降雨對非飽和殘積土中基坑受力變形影響的機理研究*

張小倩 李明廣 陳錦劍 林立華

(①上海交通大學土木工程系，上海 200240，中國)

(②上海市公共建筑和基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化運維重點實驗室，上海 200240，中國)

(③廈門路橋建設(shè)集團有限公司，廈門 361000，中國)

0 引 言

花崗巖殘積土是我國東南地區(qū)廣泛分布的一種特殊的區(qū)域性土壤，深度可達地下70im，且多數(shù)殘積土處于非飽和狀態(tài)。在天然非飽和狀態(tài)下，花崗巖殘積土孔隙比大、密度低、強度高、壓縮性小，工程性質(zhì)良好，但遇水后易發(fā)生軟化崩解，抗剪強度降低，承載能力下降。降雨入滲導致殘積土滑坡的報道屢見不鮮。受太平洋溫差氣流影響，我國東南地區(qū)常年遭受臺風影響，年平均降雨量超過1200imm。季節(jié)性的集中性降雨極易引起殘積土中基坑開挖變形增大，甚至會導致基坑坍塌。隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和交通網(wǎng)絡(luò)的不斷豐富，花崗巖殘積土成為巖土工程活動的重要材料和載體，同時其工程性質(zhì)也越來越突出，給巖土工程活動帶來巨大安全隱患。

國內(nèi)外諸多學者對于殘積土在降雨作用下的工程特性展開了大量研究。Rahardjo et al.(2012)通過室內(nèi)試驗探討了殘積土飽和與非飽和性質(zhì)隨深度的變異性，介紹了新加坡殘積土的土-水特征曲線(SWCC)變量范圍和性質(zhì)。Qian et al.(2016)定量研究了殘積土SWCC和導水率的變異性，并與飽和土性質(zhì)的不確定性進行了比較。Liu et al.(2020)通過模型試驗驗證了降雨作用下花崗巖殘積土的崩塌侵蝕過程，加深了對崩塌侵蝕機理的認識。Huang et al.(2009)通過室內(nèi)模型對降雨條件下邊坡內(nèi)部土體的含水率和孔壓響應進行研究。陳東霞等(2014)采用濾紙法測廈門殘積砂質(zhì)黏性土的基質(zhì)吸力，根據(jù)試驗結(jié)果建立了適用于廈門地區(qū)殘積土的 SWCC 模型。沈水進等(2011)通過物理模型試驗探討了雨水沖刷和滲透作用下的邊坡破壞機理?？子綮车?2014)利用 PLAXIS 軟件，通過簡化Bishop有效應力公式計算降雨對于邊坡穩(wěn)定性的影響。

現(xiàn)有研究(杜鋒等，2018；葉帥華等，2018；孫萍等，2019；沈佳等，2020)更多關(guān)注降雨對殘積土邊坡的影響，對降雨造成的殘積土中基坑支護結(jié)構(gòu)變形影響研究相對較少，已有研究(劉暢等，2020)不涉及降雨前后工程活動的影響，未探討降雨以及后續(xù)開挖共同影響下基坑變形響應。本文基于廈門石鼓山西通道項目，將數(shù)值模擬分析結(jié)果與現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)進行對比，探討了降雨對于基坑變形影響的機理，細致分析了降雨入滲以及后續(xù)開挖過程中的基坑變形特性。

1 工程案例

基坑位于廈門石鼓山立交附近，地鐵一號線區(qū)間隧道從下方穿過。基坑平面布置圖及尺寸如圖1所示，最終開挖深度約為13im。本案例中基坑主要采用長23im的鉆孔灌注樁作為圍護結(jié)構(gòu)，由于地下隧道的存在，AB段以及CD段圍護樁樁長為17im。由于地下水位較深(地下17im)，基坑未采用止水帷幕。基坑立面 Ⅰ-Ⅰ 剖面示意圖如圖2所示。

