武漢地區(qū)厚互層土中基坑抗突涌破壞評價方法研究

熊宗海，馮曉臘，張紅章，范衛(wèi)琴，程華強(qiáng)

(1.武漢豐達(dá)地質(zhì)工程有限公司，湖北 武漢 430074；2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；3.武漢市橋梁工程有限公司，湖北 武漢 430074)

基坑坑底以下有水頭高于坑底的承壓水含水層時，在承壓水作用下坑底易發(fā)生突涌災(zāi)害或上浮失穩(wěn)[1]，特別是在武漢、上海、杭州等城市[2]。由于存在相對隔水層，基坑坑底的突涌通常假定為整體頂升[3-6]，并且可用壓力平衡法、均質(zhì)連續(xù)梁板法和數(shù)值模擬[7]計算抗突涌安全系數(shù)；也有的試驗認(rèn)為是先出現(xiàn)裂隙，再產(chǎn)生滲透破壞[8]。在《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ120—2012)[9]中，規(guī)定突涌穩(wěn)定性安全系數(shù)不應(yīng)小于1.1。《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021—2001)(2009年版)3.3.6條[10]規(guī)定，對同一土層中相間呈韻律沉積，當(dāng)薄層與厚層的厚度比大于1/3時，宜定為“互層”。武漢的互層土由黏土、粉質(zhì)黏土、粉土和粉細(xì)砂組成[11]，兼具隔水層與含水層的性質(zhì)。出于工程安全考慮，在基坑抗突涌驗算時常將互層土與下部砂土含水層看作整體的承壓含水層。這種做法明顯和實際不符，如武漢長江隧道江北明挖段在開挖基坑內(nèi)厚互層土層時，突然停電，導(dǎo)致基坑內(nèi)降水井的水位迅速攀升至坑底以上3 m位置，然而坑底厚互層土層并未出現(xiàn)開裂或涌水、涌砂現(xiàn)象。在恢復(fù)供電之前基坑一直處于穩(wěn)定狀態(tài)。由此可見，單純將厚互層土作為承壓含水層考慮十分保守，造成浪費。

丁春林等[12]分析了坑底弱透水層厚度、土黏聚力和內(nèi)摩擦角等因素對基坑突涌塑性破壞的影響，得出坑底弱透水厚度和土黏聚力與坑底土突涌塑性破壞成非線性反比關(guān)系。李軍等[13]通過簡易的基坑突涌物理試驗，張飛等[14]通過突涌離心模型試驗，均驗證了基坑基底中間部位最先發(fā)生破壞的現(xiàn)象。王軍璽等[15]在Biot固結(jié)理論基礎(chǔ)上，建立了基坑突涌分析水力劈裂耦合模型，得出突涌始于基底隔水層所發(fā)生的張拉破壞，初始張拉裂縫的水壓楔劈效應(yīng)所導(dǎo)致的水力劈裂為基坑突涌提供了通道。李瑛等[16]基于坑底土體沿鉛垂面整體剪切破壞的假定，提出可考慮坑底土體抗剪強(qiáng)度、深坑幾何尺寸和坑底加固的突涌穩(wěn)定性計算公式，得出坑底隔水層的側(cè)面積和頂面積的比值越大，突涌穩(wěn)定性越好。

由此可見，將隔水層作為整體研究的較多，考慮厚互層土抗突涌的研究較少。本文從實際出發(fā)，考慮土體的重度、黏聚力、土體間的摩擦力并把厚互層土視為隔水層，建立了厚互層土基坑抗突涌穩(wěn)定性分析模型，并提出相應(yīng)的突涌穩(wěn)定性安全系數(shù)計算公式，比目前規(guī)范規(guī)定的分析方法更接近實際，為重新定義互層土在基坑抗突涌穩(wěn)定性中的作用進(jìn)行了有益探索。

1 厚互層土突涌破壞判別方法

互層土主要由黏性土隔水層與砂性土含水層交互構(gòu)成，可以視為多個薄層承壓含水層組成的體系。因此抗突涌穩(wěn)定性分析時，可以對厚互層土中每個薄層承壓水含水層進(jìn)行計算分析，根據(jù)突涌不穩(wěn)定薄層承壓含水層的受力情況，再進(jìn)一步判斷基坑是否存在整體突涌的風(fēng)險，具體如下：

