雨水入滲對某明挖風(fēng)道邊坡穩(wěn)定性影響分析

陳 暉，翟 磊

（重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，重慶 400074）

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，城市地下軌道交通建設(shè)發(fā)展迅速，隧道下穿城市密集建筑物的情況十分頻繁。而與此同時(shí)，隧道附屬設(shè)施的建設(shè)也成為必須考慮的一個(gè)重要問題。近年來，城市地鐵建設(shè)基坑邊坡失穩(wěn)及坍塌事故時(shí)有發(fā)生，由此引發(fā)了地表沉降、基坑邊坡結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、鄰近建筑物破壞、地面隆起等環(huán)境問題，這些問題是由很多方面的因素造成的，其中施工土層的具體地質(zhì)情況是一個(gè)很重要的因素。在城市地鐵建設(shè)過程中，地鐵明挖風(fēng)道是在非飽和土層介質(zhì)環(huán)境中進(jìn)行。在施工過程中，風(fēng)道基坑邊坡在受到雨水入滲后穩(wěn)定性降低，很容易引起基坑邊坡變形，造成基坑地表沉降、邊坡失穩(wěn)甚至塌方等工程事故。為此，投入大量的精力和財(cái)力研究雨水入滲對基坑邊坡的影響。由于工程土體性質(zhì)的不同以及其它的多種不確定性因素，尚未形成統(tǒng)一的降雨條件下基坑邊坡變形的規(guī)律，如何安全順利地進(jìn)行基坑的開挖保證工程順利進(jìn)行，顯得特別重要。

1 工程背景

重慶市某地鐵車站明挖風(fēng)道位于重慶市江北區(qū)黃龍路和紅黃路的交匯處附近，地表不遠(yuǎn)處有一棟高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑，地面高程約為305m，地形平坦。此車站風(fēng)道利用明挖法進(jìn)行開挖（垂直開挖），開挖深度約為8m，長約12m，寬約5m，開挖土體為非飽和粉質(zhì)粘土。開挖過程中利用噴混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行支護(hù)，并設(shè)置有鋼支撐。開挖完成后，邊坡地表發(fā)生的較大沉降是在降雨持續(xù)一段時(shí)間后，其中測點(diǎn)2附近沉降最大（邊坡水平收斂值較小，在合理范圍之內(nèi)）。

2 基坑邊坡的穩(wěn)定性分析

在工程建設(shè)中，基坑邊坡土質(zhì)為非飽和土，基質(zhì)吸力都比較高。在降雨條件下，由降雨入滲到邊坡土體中，使得邊坡土體由非飽和狀態(tài)逐漸趨于飽和狀態(tài)，孔隙水壓力uw接近孔隙氣壓力ua，導(dǎo)致土體基質(zhì)吸力（ua－uw）趨于0，土體的抗剪強(qiáng)度也隨之下降。從而在理論上說明降雨入滲導(dǎo)致基坑邊坡抗剪強(qiáng)度降低，引起基坑邊坡變形，基坑周圍地表發(fā)生沉降。

2.1 邊坡飽和土的強(qiáng)度理論

對于飽和土的強(qiáng)度特性，可運(yùn)用摩爾－庫侖屈服準(zhǔn)則進(jìn)行描述。

摩爾－庫侖抗剪強(qiáng)度為

τf＝c＋σtanφ.

式中：τf為抗剪強(qiáng)度，c為有效凝聚力，σ為剪切面上的法向正應(yīng)力，φ為內(nèi)摩擦角。

2.2 邊坡飽和土朗肯土壓力

根據(jù)土的位移狀況得知，風(fēng)道邊坡的土壓力為主動土壓力。對于作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的土壓力，可用粘性土的朗肯主動土壓力計(jì)算。

式中：Ka為朗肯主動土壓力系數(shù)；且Ka＝tan；γ為土的重度；z為土的深度；c，φ為土的粘聚力和內(nèi)摩擦角。

2.3 邊坡飽和土的抗?jié)B流穩(wěn)定性分析

在土力學(xué)里，水在飽和土中的滲透過程服從達(dá)西定律，即水流的速度與水力梯度成正比，其比例系數(shù)稱為滲透系數(shù)。

Darcy（1856 年）在進(jìn)行飽和沙層的滲透試驗(yàn)時(shí)，假設(shè)土中水流速與其水力梯度成正比，這就是著名的達(dá)西定律，其表達(dá)式為

式中：ν為水的流速，k為土的滲透系數(shù)，h為水頭損失，L為滲流長度，i為水力梯度。

通過土體的滲流對土體施加力稱之為滲透力，滲透力常用單位土體上的力表示。

j＝γwi.

