用土的水平反力系数表征），通过求解桩-土体系的微分方程，可同时获得桩身的弯矩、剪力和位移分布，能较好地模拟钢板桩与土体的相互作用。

（三）流固耦合与应力-变形耦合分析理论

流固耦合（Fluid-Solid Interaction,FSI）与应力-变形耦合分析理论是研究深基坑降水引起钢板桩围护结构响应问题的核心与高级手段。该理论深刻揭示了地下水渗流（流体系统）与土体骨架变形（固体系统）之间的相互作用机理：一方面，降水引起的孔隙水压力消散会导致土体中有效应力增加，引发土体固结沉降并改变其强度参数，从而动态地调整作用于钢板桩上的水土压力；另一方面，围护结构自身的变形和土体的位移又会反过来改变孔隙空间的分布和渗透性，影响渗流场的路径与水力梯度，形成一个复杂的双向耦合系统。基于比奥固结理论（Biot’s Consolidation Theory）的有限元/有限差分法是实现该耦合分析的最有效工具，它通过同时求解土体的平衡方程、渗流的连续性方程以及本构模型，能够全流程、一体化地模拟从初始地应力状态、分步降水、分层开挖到结构响应的全过程，精准揭示渗流-应力-变形耦合效应下钢板桩的内力重分布、侧向变形机理及对周边环境的影响，为优化设计与安全控制提供科学依据。

二、工程概况与数值模型建立

（一）依托工程概况

本研究依托于某城市核心区的大型桥梁承台深基坑工程。该承台基础尺寸为长 25 米、宽 18 米，开挖深度达 15 米，属于一级深基坑。场地地质条件复杂，自上而下依次为：2 米厚的杂填土、8 米厚的流塑状淤泥质黏土、10 米厚的粉砂层，其下为密实中砂层，地下水位埋深仅为地表下 2 米。鉴于场地周边紧邻既有地铁隧道、重要市政管线及高层建筑，对基坑开挖引起的变形控制要求极为严格。为确保施工安全，经多方案比选，最终采用“拉森IV 型钢板桩+两道内支撑”的围护体系，并结合坑外管井降水方案。降水井沿基坑周边环形布置，井深 25 米，穿透主要含水砂层，目标是将坑内水位降至开挖面以下 1 米。该工程典型的地质条件、敏感的环境保护要求以及明确的降水与围护结构设计，为研究降水引起的钢板桩应力-变形耦合效应提供了绝佳的工程背景与数据来源，其丰富的现场监测数据也为后续数值模型的验证奠定了坚实基础。

（二）有限元数值模型的建立

为精确模拟降水与开挖过程中钢板桩围护结构的耦合效应，本研究采用大型有限元软件（如 PLAXIS 或 ABAQUS）建立二维平面应变数值模型。模型尺寸取基坑开挖深度的 3-4 倍，以消除边界效应。土体本构模型选用能较好反映土体弹塑性及剪胀性的硬化土模型，其参数由室内土工试验结果标定。钢板桩采用梁单元模拟，并赋予其真实的弹性模量和截面属性；内支撑采用锚杆或只受压的弹簧单元模拟。土体与钢板桩之间的相互作用通过设置接触面单元来定义，并赋予其合适的界面强度折减系数。模型的建立与计算分阶段进行，严格模拟实际施工工序：首先进行地应力平衡，以获得初始应力场；随后激活降水井，通过施加边界水头或流量来模拟降水过程，进行稳态或瞬态渗流计算；最后，分步进行土体开挖和支撑架设，在每个施工步中均进行流固耦合的完全应力-变形分析，从而动态捕捉降水引起的孔隙水压力变化、土体固结、钢板桩内力与变形的全过程响应。

三、降水作用下钢板桩应力-变形耦合效应分析

（一）降水对渗流场与土体应力场的影响分析

基坑降水首先直接改变了场地的渗流场，在坑内外形成显著的水头差，导致地下水绕钢板桩帷幕向坑内渗流，并产生指向基坑内部的渗流力。这一过程对土体应力场产生双重影响：其一，动力作用方面，渗流力作为一种体积力施加在土骨架上，增大了主动区的滑动力矩，同时减小了被动区的抵抗能力，等效于恶化了土体的力学状态；其二，静力作用方面，随着坑内水位下降，孔隙水压力随之消散，根据有效应力原理，土体中由孔隙水承担的部分应力将转移至土骨架，导致有效应力增大，引发土体固结。这种固结效应不仅使土体产生竖向沉降，更会因其强度的提高（如粘性土不排水强度增加）和应力历史的改变，显著影响土体的侧向压力系数，从而从根本上改变了作用于钢板桩上的初始静土压力分布，为后续围护结构的应力与变形响应设定了新的、动态变化的荷载环境。