(1)當(dāng)計算結(jié)果表明抗突涌不穩(wěn)定僅局限于厚互層土小范圍時，應(yīng)當(dāng)判定此時基坑不會發(fā)生突涌，即處于穩(wěn)定狀態(tài)。如果抗突涌不穩(wěn)定區(qū)域只在厚互層土頂部，并未深入互層土含水層中，其少數(shù)幾個薄層承壓水含水層賦存水量十分有限，因此往表現(xiàn)為互層土頂部的少量釋水而形成“流水”、“流砂”現(xiàn)象(圖1)。此時突涌的水量會迅速衰減，由于無持續(xù)水源，表層突涌并不會影響工程的質(zhì)量與安全。所以這種情況下，可以認(rèn)定為基坑未發(fā)生坑底突涌災(zāi)害。

(2)當(dāng)計算結(jié)果表明厚互層土含水層突涌不穩(wěn)定區(qū)域貫通至下部砂層時，則應(yīng)當(dāng)判定為基坑發(fā)生突涌。此時發(fā)生突涌的范圍將與下部高承壓含水砂層貫通，基坑將出現(xiàn)持續(xù)不斷的大量涌水涌砂，會嚴(yán)重影響工程的施工，甚至威脅基坑的安全，如武漢市江漢區(qū)常青路中石油大廈就是由于坑底長時間大量涌水冒砂導(dǎo)致基礎(chǔ)難以施工。

2 關(guān)于將厚互層土層視為隔水層的證明

2.1 互層土基坑突涌發(fā)展模式

根據(jù)土層的沉積動力由強(qiáng)到弱，顆粒由粗到細(xì)，建立互層土層模型(圖2)，底部為砂土層，屬透水層；中間為砂土和黏土的厚互層土；上部為黏土層，屬于隔水層。設(shè)厚互層土層上覆黏土厚度為b，互層土層中黏性土各層厚度由上至下的厚度依次為h1，h2，h3，…，hn-1，hn，互層土層中砂性土各層厚度依次為H1，H2，H3，…，Hn-1，Hn，且互層土中各砂層水頭高度一致，高出互層土頂部的距離均為a。

對于互層土中第n-1層砂性土，其承壓水對上部土層的水壓力為：

(1)

式中：Pn-1——第n-1層砂性土對上部土層的水壓力；

hi——第i層黏性土層厚；

Hi——第i層砂性土層厚；

γw——水的重度。

第n-1層砂性土上部土層因自重引起的抗力為：

(2)

式中：Rn-1——n-1層砂性土上部土層的自重應(yīng)力；

γb——互層土上覆黏土重度；

γh——互層土中黏性土重度；

γH——互層土中砂性土重度。

根據(jù)壓力平衡法[1]，第n-1層砂性土的抗突涌安全系數(shù)kn-1為：

(3)

若kn-1=1，即第n-1層砂性土上覆土層處于臨界狀態(tài)。那么對于第n層砂性土來說，其對上部土層的水壓力：

Pn=Pn-1+(hn+Hn-1)·γw

(4)

第n層砂性土上部土層因自重引起的抗力為：

Rn=Rn-1+hn·γh+Hn-1·γH

(5)

由于互層土中黏性土與砂性土的重度要大于水的重度，即γh>γw，γH>γw，顯然有Pn

(6)

因此當(dāng)?shù)趎-1層砂性土上覆土層處于抗突涌穩(wěn)定的臨界狀態(tài)時，以第n層砂性土計算，土層應(yīng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，不會發(fā)生基坑突涌。同理可證明，互層土中第n層砂性土下方土層均為抗突涌穩(wěn)定。抗突涌不穩(wěn)定區(qū)域僅在第n-1層砂性土層及上覆土層，而其下方的互層土層處于穩(wěn)定狀態(tài)。

由此可見，互層土并非整體達(dá)到抗突涌不穩(wěn)定，而是逐層發(fā)展。如果其抗突涌不穩(wěn)定區(qū)域僅局限在互層土上層部分薄層中時，應(yīng)當(dāng)判定為基坑整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2 武漢地區(qū)互層土基坑突涌不穩(wěn)定范圍

武漢地區(qū)互層土的平均天然重度為17～19 kN/m3，互層土中砂性土的承壓水頭高出互層土頂部1～2 m。水的重度取10 kN/m3，其典型斷面土體參數(shù)如表1所示。

隨著土體不斷的開挖，互層土中抗突涌不穩(wěn)定的區(qū)域逐漸向下部拓展，因此當(dāng)上覆不透水黏土層被完全挖除后，其抗突涌臨界狀態(tài)范圍達(dá)到最大，此時：

Rn=H·γH

(7)

Pn=(a+H)·γw

(8)