場地地表以下土層主要有5層，分別為雜填土、粉質(zhì)黏土、殘積粉質(zhì)黏土、全風化花崗巖、礫塊狀強風化巖和中風化巖。其中殘積粉質(zhì)黏土和全風化花崗巖作為圍護樁的主要持力層，其工程性質(zhì)對圍護樁變形起到重要控制作用。

基坑開挖至10im時(6月12日)遭遇連續(xù)10id的強降雨，6月12日至6月21日降雨量如圖3所示。降雨期間，基坑架設(shè)部分第二道支撐并施加預應力，但開挖面以上3im范圍內(nèi)未進行樁間網(wǎng)噴，樁間土裸露在外，坑內(nèi)積水嚴重。降雨結(jié)束后，基坑清淤開挖至坑底(-13im)?；?Ⅰ-Ⅰ 截面圍護樁變形實測值隨時間的變化如圖4所示，降雨期間基坑變形開始增加，開挖至坑底過程中基坑變形發(fā)生突增。

2 基坑降雨入滲的數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模擬計算方法

2.1.1 降雨入滲過程

降雨入滲是典型的飽和-非飽和滲流問題，降雨入滲量取決于降雨強度和土體滲透能力。入滲情況主要分為兩種：降雨強度小于土體的滲透能力時，入滲量等于降雨量，此時入滲邊界為流量邊界條件；當降雨強度大于土體的滲透能力，就會產(chǎn)生地表徑流和積水，發(fā)生有壓入滲，此時入滲邊界變?yōu)樗^邊界條件。

飽和土和非飽和土滲流中Darcy滲流定律均適用。因此根據(jù)Darcy滲流定律，飽和-非飽和滲流過程可描述為：

(1)

式中：H為總水頭；kx、ky分別為x、y方向的滲透系數(shù)；Q為邊界流量；mw為土-水特征曲線的斜率；γw為水的重度。

2.1.2 非飽和殘積土的力學行為描述

非飽和殘積土遇水崩解的特性受到諸多學者關(guān)注，其中張抒等(2013)通過試驗從微觀角度研究影響殘積土的崩解機制，結(jié)果表明非飽和花崗巖殘積土崩解性的主要控住因素為孔隙氣壓和基質(zhì)吸力。其中：基質(zhì)吸力對非飽和殘積土力學性質(zhì)的影響一直受到學者們的高度重視。因此，本文主要考慮基質(zhì)吸力的改變對殘積土力學性質(zhì)的影響。

土水特征曲線(SWCC)建立了土體基質(zhì)吸力和含水率之間的關(guān)系，同時反映了非飽和土滲透系數(shù)隨飽和度的變化，是描述非飽和土力學性質(zhì)的重要曲線。采用van Genuchten數(shù)學模型對廈門殘積土SWCC數(shù)據(jù)點進行擬合并引入到數(shù)值模型中，進而能夠反映降雨入滲引起殘積土飽和度的變化對基質(zhì)吸力的影響。其中：van Genuchten數(shù)學模型表達式如式(2)所示：

(2)

式中：Seff=(S-Sres)/(Ssat-Sres)，為土體的相對飽和度；Ssat和Sres分別為土體的飽和狀態(tài)下的飽和度和殘余飽和度；h為基質(zhì)吸力；ga、gn和gc為曲線擬合參數(shù)，控制土水特征曲線的形狀，其中，gc=(1-gn)/gn。

非飽和土相對滲透率(krel)定義為給定飽和度下的滲透率與飽和狀態(tài)下的滲透率之比。Van Genuchten(1980)基于Mualem(1976)的毛細管模型給出一組封閉方程來描述相對滲透率和飽和度之間的關(guān)系，如式(3)所示：

(3)

式中：gl為van Genuchten模型的參數(shù)，通常情況下該值等于0.5；其余參數(shù)與van Genuchten數(shù)學模型參數(shù)一致。

