穩(wěn)定滲流作用下有限寬度砂土主動(dòng)土壓力研究

周 璇，方 燾，雷祖祥

（1.福建巖土工程勘察研究院有限公司，福建 福州350001；2.華東交通大學(xué)江西省巖土工程基礎(chǔ)設(shè)施安全與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌330013）

隨著我國城市化建設(shè)的不斷推進(jìn)，高層與超高層建筑、地下建筑物以及交通設(shè)施的建設(shè)蓬勃興起，大型深基坑工程[1-3]屢見不鮮。與此同時(shí)，因城市建筑密度大、環(huán)境復(fù)雜等因素導(dǎo)致基坑開挖、施工、設(shè)計(jì)等方面面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)[4-5]，“深、大、近、難”已然成為當(dāng)下基坑工程的基本特點(diǎn)。現(xiàn)有眾多學(xué)者從土體抗剪強(qiáng)度[6-7]、地下水滲流[8-11]、擋土墻變位模式[12]等因素對基坑進(jìn)行了多方面分析，其中，地下水滲流作用對基坑工程穩(wěn)定性的影響已受到眾多國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。

在深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，準(zhǔn)確計(jì)算擋土墻后土壓力是國內(nèi)外研究熱點(diǎn)[13-14]。在實(shí)際工程中，朗肯土壓力理論與庫倫土壓力理論的應(yīng)用頗為廣泛，許多經(jīng)典的經(jīng)驗(yàn)修正公式以及基坑工程支護(hù)的設(shè)計(jì)規(guī)范[15-17]也是在此基礎(chǔ)上進(jìn)行修正和折減。

如今鄰近既有建（構(gòu)）筑物的基坑工程比比皆是，有限寬度土體為基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)與既有建(構(gòu))筑物樁基或地下室之間的狹窄土體。此時(shí)，建立在半無限土體假定基礎(chǔ)上的朗肯或庫倫土壓力理論并不適用于這部分有限土體土壓力的計(jì)算[18]。

針對基坑工程中臨近已有建筑物的情況，鮮有考慮地下水滲流的存在對有限寬度砂土的主動(dòng)土壓力的影響。但從工程實(shí)際角度出發(fā)，研究穩(wěn)定滲流作用下的有限寬度砂土的主動(dòng)土壓力具有一定的工程意義。通過模型試驗(yàn)研究穩(wěn)定滲流作用對有限寬度砂土土體主動(dòng)土壓力的影響，并對模型試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬驗(yàn)證，進(jìn)一步系統(tǒng)地研究穩(wěn)定滲流作用下有限寬度砂土主動(dòng)土壓力問題。

1 試驗(yàn)設(shè)備和裝置

試驗(yàn)設(shè)備為自主設(shè)計(jì)、制作的長方體模型箱，其平面尺寸為2.5 m×1.0 m，高為1.5 m，其主體由寬10 cm、厚1 cm的鋼材焊制而成，左右兩側(cè)安裝厚20 mm的鋼化玻璃。模型箱從左向右依次分為滲流水儲蓄室、擋墻活動(dòng)室和標(biāo)準(zhǔn)砂填筑室3個(gè)部分。

滲流水儲蓄室與外界自來水源匯接，是儲蓄滲流水，提供穩(wěn)定滲流條件的主要場所；標(biāo)準(zhǔn)砂填筑室用來進(jìn)行各項(xiàng)土壓力試驗(yàn)；擋墻活動(dòng)室是模擬基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變位模式的活動(dòng)場所，擋墻活動(dòng)室填筑不同高度的標(biāo)準(zhǔn)砂以模擬不同挖深的基坑，如圖1所示。

標(biāo)準(zhǔn)砂填筑室和擋墻活動(dòng)室之間有1塊15 mm厚鋼板用來構(gòu)建土壓力盒擋墻（嵌固著土壓力盒的木板）和土壓力采集系統(tǒng)，如圖1所示。為較好地模擬基坑的圍護(hù)支擋結(jié)構(gòu)，土壓力盒擋墻選用材質(zhì)較好的木板。圖2為土壓力盒擋墻安裝的土壓力位置盒示意圖。

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖銯ig.1 Test model box

圖2 土壓力盒分布圖（單位：mm）Fig.2 Distribution of each pressure cell（Unit：mm）

土壓力盒嵌固在木板上，保持整個(gè)擋墻的墻面平整并且做好擋墻的防水密封工作。試驗(yàn)所采用的砂土為中國ISO標(biāo)準(zhǔn)砂，粒度為0.5～1.0 mm。室內(nèi)常規(guī)試驗(yàn)測得該砂樣的基本力學(xué)參數(shù)（密度ρ、飽水密度ρsat、內(nèi)摩擦角φ、飽和內(nèi)摩擦角φ′、孔隙率e）見表1，測得該砂土試樣的滲透系數(shù)為1.56×10-2cm/s。