式中：H——第n層砂性土上部互層土的厚度；

γH——互層土的天然重度。

表1 武漢地區(qū)典型互層土分布情況Table 1 Typical Distribution of inter bedded soil engineering in Wuhan

當(dāng)Rn=Pn時，求得極限厚度Hmax為2.0～3.0 m。即在開挖互層土上覆不透水黏土層整個過程中，互層土出現(xiàn)突涌不穩(wěn)定的范圍集中于頂部2.0 m厚度范圍內(nèi)，而武漢地區(qū)大部分深厚互層土的厚度在7～12 m間，局部甚至可達(dá)20 m。因此對于發(fā)育有深厚互層土的基坑，在開挖互層土上覆土層過程中，互層土突涌不穩(wěn)定區(qū)域只在其頂部小部分范圍內(nèi)，而其下部大部分仍然處于穩(wěn)定狀態(tài)，表現(xiàn)出隔水層的性質(zhì)。在此種情況下，如將互層土作為承壓含水層進(jìn)行抗突涌驗算顯然是不合理的，應(yīng)當(dāng)將其作為隔水層處理。

3 互層土基坑突涌計算模型及公式

根據(jù)土體滲透破壞類型，坑底突涌可分為面積力失穩(wěn)破壞和體積力失穩(wěn)破壞，如圖3所示，圖中F為承壓含水層水壓力，J為滲透力。

圖3 基坑滲透破壞受力驗算示意圖Fig.3 Schematic diagram of foundation pit seepage failure calculation

針對某一種上覆土層只能采用其中一種計算分析方法，這是由于滲透體積力是孔隙水壓力梯度的體現(xiàn)，反映了孔隙水壓力的變化規(guī)律。而此時，上覆土底部水壓力與土體內(nèi)部孔隙水壓力自平衡，因此不能再計入接觸面的面積力[4]。實際工程中，面積力失穩(wěn)表現(xiàn)為坑底土表面出現(xiàn)網(wǎng)狀裂縫；體積力失穩(wěn)則表現(xiàn)為坑底涌水、涌砂。對于坑底為弱透水互層土的基坑，基坑突涌形式常常為后者[7,17]。所以下面按體積力失穩(wěn)建立相關(guān)計算模型。

由于互層土中各交互單元層較薄，在武漢地區(qū)勘察時并未對其精細(xì)分層，往往依據(jù)現(xiàn)場及室內(nèi)試驗對其物理力學(xué)性質(zhì)及水文特征采取綜合取值。基于此，針對互層土地區(qū)基坑突涌分析模型提出以下假設(shè)：①互層土層中各分層水頭一致；②將互層土層看作均一土層，物理力學(xué)指標(biāo)與勘察報告中綜合取值一致。

圖4為考慮土體強(qiáng)度時的基坑坑底單元體受力分析圖。單位土體的穩(wěn)定條件如下[18]：

圖4 出滲面單位土體受力分析Fig.4 Stress analysis diagram of the unit of the seepage surface

(1)滲透力J=γwi；

(2)土體自重與浮力的合力γ′；

(4)單位土體所受的黏聚力c。

因此坑底互層土層土產(chǎn)生突涌的條件為[18]：

(9)

(10)

(11)

則坑底土體產(chǎn)生突涌滲透破壞的條件為：

i≥ic

(12)

式中：i——坑底互層土層中水力坡降；

ic——土體突涌破壞臨界水力坡降；

ξ——坑底互層土側(cè)壓力系數(shù)。

圖5 互層土坑底突涌計算示意圖Fig.5 Schematic diagram of calculation at the bottom of foundation pit in interbedded soil

圖5為互層土坑底突涌計算簡圖。由于厚互層土層中賦存有弱承壓水，因此在坑底突涌驗算中應(yīng)當(dāng)考慮其中地下水的影響。在厚互層土內(nèi)部地下水作用下達(dá)到滲透破壞狀態(tài)的土體中，會形成一定的“流水”和“流砂”通道。同時由于土顆粒受到滲透力的頂托松動，其間的摩擦力及黏聚力將會大大減弱，故在后續(xù)的坑底突涌驗算中不考慮這部分土體的摩擦阻力及黏聚力的影響，可以增加安全儲備?；诖?，首先計算由厚互層土內(nèi)部的地下水作用而達(dá)到滲透破壞狀態(tài)的土體深度，僅考慮上部土體浮重引起的突涌抗力：

(13)