式中：i為水力梯度，γw為水的重度。

設(shè)土柱高度為l，土柱斷面積為A，則作用在土體上的滲透力為

ΔF＝iγwlA.

作用在土柱上的重力為

W＝lA（γ－γw）.

式中：γ為土的重度。

3 有限元模型的建立

3.1 模型的建立

在建立模型時(shí)做簡化處理：

1）由于是在降雨持續(xù)一段時(shí)間后才會發(fā)生的比較大的地表沉降，在分析時(shí)可以將非飽和土近似考慮成飽和土。

2）由于風(fēng)道邊坡水平方向設(shè)有支護(hù)結(jié)構(gòu)且邊坡水平收斂值較小，近似地認(rèn)為邊坡變形僅有地表沉降，而無水平收斂。

利用midas gts對基坑邊坡進(jìn)行有限元模擬，測點(diǎn)2處邊坡有限元模型如圖1所示。

圖1 有限元模型

3.2 模型變形前后

在模型結(jié)構(gòu)上施加荷載，風(fēng)道基坑邊坡模型變形前如圖2所示；荷載施加后，風(fēng)道基坑邊坡模型變形后示意圖如圖3所示。

模型計(jì)算結(jié)果顯示，風(fēng)道邊坡地表最大沉降值為46.04mm。

對比以上兩圖中風(fēng)道邊坡模型變形前后的變化，可以看出風(fēng)道邊坡在荷載作用下，變形特點(diǎn)：邊坡地表沉降主要是由上部結(jié)構(gòu)變形引起的；雨水的入滲導(dǎo)致的邊坡土體沉降值自上而下越來越??；邊坡沉降會造成基坑坑底隆起。

4 風(fēng)道地表位移監(jiān)測

根據(jù)相關(guān)規(guī)定，在邊坡開挖過程中，為保證施工安全和施工的順利進(jìn)行，對邊坡的地表沉降進(jìn)行監(jiān)控。

4.1 地表位移監(jiān)控量測警戒值

地表位移監(jiān)控量測警戒值如表1所示。

表1 地表位移監(jiān)控量測警戒值

4.2 監(jiān)測結(jié)果

根據(jù)業(yè)主及監(jiān)理方的要求，在施工單位的配合下，根據(jù)相關(guān)規(guī)定和施工過程的特點(diǎn)，在開挖的風(fēng)道周圍邊坡布置3個(gè)地表沉降測點(diǎn)，各測點(diǎn)地表沉降監(jiān)測結(jié)果如圖4～6所示（表中數(shù)據(jù)前面的“－”表示沉降）。

從監(jiān)控量測結(jié)果中可以看出，風(fēng)道邊坡在開始開挖直至12月9日前，地表沉降在合理范圍內(nèi)。風(fēng)道邊坡地表沉降數(shù)值在12月9日～12月13日這段時(shí)間內(nèi)顯著增大并超過警戒值。到12月13日之后地表沉降繼續(xù)減小并低于警戒值。

對比模型和監(jiān)控量測數(shù)據(jù)可知：監(jiān)控量測實(shí)測地表沉降值比有限元模型計(jì)算的地表沉降值要大，這是模型建立時(shí)簡化邊界條件的結(jié)果。

在風(fēng)道邊坡地表沉降大于警戒值之后，施工單位于12月12日采取措施治理：

1）在邊坡上按照相關(guān)要求增設(shè)錨桿支護(hù)、基坑內(nèi)加設(shè)鋼支撐穩(wěn)定基坑邊坡。

2）及時(shí)將基坑內(nèi)的水排出并進(jìn)行二次襯砌施工。

5 結(jié)束語

1）地鐵附屬結(jié)構(gòu)施工過程中，垂直開挖較深基坑時(shí)，要采取必要的支護(hù)措施。

2）雨季施工時(shí)，基坑邊坡穩(wěn)定性降低，容易使基坑邊坡地表產(chǎn)生較大沉降；邊坡沉降原因之一是由于雨水入滲導(dǎo)致邊坡上部土體沉降引起的；基坑邊坡沉降會造成基坑坑底隆起。

3）基坑邊坡施工過程中要注意加強(qiáng)支護(hù)，同時(shí)要進(jìn)行穩(wěn)定性分析；雨季施工時(shí)要注意加強(qiáng)監(jiān)控量測，并要隨時(shí)做好應(yīng)急預(yù)案以應(yīng)對施工突發(fā)狀況。

4）本文對于邊坡建模進(jìn)行簡化，邊坡土體土質(zhì)存在一些不確定性，所以，雨水入滲對邊坡變形影響的規(guī)律還需要要進(jìn)一步的研究完善。

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