由于非飽和土是復雜的多相介質(zhì)，所以在數(shù)值分析中采用Bishop et al.(1963)提出的有效應力公式建立殘積土基質(zhì)吸力和有效應力間的關(guān)系，進行有效應力分析，獲得降雨入滲和基坑開挖對殘積土力學行為的影響。有效應力公式如下式所示：

σ′=σ-ua+χ(ua-uw)

(4)

式中：σ為總法向應力；σ′為有效應力；ua和uw分別為氣壓和水壓；(ua-uw)為基質(zhì)吸力；χ為基質(zhì)吸力系數(shù)，近似認為等于飽和度。

2.2 基坑降雨入滲的數(shù)值模型

采用有限元軟件PLAXIS建立數(shù)值模型如圖5所示。為消除模型邊界對基坑變形的影響，模型兩側(cè)邊界距基坑5倍開挖深度，采用法相約束，底部邊界距基坑底部3倍開挖深度，采用位移全約束，上部邊界為自由邊界。地下水位設(shè)為地表以下17im。模擬降雨過程時，施加與實際降雨量一致的降雨函數(shù)。當降雨強度小于土體的允許入滲量時，入滲量等于降雨量，當降雨強度超過該容量，規(guī)定入滲邊界處產(chǎn)生0.1im的積水。

Mohr-Coulomb(MC)模型是巖土工程中應用最多的模型。陳瑋等(2015)利用PLAXIS中的Mohr-Coulomb理想彈塑性模型對花崗巖殘積土邊坡的破壞形式和機理進行了研究，劉俊新等(2010)采用MC模型進行非飽和土流固耦合分析，同時現(xiàn)有文獻(李磊等，2013；左殿軍等，2014；張治國等，2015)證明MC模型參數(shù)易獲取且適用于深基坑的數(shù)值模擬分析。因此，本文土體采用基于Mohr-Coulomb屈服準則的理想彈塑性模型，基于現(xiàn)場地質(zhì)勘探報告確定的各土層力學參數(shù)及飽和滲透系數(shù)取值如表1所示。圍護結(jié)構(gòu)采用等效厚度為0.8im的板單元模擬，支撐采用點對點錨桿單元模擬，圍護結(jié)構(gòu)與土體之間的相互作用通過設(shè)置界面單元來模擬，折減系數(shù)設(shè)為0.75。圍護結(jié)構(gòu)和支撐均采用線彈性本構(gòu)模型，考慮到混凝土裂縫等問題造成的強度折減，混凝土材料的彈性模量和泊松比分別取25iGPa和0.2，鋼的彈性模量和泊松比分別取200iGPa和0.3。

表1 土體物理力學計算參數(shù)Table 1 Soil physical and mechanical calculation parameters

陳東霞(2014)通過非接觸濾紙法獲得廈門地區(qū)兩種殘積土的SWCC數(shù)據(jù)。本文利用Matlab采用van Genuchten數(shù)學模型對該數(shù)據(jù)進行參數(shù)擬合(楊改強等，2010)得到的關(guān)系曲線如圖6所示，并將擬合得到的參數(shù)引入到數(shù)值模型中。其余土層SWCC參數(shù)根據(jù)USDA數(shù)據(jù)集(Carsel et al.，1988)進行近似取值。

具體分析計算步驟包括10步，如表2所示。初始階段進行地應力平衡；然后施加2imm·d-1的降雨函數(shù)并進行穩(wěn)態(tài)滲流計算來模擬該地區(qū)的日常降雨；進行圍護結(jié)構(gòu)施工后，依次開挖并架設(shè)水平支撐；當開挖至地下10im時，發(fā)生降雨入滲，在降雨階段施加與實際降雨強度、降雨時長一致的降雨函數(shù)進行瞬態(tài)滲流分析，降雨結(jié)束后基坑繼續(xù)開挖直至坑底。同時，為對比分析有無降雨對基坑變形的影響，設(shè)置了無降雨情況下基坑開挖至坑底的工況。

