降雨入滲條件下黏性土基坑淺層邊坡穩(wěn)定性分析

任東興, 薛 鵬, 葉 飛, 周向陽(yáng), 高曉峰, 羅東林

(1.中冶成都勘察研究總院有限公司,成都 610023;2.四川大學(xué) 水利水電學(xué)院,成都 610065; 3.貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院,貴陽(yáng) 550025)

降雨是引起黏性土基坑邊坡失穩(wěn)的最主要因素，長(zhǎng)歷時(shí)、高強(qiáng)度集中降雨更會(huì)引發(fā)大量邊坡失穩(wěn)[1-5]。近年來(lái)，有學(xué)者統(tǒng)計(jì)成都黏性土基坑失穩(wěn)破壞，發(fā)現(xiàn)約48%的基坑事故是由降雨入滲引起的[6-7]，尤其是大量淺表層的滑塌事故。雨水入滲土體后，會(huì)在土體淺表層形成暫態(tài)飽和區(qū)，土體含水率隨降雨入滲逐漸增大，強(qiáng)度逐漸降低，最終形成滑坡災(zāi)害。因此，開(kāi)展降雨入滲條件下的黏性土基坑邊坡穩(wěn)定性研究具有十分重要的意義。

目前，針對(duì)黏性土基坑邊坡失穩(wěn)問(wèn)題，學(xué)者們已開(kāi)展了大量試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，取得了豐碩成果。如王力等[8]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)人工模擬降雨試驗(yàn)，研究了邊坡土體含水率、孔隙水壓力與坡體位移響應(yīng)的關(guān)系，以及邊坡降雨入滲規(guī)律和邊坡變形失穩(wěn)模式，結(jié)果表明含水率增大幅度隨土體埋深增大而減小。程永輝等[9]通過(guò)離心模型試驗(yàn)，模擬了降雨條件下典型黏土邊坡失穩(wěn)破壞全過(guò)程，發(fā)現(xiàn)一次降雨后即出現(xiàn)滑動(dòng)現(xiàn)象，二次降雨后，邊坡滑動(dòng)范圍和深度明顯增加，反映了黏土邊坡失穩(wěn)的漸進(jìn)性和逐級(jí)牽引性。梁樹(shù)等[10]結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、物理模擬和數(shù)值模擬方法，綜合得到成都黏土基坑邊坡降雨入滲規(guī)律及入滲深度的經(jīng)驗(yàn)公式。而在數(shù)值模擬方面，平揚(yáng)等[11]采用SLOPE/W商業(yè)軟件進(jìn)行降雨入滲條件下的黏土邊坡穩(wěn)定性分析，研究了雨水入滲條件下邊坡的滲流規(guī)律。為了得到非飽和土邊坡變形與應(yīng)力的變化規(guī)律，徐晗等[12]、崔亮等[13]采用ABAQUS軟件對(duì)降雨入滲條件下非飽和土邊坡滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的耦合情況進(jìn)行了模擬。王凱等[14]基于FLAC3D平臺(tái)，通過(guò)本構(gòu)模型的二次開(kāi)發(fā)并用于實(shí)際工程，結(jié)果表明所開(kāi)發(fā)的濕度應(yīng)力場(chǎng)本構(gòu)模型能更好地反映膨脹力對(duì)巷道圍巖變形與次生應(yīng)力狀態(tài)的影響。而基于飽和-非飽和滲流理論、彈塑性本構(gòu)關(guān)系和應(yīng)變軟化理論，陳亮勝等[15]提出一種綜合考慮非飽和滲流、膨脹變形和應(yīng)變軟化的多場(chǎng)耦合數(shù)值分析法，探討了降雨入滲條件下邊坡非飽和滲流、位移響應(yīng)及漸進(jìn)性破壞的變化規(guī)律。

對(duì)于黏土基坑邊坡，采用飽和-非飽和土邊坡滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合的數(shù)值模擬[16]，是目前最常見(jiàn)的分析方法；但是部分模擬軟件在降雨入滲邊界處理上，不能反映降雨邊界的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程[17]，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不能反映實(shí)際情況。在實(shí)際工程中，伴隨著雨水入滲，土體含水率逐漸增大，導(dǎo)致土體抗剪強(qiáng)度降低[18]，且集中影響表層土體[10]。針對(duì)黏性土邊坡穩(wěn)定性分析，數(shù)值模擬往往比實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的微觀研究更能直觀表現(xiàn)降雨過(guò)程對(duì)邊坡的弱化機(jī)理。因此，通過(guò)數(shù)值模擬降雨入滲影響區(qū)域土體強(qiáng)度參數(shù)的弱化過(guò)程，不失為一種便捷的降雨入滲條件下基坑邊坡穩(wěn)定性分析方法。

