DOI: 10.3390/s24020426 | Sensors 2024, 24, 4261 研究背景与意义基坑工程中地下水渗流场与土体应力场相互耦合直接影响围护结构侧向位移、地表沉降和坑底隆起。传统应力-应变分析方法忽略流固耦合效应预测精度大打折扣——安徽芜湖大茅互通立交项目基坑地下水位高、土层复杂最大开挖深度达9 m施工风险极高。本文基于Rongyu Xia, Zhizhong Zhao, Risheng Wang, Maolin Xu, Shujun Ye, Meng Xu在《Sensors 2024, 24, 426》发表的研究采用PLAXIS 2D Connect Edition V20建立流固耦合有限元模型系统分析了五大关键因素支护形式、水位、渗透系数、土层类型、开挖序列对基坑变形的影响。进一步综合最不利工况提出变形预警阈值和最优降水策略并通过无线传感器倾斜仪静力水准仪陀螺仪现场实测验证了数值模型精度。图1 内支撑体系15m×30m基坑变形云图2 建模方法与关键技术数值模型采用PLAXIS 2D的平面应变有限元土体用Hardening Soil(HS)硬化土模型围护结构用板单元和内支撑/锚杆单元模拟。HS模型参数基于现场勘察和室内试验含水率、密度、液限、压实、三轴等标定涵盖填土、粉质黏土(2层)、全风化泥质砂岩、强风化泥质砂岩共6层表1-表3。 工况设计覆盖五大参数空间① 支护形式对比内支撑钢支撑围檩vs 外锚锚杆分别计算5m×5m、10m×10m、10m×20m、15m×30m四种基坑尺寸图1-图2② 水位影响-2 m暴雨、-5 m中雨、-8 m小雨渗透系数固定0.04 m/day③ 渗透系数影响0.005、0.04、0.08 m/day非饱和-半饱和-全饱和水位固定-2 m④ 土层影响单层土 vs 多层土6层开挖对比⑤ 开挖序列验证先挖后撑直接发散不收敛验证了先撑后挖的必要性。图2 内支撑体系5m×5m与10m×10m基坑变形云图图3 内支撑与外锚体系侧移/沉降/隆起对比曲线3 核心发现核心发现1——内支撑vs外锚图3内支撑体系的整体变形显著低于外锚体系侧向位移16.18 mm vs 28.92 mm降44%地表沉降-5.15 mm vs -11.80 mm降56.3%坑底隆起27.52 mm vs 28.63 mm降4%。内支撑使基坑整体变形降低34.5%对侧移和沉降影响巨大对隆起影响较小。 核心发现2——五大因素敏感性排序水位贡献35.5% 渗透系数17.62% 土层类型11.4%。水位从-8 m升至-2 m侧向位移增69.6%、地表沉降增83.3%水位对沉降敏感度远高于其他指标图4。渗透系数从0.005升至0.08 m/day变形增幅2.6%-4.9%渗透系数对坑底隆起的影响最大。多层土比单层土变形高2.6%-9.1%对地表沉降影响尤为显著。 核心发现3——预警阈值与最优降水最不利工况组合高水位高渗透系数多层土下15m×30m基坑最大侧向位移41.77 mm、沉降-32.68 mm、隆起21.10 mm——作为施工预警值。降水深度从开挖面以下0.5 m增至2 m围护桩侧移增大3.1%、沉降增2.3%表明降水越深水头差越大变形越大开挖面以下0.5 m为最优方案。 核心发现4——无线传感器实测验证图6-图7芜湖大茅互通立交现场布设倾斜仪、静力水准仪和陀螺仪流固耦合模型侧移误差10.9%4.12 mm、沉降误差9.6%2.87 mm、隆起误差7.6%1.50 mm不考虑耦合的模拟侧移误差高达29.7%、沉降误差34.5%证明流固耦合对预测精度是决定性提升。实测最大侧向位移37.65 mm 预警41.77 mm工程安全可控。图4 不同水位(-2m/-5m/-8m)下基坑变形对比图5 现场布设的无线传感器倾斜仪与静力水准仪图6 无线传感器监测时序数据侧向位移与地表沉降图7 实测vs流固耦合模拟vs无耦合模拟三方案对比4 总结与展望本文基于PLAXIS 2D Connect Edition V20建立了基坑支护流固耦合有限元模型完成五大影响参数的全面敏感性分析提出变形预警阈值和最优降水策略并通过无线传感器现场实测验证。研究表明内支撑体系比外锚整体变形降低34.5%水位是第一影响因素贡献35.5%流固耦合模型与实测误差≤10.9%而不考虑耦合误差高达29.7%-34.5%降水至开挖面以下0.5 m为最优方案非越深越好。我方团队具备PLAXIS 2D流固耦合建模、HS模型参数标定、基坑支护多因素敏感性分析与预警阈值制定的完整技术能力可为复杂水文地质条件下深基坑工程提供高精度数值仿真与安全评估服务。