表2 計算分析步驟Table 2 Calculation steps

2.3 計算結(jié)果驗證

圖7為數(shù)值計算得到的不同開挖階段圍護結(jié)構(gòu)側(cè)移與實測數(shù)據(jù)的對比情況。由圖7可知，數(shù)值計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)吻合較好，能夠準確反映降雨前后殘積土中基坑的變形情況。因此本文采用的有限元模擬方法能夠較為準確地反映降雨對殘積土工程性質(zhì)的影響。

對比有無降雨情況下開挖至坑底時圍護結(jié)構(gòu)的變形情況可知，無降雨情況下基坑最大側(cè)移約18imm，有降雨情況下基坑最大側(cè)移為43imm，基坑短樁有發(fā)生踢腳的趨勢。通過數(shù)值模擬分別獲得計算階段7～10情況下的安全系數(shù)，計算結(jié)果如表3所示。從表3可以看出，降雨入滲導致該基坑安全系數(shù)顯著下降，基坑穩(wěn)定性降低?；咏涤觊_挖至坑底后，短樁側(cè)產(chǎn)生明顯滑裂面如圖8所示。

表3 不同工況下的安全系數(shù)Table 3 Safety factors under different conditions

3 模擬結(jié)果分析

受到施工場地和監(jiān)測手段的限制，本案例施工現(xiàn)場僅安裝了測斜儀監(jiān)測圍護結(jié)構(gòu)側(cè)移，未進行孔隙水壓和圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)力監(jiān)測。由于基坑圍護結(jié)構(gòu)側(cè)移由水土壓力決定，而土水壓力的變化主要由于孔隙水壓力的改變，因此本文采用的數(shù)值分析計算得到的孔隙水壓和結(jié)構(gòu)內(nèi)力響應具有合理性。為分析降雨引起基坑變形增大的機理，本文通過數(shù)值模擬獲取土體孔隙水壓和結(jié)構(gòu)內(nèi)力響應，主要目的是對降雨作用下基坑土體孔隙水壓和結(jié)構(gòu)受力的分布特征和變化規(guī)律進行研究，為類似工程提供參考。

3.1 降雨開挖對孔隙水壓的影響

利用有限元軟件進行瞬態(tài)滲流模擬，得到降雨前后土體的基質(zhì)吸力分布如圖9所示。由圖9可知，降雨前由于基坑開挖導致坑底發(fā)生隆起，坑底土體在短時間內(nèi)產(chǎn)生負超孔隙水壓力，因此坑底基質(zhì)吸力大于坑外相同水平高度土體的基質(zhì)吸力值。降雨前后非飽和區(qū)的基質(zhì)吸力分布差異較大，降雨導致基坑內(nèi)外一定范圍內(nèi)基質(zhì)吸力大幅降低甚至喪失。

距離短樁5im處的土體基質(zhì)吸力和孔隙水壓沿深度方向的分布情況和變化規(guī)律分別如圖10和圖11所示。由圖10可知，降雨后地表處的土體基質(zhì)吸力最大。這是由于上部土層中填土和殘積土的飽和滲透系數(shù)大于降雨強度。在降雨過程中，非飽和殘積土入滲能力隨飽和度的增加迅速增大，導致降雨在滲流作用下迅速滲入地表以下并到達地下水位面附近，導致地下水位附近土體率先達到飽和狀態(tài)。降雨入滲導致地下水位升高并產(chǎn)生正的孔隙水壓，基坑持力層率先受到影響，進而影響基坑的整體穩(wěn)定性。所以相對于低滲透性的土體，殘積土地層中的基坑穩(wěn)定性更易受到降雨入滲的影響。