本文針對(duì)成都某黏性土基坑邊坡失穩(wěn)案例，探討暴雨條件下邊坡應(yīng)力變形特性及其穩(wěn)定性，為該基坑邊坡修復(fù)方案設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)，為該類基坑穩(wěn)定性分析提供新思路。

1 基本情況

1.1 工程概況

本文研究的基坑位于成都黏土地區(qū)，長(zhǎng)約219 m，寬約93 m，基坑最大深度5.2 m，基坑平面布置如圖1所示。該基坑的西北側(cè)為空地，具備邊坡放坡條件，原設(shè)計(jì)方案采用1∶1.25放坡，坡面防護(hù)采用素噴護(hù)面；基坑其他三面均緊鄰市政道路，采用排樁支護(hù)。

圖1 基坑平面圖Fig.1 Plan of excavation foundation pit

圖2 基坑垮塌段典型地質(zhì)剖面圖Fig.2 Typical geological profile of collapsed section of the excavation foundation pit

成都黏土大面積分布于成都市東郊至龍泉山麓，礦物成分主要為伊利石(水云母)、蒙脫石以及少量高嶺石、綠泥石。成都黏土裂隙發(fā)育，具有很強(qiáng)的親水性，遇水膨脹，易塑易滑，失水干裂收縮[19-21]。成都地區(qū)的基坑往往具有典型的二元地質(zhì)結(jié)構(gòu)，有兩種典型剖面：第一種地質(zhì)結(jié)構(gòu)為中上部為黏性土層，下部為基巖(圖3)；另外一種為中上部為黏性土層，下部為砂卵礫石層(圖4)。大量案例表明，雨水入滲土體，主要影響淺表層的基坑邊坡土體，導(dǎo)致其形成了暫態(tài)飽和區(qū)，滑坡災(zāi)害也主要發(fā)育在淺表層土體中。本案例就發(fā)生在第一類地質(zhì)結(jié)構(gòu)中。

圖3 成都地區(qū)基坑的第一種典型地質(zhì)結(jié)構(gòu)Fig.3 The first typical geological structure of excavation foundation pit in Chengdu area

圖4 成都地區(qū)基坑的第二種典型地質(zhì)結(jié)構(gòu)Fig.4 The second typical geological structure of excavation foundation pit in Chengdu area

1.2 邊坡失穩(wěn)情況描述

2020年夏季汛期，基坑工程所在區(qū)域出現(xiàn)連續(xù)暴雨。根據(jù)附近雨量站記錄，邊坡失穩(wěn)前3天內(nèi)最大日降雨量達(dá)到106 mm，正處于施工過(guò)程中的西北側(cè)邊坡在雨后兩日出現(xiàn)了大面積垮塌，垮塌長(zhǎng)度約116 m，寬度為7 m，滑動(dòng)面埋深0.8～1.2 m，垮塌體積接近1 000 m3，垮塌現(xiàn)場(chǎng)如圖5所示。

圖5 基坑北西側(cè)邊坡垮塌段Fig.5 The collapsed section in the northwest of foundation pit

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析表明，此次基坑垮塌的主要原因是由于基坑北側(cè)素噴封閉范圍內(nèi)局部開(kāi)裂，降水滲入表層土體，導(dǎo)致土體強(qiáng)度降低，致使基坑局部失穩(wěn)、垮塌。事故發(fā)生后，項(xiàng)目部立即啟動(dòng)了排水和固坡等臨時(shí)措施，防止了邊坡進(jìn)一步垮塌，但同時(shí)亟需制定修復(fù)方案。

2 計(jì)算方法及參數(shù)

2.1 降雨入滲深度計(jì)算

國(guó)內(nèi)學(xué)者[10]根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、物理模擬和數(shù)值方法計(jì)算結(jié)果，總結(jié)了成都黏土基坑淺層坡體不同降雨條件下的入滲規(guī)律，得到了入滲深度的經(jīng)驗(yàn)公式

