波動(dòng)承壓水作用下基坑底部弱透水層超靜孔壓試驗(yàn)研究

應(yīng)宏偉，王迪，許鼎業(yè)，章麗莎

(1.河海大學(xué) 巖土工程科學(xué)研究所，江蘇 南京，210098；2.浙江大學(xué)濱海和城市巖土工程研究中心，浙江杭州，310058；3.浙江省城市地下空間開發(fā)工程技術(shù)研究中心，浙江杭州，310058；4.浙江大學(xué)城市學(xué)院土木工程系，浙江杭州，310015)

隨著沿海地區(qū)城市快速發(fā)展，開發(fā)利用城市地下空間是現(xiàn)代化城市建設(shè)的重要內(nèi)容和發(fā)展方向。在承壓含水層場(chǎng)地開挖基坑中不可回避基底弱透水層的突涌穩(wěn)定問題，對(duì)承壓水考慮不周將引起大量工程事故[1-3]，尤其是在臨海、沿江地區(qū)，承壓含水層還受到河流、潮波和人工抽水回灌等影響[4-5]，承壓水位往往具有動(dòng)態(tài)變化特性。波動(dòng)承壓水通過弱透水層底板發(fā)生越流，可能會(huì)對(duì)基坑穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。目前，針對(duì)恒定承壓水作用下基坑坑底抗突涌穩(wěn)定性問題，國內(nèi)外學(xué)者已進(jìn)行了大量的研究。HONG等[6]通過數(shù)值模擬研究了基坑底板在承壓水作用下觸發(fā)機(jī)理和破壞機(jī)理；丁春林[7]總結(jié)了既有基坑突涌穩(wěn)定分析方法，指出當(dāng)坑底為不透水層土?xí)r，應(yīng)從土體塑性破壞角度分析，當(dāng)坑底為弱透水層土?xí)r，應(yīng)從滲透破壞角度分析；弱透水層土單元不僅要承受承壓水頭壓力的作用，還要承受動(dòng)水壓力(滲透力)的作用[8]。在滲透力的作用下，坑底土體可能發(fā)生潛蝕、管涌、流土等現(xiàn)象[9-13]，而這些現(xiàn)象難以用強(qiáng)度理論和壓力平衡理論[14-17]解釋。因此，應(yīng)考慮弱透水層的滲透性，分析承壓水在基坑底板越流情況。關(guān)于承壓水頭或邊界水位變化引起弱透水層越流的問題研究，王玉林等[18]分析了承壓水位上升時(shí)基坑底板土層孔隙水壓力和有效應(yīng)力的變化；CONTE 等[19]根據(jù)一維弱透水層越流模型，得出了明水位波動(dòng)下弱透水層超孔壓表達(dá)式；章麗莎等[20]推導(dǎo)了動(dòng)態(tài)承壓水作用下坑底弱透水層孔壓響應(yīng)解析解。這些研究均從理論方面對(duì)波動(dòng)承壓水作用下弱透水性基坑的孔壓響應(yīng)問題進(jìn)行探討[14]，但尚未開展相關(guān)試驗(yàn)研究。本文作者研制了可模擬承壓水動(dòng)態(tài)變化的室內(nèi)一維圓筒試驗(yàn)裝置，從試驗(yàn)角度對(duì)波動(dòng)承壓水作用下弱透水性土層孔隙水壓力變化規(guī)律進(jìn)行研究，為后續(xù)動(dòng)態(tài)承壓水作用下深基坑突涌演化和地基弱透水層越流等問題的研究奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 工程背景及試驗(yàn)裝置

圖1所示為杭州錢塘江區(qū)域某深大基坑開挖剖面圖，基坑坑底坐落在黏質(zhì)粉土弱透水土層中，其下為承壓含水層，圍護(hù)墻采用地下連續(xù)墻，地連墻未隔斷承壓含水層，承壓水與附近的錢塘江存在水力聯(lián)系，根據(jù)該區(qū)域長期承壓水觀測(cè)孔數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)顯示，承壓水位長期處于波動(dòng)狀態(tài)。

