采用FLAC3D的互層土基坑突涌破壞判斷方法

熊宗海 ，李騰龍 ，范衛(wèi)琴 ，2，袁光明 ，蔡兵華

（1.武漢豐達(dá)地質(zhì)工程有限公司，湖北 武漢 430074；2.三明學(xué)院 建筑工程學(xué)院，福建 三明 365004；3.武漢市市政集團(tuán)隧道工程公司，湖北 武漢430074）

數(shù)值分析方法由于其便利性被廣泛用于基坑突涌穩(wěn)定方面的研究，分析時(shí)只要選擇合適的土層和支護(hù)結(jié)構(gòu)模型、土層接觸面及相關(guān)參數(shù)就能模擬實(shí)際工程中的土體及支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形特征，同時(shí)還可以追蹤突涌破壞的發(fā)展過(guò)程。而準(zhǔn)確判斷基坑是否發(fā)生突涌破壞是整個(gè)數(shù)值分析的重點(diǎn)。針對(duì)這一問(wèn)題，不同的學(xué)者采用了不同的簡(jiǎn)化及假設(shè)，提出了如下4種判斷標(biāo)準(zhǔn)：（1）坑底表面土體中出現(xiàn)拉應(yīng)力[1-3]；（2）土體內(nèi)部產(chǎn)生鉛直面的剪切破壞[4-5]；（3）坑底隆起變形突變[6-8]；（4）塑性破壞區(qū)貫穿隔水層[9]。即當(dāng)計(jì)算過(guò)程中出現(xiàn)上述四種情況之一時(shí)，基坑發(fā)生突涌破壞。

上述方法中，第（1）種方法與國(guó)內(nèi)一些室內(nèi)試驗(yàn)[10]及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)[11]結(jié)果不符。而孫玉永[12]發(fā)現(xiàn)隔水層內(nèi)屈服區(qū)域分布并不呈鉛直面，而是以一定角度向中部發(fā)展，這表明第（2）種判定方法存在缺陷。第（3）種判定方法相對(duì)模糊——主要由于坑底隆起變形各階段之間臨界點(diǎn)并不明確，且需要做多組模擬實(shí)驗(yàn)才能得到承壓水頭與坑底隆起關(guān)系曲線，從而得到發(fā)生突涌的臨界水頭，因此難以確定準(zhǔn)確的突涌破壞的發(fā)生，在數(shù)值模擬中運(yùn)用有較大的局限性。第（4）種判定方法是從土體各單元的應(yīng)力狀態(tài)及屈服準(zhǔn)則來(lái)判斷土體是否發(fā)生塑性滑動(dòng)及發(fā)生破壞。

本文用FLAC3D（美國(guó)ITASCA公司V5.0版本）模擬互層土基坑中坑底突涌的發(fā)展過(guò)程，驗(yàn)證第（4）種判定方法的合理性。

1 模型建立

2.1 模型尺寸

模擬在互層土地區(qū)不采用降水措施直接開(kāi)挖基坑的土體突涌過(guò)程，數(shù)值模型如圖1所示。其計(jì)算尺寸為長(zhǎng)（x方向）60 m、寬（y方向）一個(gè)單位長(zhǎng)度，即為1 m、高（z方向）20 m。最下部細(xì)砂層厚9.0 m；上覆互層土厚7 m，粉砂層與粉質(zhì)粘土厚度相同，均為0.5 m；頂部覆蓋有4.0 m厚的粘土層。在x=25 m至x=35 m范圍內(nèi)為基坑開(kāi)挖的范圍，寬10.0 m，基坑周邊設(shè)置兩道地下連續(xù)墻，連續(xù)墻深16 m，插入比為1.0，墻厚1.0 m。圍護(hù)結(jié)構(gòu)用程序中的實(shí)體單元進(jìn)行模擬。

將x水平方向的邊界x=0 m、x=60 m及z方向模型底部邊界z=0 m的豎直方向（z方向）位移進(jìn)行約束，模型的頂部z=20 m則為自由邊界。所有單元在y方向的位移均被約束，而只分析互層土體在xoz平面范圍的位移變化，土體本構(gòu)模型采用摩爾—庫(kù)倫塑性模型。

圖1 數(shù)值計(jì)算模型圖

1.2 模型參數(shù)