L=at+bP+ck+dS+e

(1)

式中：t為降雨時(shí)間；P為降雨強(qiáng)度；k為滲透系數(shù)；S為地表裂隙深度；a、b、c、d和e為系數(shù)。

根據(jù)氣象信息和勘察報(bào)告，汛期暴雨日降雨量為50～100 mm，計(jì)算的時(shí)候取降雨量為75 mm/d;黏性土滲透系數(shù)為1.10×10-7cm/s，不計(jì)地表裂隙；系數(shù)a、b、c、d和e按文獻(xiàn)[10]給出成都黏土試驗(yàn)值，根據(jù)式(2)計(jì)算降雨入滲深度

L=0.494×24+0.8228×75+3×108×

1.1×10-7+13.8=120.37 cm

(2)

由此可見(jiàn)，計(jì)算得出的降雨入滲深度與本項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)得到的滑移土體最大厚度120 cm比較接近，由此說(shuō)明降雨入滲深度與土體滑動(dòng)面埋深呈現(xiàn)高度的一致性。

2.2 土體應(yīng)力變形計(jì)算方法

采用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行模擬計(jì)算，土體本構(gòu)模型選用摩爾-庫(kù)倫彈塑性模型[22]，土體塑性屈服函數(shù)表達(dá)式為

F=Rmcq-ptanφ-c=0

(3)

式中：

(4)

(5)

(6)

式中：c為黏聚力；φ為內(nèi)摩擦角；Θ為應(yīng)力羅德角；σ為應(yīng)力張量；S為應(yīng)力偏張量；p為平均應(yīng)力；q為廣義剪應(yīng)力。

2.3 強(qiáng)度折減法

邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算采用強(qiáng)度折減法[23]。強(qiáng)度折減法原理就是在通過(guò)持續(xù)減小巖土體的強(qiáng)度指標(biāo)c、φ，通過(guò)不斷的折減得到不同cf和φf(shuō)，直至巖土體出現(xiàn)破壞，此時(shí)的折減系數(shù)即為邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)。

cf=c/F

(7)

(8)

2.4 計(jì)算模型及計(jì)算參數(shù)

基坑邊坡材料分區(qū)(原設(shè)計(jì)方案)如圖6所示，上層為黏土層，厚度為5 m，根據(jù)降雨入滲深度計(jì)算成果，取邊坡表層土深120 cm范圍內(nèi)為降雨入滲影響區(qū)域；基坑底部以下為強(qiáng)風(fēng)化-中等風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖。采用ABAQUS軟件中平面應(yīng)變單元，節(jié)點(diǎn)總數(shù)735個(gè)，單元總數(shù)676個(gè)，如圖7所示。計(jì)算模型左、右邊界設(shè)置水平位移約束，底部邊界設(shè)置水平和垂直約束；計(jì)算荷載考慮自重作用。

圖6 基坑邊坡材料分區(qū)(設(shè)計(jì)方案)Fig.6 Material partition of foundation pit (designing scheme)

圖7 基坑邊坡計(jì)算模型(設(shè)計(jì)方案)Fig.7 Calculation model of foundation pit (designing scheme)

土體本構(gòu)模型采用經(jīng)典的摩爾-庫(kù)倫模型，具體參數(shù)如表1所示，其中成都黏土、強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖計(jì)算參數(shù)依據(jù)本項(xiàng)目勘察報(bào)告中的土工試驗(yàn)。一般來(lái)說(shuō)，土體剪切強(qiáng)度隨含水率的增大而減小，各個(gè)地區(qū)試驗(yàn)土體不同，得出的土體強(qiáng)度參數(shù)與含水率的擬合關(guān)系也不統(tǒng)一[24]。對(duì)于成都地區(qū)黏土，國(guó)內(nèi)學(xué)者[25]通過(guò)在成都東郊某基坑內(nèi)取樣測(cè)試，分別進(jìn)行飽水和自然風(fēng)干，并配制出9組不同含水率的土樣，得到了成都黏土強(qiáng)度參數(shù)與含水率之間的相關(guān)關(guān)系。考慮文獻(xiàn)[25]土體采樣區(qū)域臨近本項(xiàng)目區(qū)，因此本文降雨入滲影響區(qū)域黏土層強(qiáng)度參數(shù)采用該試驗(yàn)結(jié)果值。

