秦淮河開(kāi)挖護(hù)岸基坑邊坡降雨入滲動(dòng)力學(xué)分析

曹 洋

（江蘇中泰建發(fā)集團(tuán)有限公司，江蘇 泰州 225300）

內(nèi)河航道整治工程中，構(gòu)筑護(hù)岸結(jié)構(gòu)一般使用重力式C25 混凝土擋土墻，用來(lái)防止邊坡泥土進(jìn)入河道，然而在構(gòu)筑擋土墻前需開(kāi)挖其相應(yīng)的基坑。由于基坑的體量大且深度深，勢(shì)必會(huì)帶來(lái)降雨入滲造成基坑邊坡滑移的風(fēng)險(xiǎn)，從而給基坑開(kāi)挖施工帶來(lái)安全隱患。本研究針對(duì)江蘇地區(qū)雨季施工及工程量較大的特點(diǎn)，從降雨入滲動(dòng)力學(xué)角度，分析擋土墻基坑開(kāi)挖形成的土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題。

1 工程概況

本研究選取江蘇省南京秦淮河（溧水石臼湖—江寧彭福段）航道整治工程，工程全長(zhǎng)21 km，按照四級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)整治，最大設(shè)計(jì)航道等級(jí)為500 t 級(jí)，航道設(shè)計(jì)底寬不小于40 m，最小通航水深不小于2.5 m，最小彎曲半徑為320 m。江蘇中泰建發(fā)集團(tuán)有限公司（以下稱施工方）承建其中第6標(biāo)段護(hù)岸工程，長(zhǎng)約3 km。

由于重力式擋土墻基坑開(kāi)挖的土質(zhì)體量大，如果邊坡支護(hù)措施欠缺，在擋土墻澆筑過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)邊坡滑移而給施工人員帶來(lái)安全隱患。按照設(shè)計(jì)規(guī)范要求，施工基坑斷面穩(wěn)定系數(shù)應(yīng)大于1.2，但在實(shí)際施工中需綜合考慮巖土的密實(shí)度、飽和度等降雨入滲形成的流固耦合影響，以減少或避免基坑邊坡施工安全隱患。

2 基坑邊坡流固耦合施工環(huán)境

重力式擋土墻基坑開(kāi)挖，在正常施工條件下往往不重視土質(zhì)的飽和度，但由于降雨入滲因素的影響，會(huì)形成邊坡滑移而大面積塌方，由此帶來(lái)的施工安全隱患不容忽視。從巖土動(dòng)力學(xué)來(lái)說(shuō)，長(zhǎng)時(shí)間的天降大雨將抬升地下水位使得土體孔隙水壓力升高，致使邊坡土體的抗剪強(qiáng)度下降，在基坑邊坡區(qū)域形成暫態(tài)飽和區(qū)[1]，因此施工方應(yīng)重視雨水的瞬態(tài)滲流對(duì)基坑邊坡應(yīng)力的影響變化。針對(duì)此類施工安全隱患，施工方應(yīng)分析其成因，采用實(shí)際試驗(yàn)和理論計(jì)算相結(jié)合的方法，制定深基坑邊坡安全施工預(yù)案，采取有效的安全施工防范措施，并關(guān)注其對(duì)重力式擋土墻澆筑質(zhì)量的影響。

2.1 研究模型選擇

施工段重力式擋土墻基坑開(kāi)挖斷面如圖1 所示，分層開(kāi)挖樁號(hào)為43K+200—43K+725（長(zhǎng)525 m），平地開(kāi)河段設(shè)計(jì)為B2型護(hù)岸，原地面高程10.0 m左右。施工段上層為黏土，下層為全風(fēng)化角砂巖，此段施工要求按坡比斷面分層開(kāi)挖至河底高程。為便于研究，選擇的基坑開(kāi)挖邊坡簡(jiǎn)化后的模型如圖2 所示，圖中邊坡角度為38°，高度6 m。根據(jù)本標(biāo)段工程的巖土勘察報(bào)告以及取樣試驗(yàn)，假設(shè)初始地下水位低于邊坡底部，經(jīng)試驗(yàn)得出土層基礎(chǔ)力學(xué)指標(biāo)為彈性模量8.5 MPa、泊松比0.33、凝聚力11 kPa、摩擦角18.2°。