表1 標(biāo)準(zhǔn)砂的基本力學(xué)參數(shù)Tab.1 Basic mechanical parameters of standard sand

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 穩(wěn)定滲流的實(shí)現(xiàn)

為了使模型箱內(nèi)水達(dá)到穩(wěn)定滲流狀態(tài)，在自來水源附近安裝了一個(gè)帶有壓力表的閥門，可通過這個(gè)閥門控制水源的水壓穩(wěn)定。

為了盡可能真實(shí)地模擬場地滲流條件，首先需要儲藏室內(nèi)的水頭保持穩(wěn)定并盡量提高水頭高度；隨后在擋墻活動(dòng)室內(nèi)填筑一層25 cm厚（可根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)填筑不同厚度砂土）的標(biāo)準(zhǔn)砂土層，模擬基坑底部；最后在擋墻活動(dòng)室與反力架之間設(shè)置一塊帶圓孔的薄鋼板，滲流水最終可從薄鋼板上的圓孔流出。根據(jù)穩(wěn)定滲流的定義可知，當(dāng)滲流水儲蓄室和標(biāo)準(zhǔn)砂填筑室內(nèi)的水位處在同一水平線上且維持恒定，即可視為達(dá)到穩(wěn)定滲流。

2.2 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)分為2個(gè)階段，即在進(jìn)行穩(wěn)定滲流作用下的主動(dòng)土壓力試驗(yàn)之前，先對靜水壓力作用下的主動(dòng)土壓力進(jìn)行測試，隨后再對存在穩(wěn)定滲流作用下的土壓力值與靜水壓力作用下的主動(dòng)土壓力值進(jìn)行測量。研究對象為有限寬度砂土，土體的體積為80 cm×65 cm×100 cm(長×寬×高)，擋墻的變位模式為RB模式。

以上2組試驗(yàn)的步驟相同，僅滲流條件不同，現(xiàn)以穩(wěn)定滲流條件下測量土壓力為例進(jìn)行步驟闡述。

1）清理并整理模型箱內(nèi)部，調(diào)節(jié)滲流水儲蓄室鋼板至合適位置，使準(zhǔn)砂填筑室平面尺寸為80 cm×65 cm(長×寬)。安裝土壓力盒擋墻并將土壓力盒連接上數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，打開計(jì)算機(jī)分析軟件。

2）做好模型箱的防水密封工作，為使各墻表面的粗糙度與土體一致，將模型箱的光滑墻面粘滿標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)砂土；對土壓力盒進(jìn)行標(biāo)定置零，分層鋪設(shè)標(biāo)準(zhǔn)砂，鋪設(shè)完成后將土體靜置48 h；靜置后加水，直至滿足穩(wěn)定滲流條件(滲流出水口的流速達(dá)到35.8 mL/s不變)，記錄滲流過程與穩(wěn)定滲流時(shí)的時(shí)程曲線。

3）使土壓力盒擋墻進(jìn)行RB位移模式運(yùn)動(dòng)，記錄各個(gè)土壓力盒的讀數(shù)，觀察土體破壞的整個(gè)過程及土體破壞的最終狀態(tài)（土體表面出現(xiàn)明顯裂隙），然后停止擋墻運(yùn)動(dòng)，維持破壞狀態(tài)30 min并持續(xù)記錄，輸出圖形。

3 試驗(yàn)結(jié)果

穩(wěn)定滲流作用下有限寬度砂土主動(dòng)土壓力試驗(yàn)共獲得21條壓力-時(shí)間的時(shí)程曲線，為減小邊界效應(yīng)對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響，以中間列土壓力盒的時(shí)程曲線進(jìn)行分析，土壓力盒5，8的時(shí)程曲線如圖3所示。

圖3 穩(wěn)定滲流下主動(dòng)土壓力時(shí)程曲線Fig.3 Time history curve of active earth pressure under steady seepage

由圖3可知：埋設(shè)位置位于不同深度的土壓力盒，測得其土壓力的時(shí)程曲線都可以分為“穩(wěn)定滲流、擋墻運(yùn)動(dòng)滲流、擋墻停止后滲流”3個(gè)階段。

“穩(wěn)定滲流”階段土壓力指擋墻運(yùn)動(dòng)以前測得的土壓力值，其曲線較為平緩；“擋墻運(yùn)動(dòng)滲流”階段指電機(jī)啟動(dòng)后至擋墻停止前的階段，該階段由于擋墻的勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，土壓力值發(fā)生劇烈波動(dòng)，且土壓力值均在上下波動(dòng)中有逐漸減小的趨勢，這是因?yàn)閾鯄υ谶\(yùn)動(dòng)過程中，受到的側(cè)向土壓力從靜止土壓力轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)土壓力，從而導(dǎo)致壓力盒測得的壓力值減??；“擋墻停止”階段指在土體第1道破裂面貫穿時(shí)的土壓力值，該階段土壓力值的變化相對平緩，此時(shí)測得的土壓力值即為穩(wěn)定滲流條件下，擋墻發(fā)生RB變位模式的有限寬度砂土主動(dòng)土壓力值。