同時由圖10和圖11可知，降雨結(jié)束一段之間后，隨著正孔隙水壓力的消散和水分的蒸發(fā)，土體基質(zhì)吸力和孔隙水壓力有所恢復。

3.2 降雨開挖對基坑受力的影響

圖12和圖13為降雨結(jié)束以及開挖至坑底后基坑短樁所承受的水土總壓力以及樁身彎矩分布情況。由圖12和圖13可知，降雨結(jié)束后圍護樁所受的水土總壓力和樁身彎矩均有所增加，表現(xiàn)為降雨加劇了基坑圍護結(jié)構(gòu)變形。主要原因是降雨導致非飽和區(qū)土體重度增加，負孔隙水壓力減小，正孔隙水壓力增加，并產(chǎn)生了滲流力。由于第1層填土主要由碎石和沙礫組成，其滲透系數(shù)遠大于第2層粉質(zhì)黏土，滲透性差異使得降雨后兩層土的交界面附近降雨后水土總壓力劇增。降雨結(jié)束后，基坑開挖至坑底使坑內(nèi)被動區(qū)水土壓力迅速減小，基坑原有的平衡狀態(tài)被打破，基坑圍護結(jié)構(gòu)側(cè)移進一步增大，樁后水土總壓力變小，樁底彎矩增大。

4 機理探討

相對剪應力定義為土體實際剪應力與相同正應力水平下土體所能承受的最大剪應力之比，則A點和B點的相對剪應力發(fā)展如圖15所示。由圖15可知，兩處土體的相對剪應力隨開挖和降雨進程發(fā)展不斷增加，最終達到極限值。由上述結(jié)果可知，降雨對殘積土工程性質(zhì)產(chǎn)生顯著影響，降雨后的開挖活動是導致本文案例中基坑變形突增的重要原因，所以應重點關(guān)注降雨過程以及降雨后的工程活動。

5 結(jié) 論

降雨入滲使非飽和花崗巖殘積土軟化崩解，抗剪強度和承載能力下降，易導致花崗巖殘積土中基坑在施工過程中產(chǎn)生過大變形，甚至發(fā)生坍塌。針對這一問題，本文以廈門殘積土中基坑開挖案例為背景，采用數(shù)值模擬方法進行瞬態(tài)滲流分析，考慮了降雨入滲作用下非飽和殘積土滲透系數(shù)、基質(zhì)吸力的動態(tài)變化，探討了降雨入滲及后續(xù)開挖對殘積土中基坑變形增大的影響機理，得到結(jié)論如下：

(1)降雨入滲導致殘積土層的非飽和區(qū)基質(zhì)吸力降低，水位面升高并產(chǎn)生正孔隙水壓力，圍護結(jié)構(gòu)主動區(qū)水土壓力增加，導致基坑變形增大，易產(chǎn)生滑裂面，并造成基坑整體穩(wěn)定性降低。在進行設(shè)計和施工時，應當重視降雨對殘積土中基坑開挖的不利影響。

(2)當降雨強度小于殘積土入滲能力時，雨水將全部滲入土層，基坑持力層殘積土率先達到飽和狀態(tài)，進而導致基坑持力層殘積土抗剪強度大幅降低。所以相對于低滲透性的土體，飽和滲透系數(shù)高的花崗巖殘積土地層中的基坑穩(wěn)定性更易受到降雨入滲影響。

(3)降雨入滲導致非飽和殘積土平均有效應力降低，抗剪強度降低。但是由于基坑在支護結(jié)構(gòu)的作用下處于動態(tài)的受力平衡狀態(tài)，殘積土所受剪力變化幅度較小。降雨結(jié)束后的開挖活動打破基坑原有平衡狀態(tài)，主動區(qū)殘積土平均有效應力進一步降低而承受的剪力增加，導致大部分樁底殘積土達到臨界抗剪強度，是本文案例基坑變形突增的直接誘發(fā)因素。所以，在殘積土地層基坑工程中要重點關(guān)注降雨后的開挖活動。