表1 計(jì)算參數(shù)Table 1 Calculation parameters

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 設(shè)計(jì)方案

計(jì)算得出基坑設(shè)計(jì)方案的邊坡位移結(jié)果如圖8所示，可以看出，邊坡土體變形主要出現(xiàn)在表層受降雨入滲影響的區(qū)域。水平方向位移最大值出現(xiàn)在基坑邊坡底部，為2.78 cm；豎直方向最大位移出現(xiàn)在邊墻頂部，為8.15 cm。

圖8 基坑邊坡位移等值線圖(設(shè)計(jì)方案)Fig.8 The displacement contour map of foundation pit (designing scheme)

基坑邊坡應(yīng)力結(jié)果如圖9。水平方向應(yīng)力總體隨埋深增大而增大，墻體頂部水平方向應(yīng)力為正值，說(shuō)明此處出現(xiàn)了拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力為1.07 kPa；豎直方向應(yīng)力隨埋深增大而增大，底部最大壓應(yīng)為192 kPa。

圖9 基坑邊坡應(yīng)力等值線圖(設(shè)計(jì)方案)Fig.9 The stress contour map of foundation pit (designing scheme)

按設(shè)計(jì)方案計(jì)算得出土體等效塑性應(yīng)變?nèi)鐖D10所示，在表層土體與內(nèi)部土體交界處出現(xiàn)了塑性區(qū)域，塑性區(qū)域自坡腳斜向上、向內(nèi)延伸，接近形成貫穿性的滑動(dòng)面，同時(shí)計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)了塑性迭代不收斂的情況。說(shuō)明此時(shí)基坑邊坡已接近失穩(wěn)，處于不穩(wěn)定狀態(tài)(圖11)。采用強(qiáng)度折減法計(jì)算得出邊坡安全系數(shù)為0.977，由此可見(jiàn)此時(shí)邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。繪制出破壞狀態(tài)邊坡變形圖如圖12所示，可以看出，邊坡表層土體受降雨影響出現(xiàn)了整體滑動(dòng)，與邊坡垮塌情況基本吻合。

圖10 基坑邊坡塑性區(qū)域(設(shè)計(jì)方案)Fig.10 The plastic range of foundation pit (designing scheme)

圖11 邊坡安全系數(shù)計(jì)算(設(shè)計(jì)方案)Fig.11 The calculation of slope safety factor (designing scheme)

圖12 邊坡失穩(wěn)時(shí)變形圖(設(shè)計(jì)方案)Fig.12 Diagram showing the deformation during slope failure (designing scheme)

3.2 修復(fù)方案

根據(jù)圖1所示基坑平面示意圖，基坑北側(cè)為空地，具備進(jìn)一步放坡條件，修復(fù)方案首選降低坡度，將原單級(jí)1∶1.25坡度降低為兩級(jí)1∶2.0邊坡?；舆吰虏牧戏謪^(qū)(修復(fù)方案)如圖13所示。計(jì)算模型節(jié)點(diǎn)總數(shù)836個(gè)，單元總數(shù)775個(gè)(圖14)。計(jì)算模型左、右邊界設(shè)置水平位移約束，底部邊界設(shè)置水平和垂直約束。

圖13 基坑邊坡材料分區(qū)(修復(fù)方案)Fig.13 Material partition of foundation pit (repair scheme)

圖14 基坑邊坡計(jì)算模型(修復(fù)方案)Fig.14 Calculation model of foundation pit (repair scheme)

計(jì)算得出修復(fù)方案基坑邊坡位移結(jié)果如圖15所示。水平方向位移最大值出現(xiàn)在基坑邊坡底部的粉砂質(zhì)泥巖內(nèi)，最大值為0.55 cm；豎直方向位移最大值出現(xiàn)在墻頂部，最大值為9.11 cm。

圖15 基坑邊坡位移等值線圖(修復(fù)方案)Fig.15 The displacement contour map of foundation pit (repair scheme)

基坑邊坡應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖16。水平方向應(yīng)力總體隨埋深增大而增大，墻體頂部水平方向應(yīng)力為正值，說(shuō)明出現(xiàn)了拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力為0.14 kPa；豎直方向應(yīng)力呈現(xiàn)隨埋深增大而增大，底部最大壓應(yīng)為193 kPa。