如圖4所示，將測得的靜水和穩(wěn)定滲流作用下有限寬度砂土主動(dòng)土壓力值進(jìn)行匯總分析，2種條件下測得的3列土壓力盒的主動(dòng)土壓力值之間相差很小。為減小模型箱內(nèi)壁可能對土壓力造成的影響和有利于后面試驗(yàn)的分析，選用擋墻上第2列的土壓力盒實(shí)測壓力值進(jìn)行分析，結(jié)果表明土壓力值隨著埋置深度的增加而增大，為近似線性遞增，且靜水壓力條件下測得的主動(dòng)土壓力值小于穩(wěn)定滲流條件下的主動(dòng)土壓力值。

圖4 試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Test result

4 數(shù)值模擬

4.1 模型建立

二維數(shù)值模擬采用ABAQUS有限元分析軟件。模型尺寸示意如圖5所示，土體高為100 cm，土體寬65 cm，活動(dòng)擋墻高為100 cm，厚度為8 cm，建模尺寸與試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽绫３忠恢隆?/p>

圖5 模擬尺寸圖Fig.5 Model size diagram

4.2 模型參數(shù)

土體和活動(dòng)擋墻均受重力作用，需要對以上2個(gè)材料定義密度。標(biāo)準(zhǔn)砂土定義相應(yīng)密度時(shí)應(yīng)當(dāng)選取干密度?；顒?dòng)擋墻與試驗(yàn)砂的相關(guān)物理參數(shù)見表3，表4。

表3 活動(dòng)擋墻物理參數(shù)Tab.3 Physical parameters of movable retaining wall

表4 模型材料參數(shù)Tab.4 Model material parameters

4.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

為進(jìn)行對比分析，利用ABAQUS有限元分析軟件建立3個(gè)不同條件下的數(shù)值模型：穩(wěn)定滲流作用下有限寬度土體（高100 cm×寬65 cm）模型；無滲流作用（未定義土體滲流參數(shù)）下有限寬度土體模型；穩(wěn)定滲流作用下半無限寬度土體（高100 cm×寬100 cm）模型。

通過數(shù)值模擬計(jì)算主動(dòng)土壓力結(jié)果與試驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)分布規(guī)律一致，由此說明了數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性，結(jié)果如圖6。

圖7為上述3個(gè)模型的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果曲線。通過匯總分析可知，在擋墻的同一深度處，無滲流作用下有限寬度土體主動(dòng)土壓力＜穩(wěn)定滲流作用下有限寬度土體主動(dòng)土壓力＜穩(wěn)定滲流作用下半有限寬度土體主動(dòng)土壓力。

此外，對比圖6、圖7中另外3條線：有效應(yīng)力法土壓力曲線，水土分算法土壓力曲線，水土合算法土壓力曲線，不難看出水土合算法計(jì)算的土壓力值偏小，水土分算法計(jì)算結(jié)果比有效應(yīng)力法計(jì)算結(jié)果稍大；因此在實(shí)際工程中用水土分算法計(jì)算主動(dòng)土壓力會更加安全。

圖6 數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果對比Fig.6 Comparison between numerical simulation and test

圖7 數(shù)值模擬結(jié)果Fig.7 Results of numerical simulations

5 結(jié)論

以基坑工程中地下水滲流對主動(dòng)土壓力的影響為出發(fā)點(diǎn)，基于實(shí)際工程可能存在的實(shí)際問題，開展模型試驗(yàn)研究，探討了滲流作用對有限寬度的砂土體主動(dòng)土壓力的影響，主要結(jié)論如下。

1）在模型試驗(yàn)中，通過測量觀察到主動(dòng)土壓力可分為“穩(wěn)定滲流”“擋墻運(yùn)動(dòng)滲流”“擋墻停止?jié)B流”3個(gè)階段，說明擋墻運(yùn)動(dòng)會導(dǎo)致主動(dòng)土壓力值呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律。

2）除了主動(dòng)土壓力值會隨著土壓力盒埋置深度的增大而增大以外，在土體深度相同的點(diǎn)，穩(wěn)定滲流條件下砂土的主動(dòng)土壓力值也會比靜水條件下的主動(dòng)土壓力值大。由此便可得出，土體處在穩(wěn)定滲流條件下，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)受到的側(cè)向壓力會增大。

3）在數(shù)值模擬中，在擋墻同一深度處，無滲流作用下的靜水土壓力要小于滲流存在下的土壓力，且有限寬度土體的主動(dòng)土壓力小于半無限寬度土體的主動(dòng)土壓力。

4）針對砂土，有效應(yīng)力法計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果最接近，水土分算法計(jì)算結(jié)果比有效應(yīng)力法計(jì)算結(jié)果更大；因此實(shí)際工程采用水土分算法計(jì)算砂土的主動(dòng)土壓力會更加安全。