圖2 基坑簡(jiǎn)化邊坡幾何模型

2.2 模型流固耦合計(jì)算理論

本標(biāo)段施工區(qū)的地質(zhì)一般在5.5 m 以下能挖到全風(fēng)化角砂巖，比純黏土層孔隙小，導(dǎo)致地下水含量較少。在邊坡土體的地下水位不高的情況下，土體內(nèi)部孔隙水壓力會(huì)處于相對(duì)平衡狀態(tài)，但當(dāng)發(fā)生較長(zhǎng)時(shí)間強(qiáng)降雨時(shí)，土體的飽和度將會(huì)隨之發(fā)生變化：從殘余飽和度向最大飽和度過(guò)渡[2]。而從土力學(xué)來(lái)看，由于降雨將導(dǎo)致土體產(chǎn)生應(yīng)力、應(yīng)變的變化，在一定環(huán)境因素作用下，應(yīng)力與應(yīng)變具有內(nèi)在的關(guān)聯(lián)性[3]。

在邊坡土體的地下水位不高的情況下，土體滲透系數(shù)與基質(zhì)吸力關(guān)系為：

式中：Kw為基質(zhì)吸力（kPa）；Kws為土體飽和時(shí)的滲透系數(shù)（m/h），取0.018 m/h；ua為土體中的氣壓（kPa），取0；uw為土體中的水壓力（kPa）；aw、bw、cw為材料系數(shù)，分別取950、0.02、1.64。

在邊坡土體的地下水位比較高的情況下，如雨水滲入土體，則土體飽和度計(jì)算公式為[4]：

式中：Sr為土體飽和度；Si為殘余飽和度，取0.07；Sn為最大飽和度，取1；as、bs、cs為材料吸收系數(shù)，分別取1、4.8×10-5、3.3；其余變量含義同上。

本研究模擬邊坡開(kāi)挖施工環(huán)境，模型所需基礎(chǔ)參數(shù)取自工程巖土勘察報(bào)告及取樣試驗(yàn)成果，模型計(jì)算依據(jù)為式（1）和式（2）。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，分析施工模型在降雨入滲過(guò)程中的力學(xué)性能，以期為施工方對(duì)基坑分層開(kāi)挖安全施工管理提供數(shù)據(jù)支撐。

3 基坑邊坡流固耦合計(jì)算與分析

秦淮河航道整治工程第6 標(biāo)段為重力式擋土墻基坑開(kāi)挖，需要按照施工組織設(shè)計(jì)進(jìn)行施工。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)記載，由于施工土體經(jīng)常受降雨入滲等環(huán)境條件的影響，存在基坑施工安全隱患及由此引發(fā)的對(duì)擋土墻澆筑質(zhì)量構(gòu)成病害等問(wèn)題[5，6]。本研究擬采用對(duì)比方法，利用ABAQUS 有限元分析軟件計(jì)算無(wú)降雨和有降雨2 種工況下施工過(guò)程對(duì)土體應(yīng)力和應(yīng)變的影響。依據(jù)江蘇地區(qū)雨季時(shí)中等降雨氣象統(tǒng)計(jì)資料，針對(duì)降雨氣象條件分為2 個(gè)時(shí)段點(diǎn)即23.07 和53.82 h 統(tǒng)計(jì)，在計(jì)算約束條件選擇中，剔除非正常強(qiáng)降雨年份對(duì)航道施工不利影響因素。

3.1 孔隙比變化

根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)資料記載，基坑分層施工中，土層穩(wěn)定與其孔隙比密切相關(guān)，并且對(duì)基坑邊坡下滑力、抗滑力有重要影響[7]。由于土體的密實(shí)度不同，孔隙比會(huì)存在明顯差異。降雨23.07 和53.82 h 孔隙比情況，如圖3所示。