圖16 基坑邊坡應(yīng)力等值線圖(修復(fù)方案)Fig.16 The stress contour map of foundation pit (repair scheme)

修復(fù)方案計(jì)算出的等效塑性應(yīng)變?nèi)鐖D17所示。顯然，邊坡表層土體與內(nèi)部土體交界處的坡腳位置出現(xiàn)了局部塑性區(qū)域，但并未出現(xiàn)大面積貫通塑性帶；采用強(qiáng)度折減法計(jì)算出來(lái)的邊坡安全系數(shù)為1.508(圖18)，安全系數(shù)值大于文獻(xiàn)[26]中要求的臨時(shí)邊坡安全系數(shù)1.25，由此說(shuō)明修復(fù)方案滿足邊坡穩(wěn)定的要求。

圖17 基坑邊坡塑性區(qū)域(修復(fù)方案)Fig.17 The plastic range of foundation pit (repair scheme)

圖18 邊坡安全系數(shù)計(jì)算(修復(fù)方案)Fig.18 The calculation of slope safety factor (repair scheme)

根據(jù)基坑邊坡垮塌段坡頂位移處3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和基坑所在地的降雨量統(tǒng)計(jì)，繪制基坑邊坡垮塌段坡頂位移和降雨擬合圖(圖19)?？梢钥闯?，基坑施工開(kāi)始后坡頂位移量變化基本在15 mm之內(nèi)；暴雨期間坡頂位移逐步擴(kuò)大，位移變形值超過(guò)了50 mm，直至邊坡失穩(wěn)垮塌。暴雨事件與基坑破壞有非常好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，基坑變形破壞較暴雨事件滯后1～2天。采用兩級(jí)放坡方案修復(fù)后，邊坡垮塌段坡頂位移監(jiān)測(cè)值開(kāi)始逐步增大，并逐漸趨于穩(wěn)定，施工結(jié)束時(shí)垮塌段中部監(jiān)測(cè)點(diǎn)JC8的位移值最大，為13.5 mm，兩側(cè)變形值較小，左右監(jiān)測(cè)點(diǎn)JC6、JC10位移量分別為5.4 mm、6.1 mm，滿足規(guī)范要求，現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際效果如圖20所示。

圖19 基坑邊坡垮塌段坡頂位移監(jiān)測(cè)和降雨曲線Fig.19 The slope displacement monitoring result and rainfall curve

圖20 基坑邊坡修復(fù)后的實(shí)際效果Fig.20 The actual effect after the slope repair of foundation pit

4 結(jié) 論

本文針對(duì)成都某黏土基坑邊坡失穩(wěn)案例，分別探討了暴雨條件下設(shè)計(jì)方案和修復(fù)方案的應(yīng)力變形特性和邊坡穩(wěn)定性，主要結(jié)論如下：

a.通過(guò)模擬真實(shí)入滲影響區(qū)域土體強(qiáng)度參數(shù)弱化的影響，計(jì)算得出設(shè)計(jì)方案邊坡坡腳水平位移最大，并在降雨入滲深度影響區(qū)域和內(nèi)部土體之間形成了接近貫穿的塑性滑移帶，且安全系數(shù)為0.977，邊坡處于失穩(wěn)的不安全狀態(tài)，邊坡土層滑動(dòng)情況與實(shí)際坡面淺層滑動(dòng)現(xiàn)象吻合。

b.二級(jí)緩坡修復(fù)方案的計(jì)算分析表明，該方案計(jì)算得到的水平位移遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)方案的水平位移；同時(shí)，塑性帶僅零星出現(xiàn)在坡體內(nèi)部，計(jì)算得出該方案安全系數(shù)為1.508，滿足邊坡穩(wěn)定性設(shè)計(jì)要求。實(shí)際工程采用了該修復(fù)方案，解決了本項(xiàng)目邊坡坍塌的工程問(wèn)題。

c.通過(guò)工程實(shí)例分析，驗(yàn)證了通過(guò)數(shù)值模擬入滲影響區(qū)域土體強(qiáng)度參數(shù)弱化進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析的可行性。相較于一般滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合的數(shù)值模擬方法，本文方法更為簡(jiǎn)潔、高效，在實(shí)際工程中具有應(yīng)用前景。