式中：d——互層土中地下水作用下達(dá)臨界水力梯度土層深度/m；

γ′——坑底互層土平均浮重度/(kN/m3)；

hw——互層土含水層的承壓水頭/m；

γw——水的重度，取10 kN/m3；

因此在下部砂層高水頭滲透力作用下，厚互層土層提供的抗力可看作兩部分：①基坑底互層土層總厚度D土體的浮重；②(D-d)厚度互層土層土體間的摩擦阻力及黏聚力?？拥缀窕油翆赢a(chǎn)生突涌滲透破壞的臨界條件為：

(14)

式中：D——基坑底互層土的厚度/m；

φ——坑底互層土平均內(nèi)摩擦角/(°)；

c——坑底互層土平均黏聚力/kPa。

可進(jìn)一步得到互層土地區(qū)基坑突涌計算公式：

(15)

式中：k——坑底抗突涌安全系數(shù)。

4 工程案例分析

以武漢華潤萬象城基坑工程為例，鉆孔揭露土層自上而下分布依次為黏土、厚互層土、粉細(xì)砂，其中厚互層土物理力學(xué)指標(biāo)如表2所示，厚互層土中承壓水頭高度在互層土頂部1.0 m處，下部砂層承壓水頭高度位于厚互層土頂部3.0 m。

將公式(15)與規(guī)范[9]及其他文獻(xiàn)[17，19～20]所用方法進(jìn)行比較，計算結(jié)果如圖6所示。

表2 武漢萬象城基坑工程中厚互層土物理力學(xué)指標(biāo)Table 2 Physical and mechanical indexes of interbedded soil in Wuhan Wanxiang Foundation Pit

圖6 各種方法計算所得抗突涌安全系數(shù)對比圖Fig.6 Comparison of anti-surge safety factors calculated by various methods

(1)在考慮厚互層土的土體強(qiáng)度后，坑底抗突涌安全系數(shù)為3.5，規(guī)范采用的壓力平衡法計算安全系數(shù)為1.5，本方法約為規(guī)范方法的2.2倍。因此按照本方法計算坑底突涌穩(wěn)定性將比只考慮土體自重更接近工程實際、更經(jīng)濟(jì)。

(2)本文計算方法得到的結(jié)果與文獻(xiàn)[19]及[20]存在較大偏差，主要是計算原理不同。文獻(xiàn)[19]針對的是不透水的黏土層，從面積力失穩(wěn)的角度進(jìn)行分析，以黏土層部分頂升作為坑底突涌破壞形式，從而推導(dǎo)出考慮黏土強(qiáng)度的突涌計算方法?；油翆哟瓜蛏暇邆淙跬杆?，在突涌中往往表現(xiàn)為流土、流砂形式的滲透破壞，與黏土層在水壓力作用下的發(fā)生的頂裂、頂升突涌破壞形式存在明顯不同。因此基于不透水層的計算方法不適合于厚互層土。

(3)文獻(xiàn)[17]中弱透水層的計算方法與本節(jié)提出的方法結(jié)果相近。原理上兩者相似，均從坑底土突涌滲透破壞的力學(xué)機(jī)理出發(fā)，充分考慮動水壓力，即滲透力的影響，建立了基坑抗突涌穩(wěn)定分析模型。雖然厚互層土層在垂向上呈弱透水性，但是還需考慮到互層土層中賦存的弱承壓水對土體突涌穩(wěn)定的影響，因此本節(jié)提出方法的計算結(jié)果稍小于文獻(xiàn)[17]中計算結(jié)果。

5 結(jié)論

(1)在合理的簡化與假設(shè)情況下，將厚互層土含水層看作多個薄層承壓含水層，采用壓力平衡方法判定突涌不穩(wěn)定區(qū)域。得出在開挖厚互層土上覆黏土層時，突涌不穩(wěn)定區(qū)域僅局限于頂部的1～2 m小范圍內(nèi)，基坑整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，說明此時可以將厚互層土層看作隔水層。

(2)建立了厚互層土基坑抗突涌穩(wěn)定分析模型，并提出相應(yīng)的突涌穩(wěn)定性安全系數(shù)計算公式。結(jié)合武漢某深基坑工程，計算出厚互層土突涌穩(wěn)定性安全系數(shù)，與《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》和現(xiàn)有文獻(xiàn)計算結(jié)果進(jìn)行了對比，得出本方法計算結(jié)果是規(guī)范法的2.2倍，與現(xiàn)有文獻(xiàn)計算結(jié)果相近，更符合工程實際，但仍需大量工程實踐的檢驗。