圖1 濱海地區(qū)基坑剖面示意圖Fig.1 Schematic of deep excavation in coastal area

對(duì)于平面尺寸較大的基坑，其坑底中心區(qū)域土層滲流問題可簡(jiǎn)化為一維問題進(jìn)行分析?；诖?，本文自主研制了動(dòng)態(tài)承壓水作用下基坑底部弱透水層孔壓響應(yīng)的一維圓筒試驗(yàn)裝置，用于模擬坑底中心區(qū)域土體受承壓水波動(dòng)的作用(如圖2所示)。裝置主要由2 節(jié)有機(jī)玻璃圓筒單元組成，每節(jié)高度為25 cm，內(nèi)徑為20 cm，通過環(huán)箍將2節(jié)有機(jī)玻璃圓筒單元拼接在一起，單元間設(shè)有防水膠圈，保證試驗(yàn)過程中的氣密性；在圓筒側(cè)壁每隔5 cm 環(huán)形布設(shè)孔壓計(jì)，從下往上依次編為P1～P8，其中，P4和P5間隔為10 cm。在筒體各測(cè)點(diǎn)位置開有小孔，使得土體內(nèi)部的水能進(jìn)入固定在側(cè)壁的孔壓計(jì)，從而對(duì)土體內(nèi)部變化的孔壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)采集。底部水室安裝孔壓計(jì)P0，用于記錄承壓水變化情況。圓筒底部水室連接外部水壓裝置，以此向土樣施加可變的承壓水壓力，水壓裝置主要由2個(gè)不同高度的可移動(dòng)溢流水箱分別連接圓筒底部水室，較低水箱用于控制承壓水初始水位H，較高水箱與較低水箱高度之差用來模擬承壓水變化幅值h。通過由電子閥門和計(jì)時(shí)器聯(lián)合組成控制開關(guān)定時(shí)開閉閥門來連通2個(gè)水箱交替向水室施加水壓力，以此實(shí)現(xiàn)承壓水位的交替變化。

圖2 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)示意圖Fig.2 Schematic diagram of test device

1.2 土樣制備和試驗(yàn)過程

為便于制作土樣和加快試驗(yàn)進(jìn)程，試驗(yàn)采用土體為錢塘江黏質(zhì)粉土，其物理力學(xué)參數(shù)見表1，粒徑級(jí)配曲線如圖3所示。

在試驗(yàn)前，將風(fēng)干土樣打碎，過孔徑為1 mm篩子。試驗(yàn)采用分層壓實(shí)方法裝樣，按照設(shè)定的干密度反算出每層制樣所需干土質(zhì)量，考慮到風(fēng)干土可塑性較差，制樣過程中加入15%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的脫氣水拌合均勻，悶濕24 h 后裝入圓筒，每層裝樣完成后對(duì)其表面刮毛，再填入下一層，直至土樣設(shè)計(jì)高度。為了減少土樣的飽和度對(duì)孔壓滯后的影響，試驗(yàn)中采用抽氣飽和法對(duì)土樣進(jìn)行排除空氣，同時(shí)，通過外部水箱將脫氣水自下而上通入圓筒內(nèi)，控制水箱高度和進(jìn)水速率，從而使土體獲得更高飽和度。土樣充分飽和24 h 后，移除上蓋，將水箱提升至預(yù)設(shè)的高度來設(shè)定承壓水初始水位H，待其達(dá)到滲流穩(wěn)定后進(jìn)行承壓水位波動(dòng)試驗(yàn)；施加幅值為h的矩形波動(dòng)水壓，并對(duì)各測(cè)點(diǎn)的孔壓值進(jìn)行采集，由水位開始波動(dòng)后的總孔壓扣除試驗(yàn)初始靜孔壓即為各測(cè)點(diǎn)的超孔壓。