土層條件及參數(shù)選以武漢華潤(rùn)萬(wàn)象城基坑工程為例，計(jì)算模型中考慮地下水與土體的耦合，對(duì)于計(jì)算過(guò)程中土體體積的變化，由土體顆粒的本身的壓縮性帶來(lái)的變量可以忽略不計(jì)，因此設(shè)置土體biot系數(shù)為1。土體的抗拉強(qiáng)度賦值時(shí)砂土抗拉強(qiáng)度取為0，粘土的抗拉強(qiáng)度依據(jù)部分學(xué)者的研究結(jié)果[13-15]進(jìn)行取值。各類(lèi)土體參數(shù)采用有效應(yīng)力指標(biāo)，具體數(shù)值見(jiàn)表1。

表1 模型各土層的物理力學(xué)參數(shù)表

支護(hù)結(jié)構(gòu)為地下連續(xù)墻，采用C30混凝土，混凝土剛度乘0.8折減系數(shù)后，彈性模量取為24 GPa，泊松比取為 0.2，密度為 2 500 kg/m3。

1.3 初始狀態(tài)

下部砂層承壓水水頭位于互層土層頂板之上3 m，互層土水頭位于其頂部上方1 m。土層中初始孔隙水壓力分布如圖2。模型建立完成且參數(shù)賦值完畢后，設(shè)置重力場(chǎng)、開(kāi)始初始應(yīng)力計(jì)算。此時(shí)，計(jì)算過(guò)程中應(yīng)約束模型底部的孔隙水壓力，使其表現(xiàn)為透水邊界。

由于土體、尤其是粘土層的固結(jié)會(huì)伴隨超靜孔隙水壓力的產(chǎn)生，而其消散的過(guò)程十分緩慢，往往模型土體變形達(dá)到穩(wěn)定后，超靜孔隙水壓力仍然存在。為解決這一問(wèn)題，需要多次初始化孔隙水壓力，通過(guò)這步計(jì)算，可以使土體在重力作用下固結(jié)壓縮，從而達(dá)到接近土體自然狀態(tài)下的平衡狀態(tài)。計(jì)算完成后，將所有單元位移清零，才開(kāi)始模擬突涌破壞的計(jì)算。

圖2 初始孔隙水壓力分布

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

突涌破壞模擬時(shí)，在下部細(xì)砂層底部中施加固定水壓，使其表現(xiàn)為透水邊界。同時(shí)將基坑底面孔隙水壓力固定為0，即模擬地下水滲出地面后被及時(shí)排出。模擬過(guò)程分多步進(jìn)行，每次開(kāi)挖1.0m土體，求解至基坑變形達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。模擬過(guò)程中，調(diào)用程序內(nèi)部的FISH語(yǔ)言進(jìn)行土層應(yīng)力應(yīng)變的監(jiān)測(cè)，可以清晰的記錄土層破壞過(guò)程。

2.1 工況1——開(kāi)挖互層土上覆不透水粘土層

初始固結(jié)完成后，首先開(kāi)挖上覆不透水粘土層，使用FLAC3D中model null命令模擬每次開(kāi)挖1.0 m土體，開(kāi)挖一層土后，待求解穩(wěn)定再開(kāi)挖下一層土，依次往復(fù)直至開(kāi)挖到指定深度。求解過(guò)程中以隔水層中塑性區(qū)域的貫通作為突涌的判定標(biāo)志，記錄土體的變形過(guò)程，同時(shí)利用自定義的Fish程序監(jiān)測(cè)土體內(nèi)部的屈服狀態(tài)，記錄過(guò)程中的相關(guān)數(shù)據(jù)，圖3為開(kāi)挖深度1.0～4.0 m時(shí)基坑土體的豎向變形云圖。

圖3 工況1土體豎向變形云圖

從圖3中可知

（1）在坑內(nèi)土體被挖除后，坑內(nèi)土體由于上覆土壓力被卸載而向上部隆起，其隆起值基坑中心最大，向兩邊逐漸減小。

（2）隨著基坑不斷的開(kāi)挖，坑內(nèi)土體隆起值也不斷增大，同時(shí)隆起范圍也由基坑中心不斷向坑邊發(fā)展。在開(kāi)挖深度到4.0 m時(shí)，坑內(nèi)隆起達(dá)到最大約1.1 cm。