（二）钢板桩围护结构应力与变形响应分析

在降水引发的渗流力和有效应力变化共同作用下，钢板桩围护结构的受力与变形呈现出区别于常规计算的特性。其应力响应表现为：桩身弯矩和剪力分布发生重分布，最大弯矩点位置可能下移，且数值往往大于仅按静水土压力计算的结果，这是因为渗流力额外增加了主动区的推力并削弱了被动区的土体反力。与此同时，结构的变形响应更为显著：坑底以上桩体的侧向位移（坑壁变形）会明显增大，变形模式可能从“悬臂型”或“鼓胀型”转变为更深层次的“踢脚”趋势，即桩底部位移增加；此外，由于桩后土体固结沉降，可能导致桩身产生附加的负摩阻力，进一步影响其受力状态。

（三）应力-变形耦合效应机理探讨

应力-变形耦合效应的内在机理是一个动态的、非线性的反馈过程，其本质是渗流场-应力场-变形场三者的相互作用链。初始扰动源于降水引起的渗流场改变，产生渗流力和有效应力变化；首次耦合表现为该变化作为荷载施加于钢板桩，导致其发生应力重分布和侧向变形；二次耦合则在于围护结构的变形会挤压周围土体，改变其孔隙结构和渗透特性（如坑底土体因卸荷回弹和剪切破坏导致渗透性增大），从而反过来影响渗流路径和孔隙水压力的消散速率与范围，再次调整渗流场；持续迭代，这个“水影响土，土影响结构，结构再影响水”的闭环反馈过程持续贯穿于降水和开挖的全周期。

四、耦合效应影响因素的参数化分析

（一）参数化分析方案设计

为系统量化各关键因素对降水-钢板桩耦合效应的影响程度与规律，本研究采用控制变量法进行参数化分析方案设计。首先，基于已验证的流固耦合数值模型作为基准模型，该模型准确反映了实际工程的地质条件、降水方案与结构参数。随后，选取四大类影响显著的因素作为分析变量：1.土体特性参数：包括渗透系数（k）、弹性模量（E）、粘聚力（c）和内摩擦角（φ），用于表征土体的渗流与力学行为；2.降水方案参数：主要包括降水深度 D_-w ）和降水速率 ，控制着渗流场的改变强度与过程；3.钢板桩结构参数：涵盖桩的插入深度 (D_-p ）和抗弯刚度（EI），代表围护结构的抵抗能力；4.空间几何参数：如基坑开挖深度（D_e）和与不透水边界的距离（L）。分析时，固定其他所有参数，令单一变量在合理范围内连续变化，系统运行计算一系列工况，并提取钢板桩最大侧移（δ_hmax）、最大弯矩（ Mmax ）及坑外地面沉降 ）等关键响应指标，以构建参数变化与结构响应之间的定量关系数据集。

（二）各因素对耦合效应的影响规律分析

参数化分析结果表明，各因素对耦合效应的影响规律显著且各异：1.土体参数：渗透系数（k）是主导因素，其减小会显著增大坑内外水头差，导致渗流力急剧增加，从而使桩身位移和弯矩显著增大，耦合效应更为剧烈；土体强度参数（c,φ）的降低会削弱被动区土体抗力，加剧桩体的“踢脚”变形和坑底隆起风险。2.降水方案：降水深度（D_w）的增加会线性加剧渗流效应，导致δ_hmax 和 M_max 近乎线性增长；而过快的降水速率（V_w）则因产生更大的水力梯度和超静孔隙水压力，会引发更剧烈的瞬时变形，其影响优于缓慢降水。3.结构参数：增加插入深度（D_p）能有效抑制“踢脚”变形，将最大弯矩点下移并减小其数值，是控制耦合负面效应的最有效手段；提高抗弯刚度（EI）主要减小桩身自身变形，但无法改变作用在其上的土压力大小，对减小弯矩的效果不如增加插入深度显著。4.几何参数：开挖深度（D_e）的增加直接增大了不平衡力，放大了所有耦合效应；而基坑邻近不透水边界（L 小）会约束渗流路径，抬高坑外水位，从而增大渗流力，对围护结构更为不利。综上，渗透系数、降水深度和插入深度是影响耦合效应的三个最敏感参数，在设计与施工中需予以重点考量。

结论

本研究围绕承台深基坑降水引起的钢板桩围护结构应力-变形耦合效应展开，通过理论分析、数值模拟与参数化研究，系统揭示了降水、渗流、土体与结构之间的复杂相互作用机制。研究表明，降水不仅改变了基坑周边的渗流场，引发土体有效应力增加和固结变形，还通过渗透力和土压力的变化显著影响钢板桩的应力分布与变形特征，二者之间存在强烈的耦合效应。数值模拟结果直观展示了降水过程中钢板桩的位移、弯矩和剪力的动态演化规律，验证了流固耦合分析方法的必要性与准确性。参数化分析进一步明确了降水深度、降水速率、土体渗透系数与弹性模量、钢板桩刚度及嵌入深度等关键因素对耦合效应的影响规律，其中降水深度和土体参数对结构响应的影响最为显著，而合理的支撑布置与结构刚度设计可有效控制变形。研究结论不仅深化了对深基坑降水作用下围护结构力学行为的认识，也为类似工程中的降水方案优化、围护结构设计与施工风险控制提供了科学依据和技术支撑，具有重要的理论价值和工程实践意义。

参考文献

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