表1 土樣的基本參數(shù)Table 1 Parameters of soil

圖3 試驗(yàn)土樣粒徑級(jí)配曲線Fig.3 Gradation curve of grain diameter for soil sample

1.3 試驗(yàn)參數(shù)

試驗(yàn)中模擬矩形波動(dòng)變化的承壓水，通過改變承壓水波動(dòng)要素(周期、幅值、初始水位)研究不同情況下弱透水層孔壓響應(yīng)規(guī)律，承壓水波動(dòng)要素試驗(yàn)參數(shù)如表2所示。

表2 承壓水波動(dòng)要素試驗(yàn)參數(shù)Table 2 Test parameters of confined water fluctuating factors

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 土體超孔壓變化特性

圖4 所示為承壓水初始水位為80 cm，周期為6 min，變化幅值為25 cm條件下P0，P1，P3和P5處超靜孔壓隨時(shí)間變化曲線。從圖4可見：試驗(yàn)中控制外部承壓水位矩形變化比較理想?？偝讐河烧袷幊讐篜osc和平均超孔壓Pave組成，平均超孔壓為每個(gè)振蕩周期超孔壓的平均值，振蕩超孔壓圍繞著平均超孔壓波動(dòng)；平均超孔壓呈曲線增長，到達(dá)穩(wěn)定值之后保持不變；比較P1，P3和P5測(cè)點(diǎn)超孔壓對(duì)承壓水變化的響應(yīng)時(shí)間可以發(fā)現(xiàn)，土體不同深度處的超孔壓中對(duì)承壓水變化響應(yīng)存在著滯后，即越靠近土層表面，超孔壓響應(yīng)所需的時(shí)間越長。

為方便比較土體內(nèi)部各點(diǎn)超孔壓沿深度的變化規(guī)律，取P0處的平均超孔壓為振蕩超孔壓幅值的1/2，即P0ave=1/2P0osc，以土樣底部為坐標(biāo)原點(diǎn)，方向向上為正，繪制Posc/P0osc與z/L，Pave/P0ave與z/L歸一化曲線如圖5所示，其中，L為土樣高度，在本試驗(yàn)中L=0.5 m。從圖5 可以看出：振蕩超孔壓幅值比值隨著傳播距離增加而迅速衰減，在0.1L處已經(jīng)衰減了57%，在0.4L處只有0.04P0osc，在距離土面0.4L內(nèi)土體孔壓不發(fā)生振蕩；平均超孔壓比值在深度方向上呈現(xiàn)曲線分布，在土體表面以下0.2L處基本降為0；綜合來說，在距離土體表面0.2L范圍內(nèi)的超孔壓不受到承壓水波動(dòng)的影響。

2.2 承壓水變化要素對(duì)超孔壓的影響

2.2.1 承壓水波動(dòng)周期對(duì)超孔壓的影響

圖6 所示為承壓水初始水位為80 cm，波動(dòng)幅值為25 cm，周期分別為2，6，10，14 min時(shí)，土體內(nèi)部超孔壓隨時(shí)間變化曲線。從圖6(a)可以看出：Posc/P0osc隨著周期的長短而呈現(xiàn)不同規(guī)律，周期越長，振蕩超孔壓沿著滲流路徑衰減越慢且振蕩幅度越大；周期越短，承壓水波動(dòng)影響范圍就越小，周期為2 min時(shí)，在0.4L處振蕩超孔壓趨近于0；隨著周期的增加，相鄰2 組振蕩超孔壓衰減曲線差異越小。各曲線在距土層頂面0.4L處，振蕩超孔壓均基本衰減為0，表明土面以下0.4L深度內(nèi)超孔壓基本沒有出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。

圖4 承壓水波動(dòng)下土體內(nèi)部典型超孔壓響應(yīng)曲線Fig.4 Typical excess pore pressure response curves of soil under confined water fluctuation

圖5 振蕩超孔壓幅值比值和平均超孔壓比值沿深度分布曲線Fig.5 Distribution of oscillating and average excess pore pressure along depth