（3）從垂直方向上來(lái)看，基坑內(nèi)土體豎向變形影響范圍也隨著開(kāi)挖進(jìn)行而不斷向下部拓展。

（4）在開(kāi)挖過(guò)程中，坑內(nèi)土體隆起速率較小且平穩(wěn)，未發(fā)生豎向土體急劇變形現(xiàn)象，基坑處于穩(wěn)定狀態(tài)。

為了進(jìn)一步記錄基坑開(kāi)挖過(guò)程中土體的應(yīng)力狀態(tài)，在模擬中采用中張傳慶[8]提出的屈服接近度來(lái)對(duì)土體單元進(jìn)行監(jiān)測(cè)。屈服接近度就是土體應(yīng)力狀態(tài)接近屈服狀態(tài)的程度，其值在0～1之間，當(dāng)接近1時(shí)，說(shuō)明此時(shí)土體趨于穩(wěn)定；而當(dāng)其接近0時(shí)，就表明土體所受應(yīng)力接近其屈服強(qiáng)度準(zhǔn)則，即將達(dá)到屈服狀態(tài)。模擬過(guò)程中，利用程序自帶的Fish語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)基于摩爾—庫(kù)倫準(zhǔn)則的屈服接近度函數(shù)。每開(kāi)挖一層土，就調(diào)用一次函數(shù)，得到基坑土體屈服接近度分布情況。圖4為開(kāi)挖1.0～4.0 m時(shí)基坑土體屈服接近度云圖。

圖4 工況1土體屈服接近度云圖

由圖4可知

（1）在基坑開(kāi)挖到2.0 m深度過(guò)程中，坑內(nèi)土體均未達(dá)到塑性狀態(tài)，處于穩(wěn)定狀態(tài)。到開(kāi)挖深度達(dá)到2.0 m時(shí)，坑內(nèi)土體屈服接近度由上至下依次增加，表明基坑表面的土體將更易發(fā)生破壞。

（2）在開(kāi)挖2.0～4.0 m時(shí)，基坑底土體屈服接近度較小的區(qū)域自坑底表面以一定角度向下方發(fā)展，這些區(qū)域的土體將隨著開(kāi)挖進(jìn)行率先進(jìn)入到塑性階段。

（3）坑內(nèi)土體的屈服接近度由上至下逐漸增加，即土體隨深度增加而趨于穩(wěn)定。即：在開(kāi)挖過(guò)程中坑內(nèi)土體的屈服與破壞是從上至下依次發(fā)展的。

（4）互層土中粉砂層中屈服接近度較小區(qū)域隨著基坑的開(kāi)挖由兩側(cè)迅速向中間發(fā)展，最終整層粉砂均接近于屈服；而對(duì)于互層土中粘土層，其接近屈服的區(qū)域僅在基坑內(nèi)邊緣位置與上下粉砂層連通。

模擬中以隔水層塑性區(qū)貫通作為突涌發(fā)生的判定標(biāo)準(zhǔn)，圖5為工況1開(kāi)挖過(guò)程中土體單元的塑性區(qū)域，可以看出：

（1）開(kāi)挖到2.0 m時(shí)中，基坑內(nèi)土體均處于彈性變形階段，其所受應(yīng)力未達(dá)到屈服強(qiáng)度。

（2）開(kāi)挖到3.0 m處時(shí)，互層土最頂部的粉砂層開(kāi)始出現(xiàn)剪切屈服，其屈服區(qū)域較小，集中于坑底兩側(cè)，且其上下土層中均未出現(xiàn)屈服區(qū)域。

（3）開(kāi)挖深度達(dá)到4.0 m、即互層土上覆不透水粘土層被全部挖除后，互層土最頂部及其相鄰的下一層粉砂層中出現(xiàn)了大區(qū)域的剪切屈服區(qū)域，在坑底兩側(cè)還出現(xiàn)拉張屈服。對(duì)應(yīng)到工程實(shí)際，此時(shí)便是互層土頂部砂性土釋水階段，伴隨有“流水”、“流砂”現(xiàn)象。但這兩層粉砂層中間的粉質(zhì)粘土一直處于穩(wěn)定彈性變形階段，阻隔了兩層砂性土層的塑性區(qū)域的貫通，即釋水現(xiàn)象只發(fā)生于互層土1～2m范圍內(nèi)的粉砂層中，不會(huì)形成自下而上的涌水、涌砂的突涌破壞。