從圖6(b)可以看出：在初始水位和波動(dòng)幅值一定時(shí)，不同周期下Pave/P0ave在各個(gè)測(cè)試點(diǎn)上分布規(guī)律基本一致，說明平均超孔壓比值在土層中衰減幅度并沒有受到周期的影響。

可見，承壓水波動(dòng)周期越短，超孔隙水壓力越難傳入弱透水層，弱透水層起到隔水作用，主要受底板接觸面水壓力作用[10]，波動(dòng)承壓水作用下基坑底板抗突涌應(yīng)從塑性破壞角度分析；而承壓水波動(dòng)較為緩慢，超孔隙水壓力越能傳入弱透水層，弱透水層就表現(xiàn)出一定的滲透性。因此，當(dāng)工程中承壓水位變化周期較長時(shí)，基坑抗突涌設(shè)計(jì)應(yīng)考慮到坑底弱透性土層長時(shí)在承壓水作用下滲透破壞的可能性。

2.2.2 承壓水波動(dòng)幅值對(duì)超孔壓的影響

圖7 所示為承壓水初始水位為80 cm，波動(dòng)周期為6 min，波動(dòng)幅值分別為10，25 和40 cm 時(shí)土體內(nèi)部超孔壓隨時(shí)間變化曲線。由圖7可見：承壓水波動(dòng)幅值越大，引起的振蕩超孔壓幅值比值Posc/P0osc越大，沿著距離衰減相對(duì)較緩慢，但在距離土層表面0.4L處均降為0；不同幅值下Pave/P0ave基本一致，說明平均超孔壓比值受到承壓水波動(dòng)幅值的影響較小。在承壓含水層場(chǎng)地開挖基坑時(shí)應(yīng)當(dāng)注意承壓水位變化幅值，當(dāng)承壓水變化幅值較大時(shí)，基坑底部弱透水性土越易受承壓水波動(dòng)的影響，土體內(nèi)部超孔壓越大，承壓水越容易透過弱透水層向坑內(nèi)越流。

2.2.3 承壓水初始水位對(duì)超孔壓的影響

圖8 所示為承壓水波動(dòng)周期為6 min，幅值為25 cm，初始水位分別為80，100 和130 cm 時(shí)土體內(nèi)部超孔壓隨時(shí)間變化曲線。從圖8可見：Posc/P0osc曲線和Pave/P0ave曲線在不同初始水位下基本一致，而且承壓水位波動(dòng)對(duì)弱透水層孔壓響應(yīng)的影響范圍并未受到初始水位高低的影響。但是，坑底弱透水層中水力坡降隨著承壓水初始水位增加而增大，容易引發(fā)坑底發(fā)生突涌。

圖6 不同周期下超孔壓分布曲線Fig.6 Distribution of excess pore pressure with depths under various periods

圖7 不同幅值下超孔壓分布曲線Fig.7 Distribution of excess pore pressure with depths under various amplitudes

圖8 不同初始水位下超孔壓分布曲線Fig.8 Distribution of excess pore pressure with depths under various initial confined water levels

3 結(jié)論

1)承壓水波動(dòng)引起的弱透水層超孔壓響應(yīng)可分為振蕩超孔壓和平均超孔壓，振蕩超孔壓沿著滲流路徑急劇衰減，在土層下半部波動(dòng)能量傳遞損失較大；平均超孔壓在土層中呈非線性分布。

2)承壓水波動(dòng)周期越長，振蕩超孔壓沿著滲流路徑衰減越慢，超孔壓變化幅值越大，承壓水波動(dòng)影響范圍就越大；當(dāng)工程中承壓水位變化周期較長時(shí)，基坑抗突涌設(shè)計(jì)應(yīng)考慮到坑底弱透性土層長時(shí)在承壓水作用下滲透破壞的可能性。

3)振蕩超孔壓幅值比值隨著承壓水波動(dòng)幅值增加而增大，但沿著傳播距離衰減越緩慢；承壓水波動(dòng)初始水位對(duì)超孔壓的影響不顯著。