（4）對(duì)比土體屈服接近度云圖與土體塑性區(qū)域圖可以發(fā)現(xiàn)，土體屈服接近度與土體塑性區(qū)具有一致性，可以利用土體屈服接近度來(lái)預(yù)測(cè)土體中塑性區(qū)的產(chǎn)生區(qū)域。

圖5 工況1土體塑性區(qū)域分布圖

2.2 工況2——開(kāi)挖互層土層

此階段模擬分析時(shí)每次開(kāi)挖1.0 m，直至發(fā)生坑底突涌，具體結(jié)果如圖6～9。

圖6 工況2土體豎向變形云圖

（1）從圖6坑底土體隆起變形來(lái)看，坑底土體的隆起值不斷加大，在開(kāi)挖到6.0m時(shí)，坑底的隆起值達(dá)到了2.6cm。單從基坑土體的隆起值判斷，基坑坑底土體應(yīng)處于正常狀態(tài)，未發(fā)生變形過(guò)大的滲透破壞。

（2）圖7為開(kāi)挖過(guò)程中隆起值隨開(kāi)挖深度的變化曲線。從該曲線可知，在開(kāi)挖深度到5～6 m時(shí)，其坑底土體的隆起速率具有明顯的增大?？拥淄馏w隆起變形已由緩慢勻速變形階段發(fā)展到逐漸加速變形階段，在此階段基坑底板趨于不穩(wěn)定，隨時(shí)可能發(fā)生突涌。

（3）圖8為工況2條件下土體屈服接近度云圖，從圖中可以看出土體屈服接近度接近0的區(qū)域相比工況一有了大幅度的增加，互層土內(nèi)上部區(qū)域無(wú)論是粉砂層還是粉質(zhì)粘土層均已接近屈服。

圖7 坑底土體隆起值與開(kāi)挖深度曲線

圖8 工況2土體屈服接近度云圖

（4）屈服接近度接近0的區(qū)域在互層土中呈梯形分布。當(dāng)開(kāi)挖深度達(dá)6 m時(shí)，屈服接近度接近0的區(qū)域已向下發(fā)展至下部砂層中，據(jù)此分析基坑內(nèi)互層土層整體上接近不穩(wěn)定，且土層內(nèi)可能發(fā)展貫通至下部砂層的塑性區(qū)域，存在較大的坑底突涌風(fēng)險(xiǎn)。

（5）圖9為開(kāi)挖互層土層時(shí)土體的塑性區(qū)域分布圖。從圖中可以看出在開(kāi)挖到5 m時(shí)，互層土層除了頂層進(jìn)入了剪切屈服狀態(tài)，其內(nèi)部也開(kāi)始出現(xiàn)塑性區(qū)，但塑性區(qū)成層分布，相互之間沒(méi)有連通，因此此時(shí)坑內(nèi)互層土體趨近不穩(wěn)定，但還沒(méi)有發(fā)生突涌破壞。

（6）在開(kāi)挖至6 m時(shí)，互層土層內(nèi)塑性區(qū)大幅增加，并且上下之間相互聯(lián)系，由基坑坑底邊緣以一定的角度（約60°）向下方拓展，直至達(dá)到細(xì)砂層，形成了由坑底貫通至下部砂層的塑性區(qū)域，這就明顯標(biāo)志著基坑處于突涌不穩(wěn)定狀態(tài)。

圖9 工況2土體塑性區(qū)域分布圖

3 結(jié)論

運(yùn)用數(shù)值模擬方法，模擬了互層土基坑中坑底突涌的發(fā)展過(guò)程：在開(kāi)挖互層土層上覆粘土層時(shí)，基坑整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，僅頂部部分區(qū)域出現(xiàn)塑性屈服，達(dá)到了突涌不穩(wěn)定狀態(tài)；在開(kāi)挖互層土層時(shí)，土體的塑性區(qū)域不斷向下方發(fā)展，最終以一定角度與下方砂層塑性區(qū)貫通，基坑發(fā)生突涌。認(rèn)為數(shù)值模擬應(yīng)以塑性區(qū)貫通作為突涌發(fā)生的判定標(biāo)志。