圖3 孔隙比對(duì)比

從圖3可以看出，在降雨23.07 和53.82 h 2個(gè)時(shí)段點(diǎn)，孔隙比的變化不大。圖3（a）表明在降雨23.07 h時(shí)，土體的孔隙比接近最大值0.9996（在平均75%的條件下），且表層土體的孔隙比要比深層土壤大。圖3（b）表明在基坑施工中，需要關(guān)注長(zhǎng)時(shí)間強(qiáng)降雨天氣，如可采取表層覆蓋土工膜，保持孔隙比在土體中變化分布均勻，便于下道工序能安全施工。

3.2 孔隙壓變化

在基坑分層施工中，當(dāng)已知土層孔隙比的分布規(guī)律時(shí)，則需要進(jìn)一步探究其中的水壓力，可用孔隙壓來(lái)表征。無(wú)降雨和降雨23.07 h 孔隙壓情況，如圖4所示。

圖4 孔隙壓對(duì)比

從圖4（a）可以看出，在長(zhǎng)期無(wú)降雨的情況下，土體處于非飽和區(qū)，隨著土體高程增大，向上基質(zhì)吸力逐漸增大，當(dāng)超過(guò)一定高程（4.3 m）后基質(zhì)吸力保持不變狀態(tài)。而從圖4（b）可以看出，當(dāng)中等降雨達(dá)到23.07 h 時(shí)，孔隙壓的等值線分布與無(wú)降雨?duì)顟B(tài)相比，其差異變化比較明顯，即邊坡頂部以下的基質(zhì)吸力區(qū)范圍進(jìn)一步減少，土體的飽和度逐漸增大；當(dāng)降雨停止一段時(shí)間（一般為4 d）后，又回到圖4（a）狀態(tài)，即隨著土體飽和度減小，孔隙壓也在減小，基坑邊坡表層的基質(zhì)吸力將恢復(fù)到初始狀態(tài)。

3.3 飽和度變化

在基坑施工組織設(shè)計(jì)中，除了關(guān)注孔隙比、孔隙壓參數(shù)之外，基坑邊坡土體的飽和度與降雨關(guān)系極大，如圖5 所示。從圖5（a）可以看出，長(zhǎng)期處于無(wú)降雨?duì)顟B(tài)下，土體基質(zhì)吸力大，基坑底部絕大部分區(qū)域土體處于欠飽和狀態(tài)，介于基坑底部和頂部比較小的區(qū)域（圖中深色部分）土體處于飽和狀態(tài)。從圖5（b）可以看出，經(jīng)過(guò)53.82 h 降雨后，基坑底部土體已處于飽和狀態(tài)，最大飽和度值達(dá)到1.06，此時(shí)土體基質(zhì)吸力處于極小狀態(tài)。此外，從圖5 還可以看出，當(dāng)超過(guò)一定高程后，基坑邊坡的基質(zhì)吸力保持不變。

圖5 飽和度對(duì)比

3.4 孔隙水有效速度變化

分析基坑邊坡土體孔隙水的流速，需要做有效速度對(duì)比分析。分3 種情況討論模擬孔隙水有效速度等值線，如圖6所示。

圖6 孔隙水有效速度對(duì)比

從圖6（a）可以看出，由于無(wú)降雨，孔隙水有效速度比較小且分散，沒(méi)有形成集聚態(tài)勢(shì)，符合一般基坑孔隙水有效速度在無(wú)降雨下的分布特征。從圖6（b）可以看出，當(dāng)降雨達(dá)到23.07 h 后，基坑邊坡表層孔隙水有效速度在增大，而且集中于邊坡下半部分，邊坡土層的下滑力有增大的趨勢(shì)，易形成土體分裂面，在雨季基坑需要加強(qiáng)支撐措施。從圖6（c）可以看出，當(dāng)降雨達(dá)到53.82 h 后，基坑表層孔隙水有效速度繼續(xù)增大且集中在邊坡夾角處，可能存在邊坡滑移的風(fēng)險(xiǎn)。此外，從圖6（c）還可看出，在降雨入滲形成的流固耦合作用下，距離邊坡夾角約2 m 處出現(xiàn)的滲水有效流速增大，其基坑土層內(nèi)部的孔隙水有效流速也有相應(yīng)增大的趨勢(shì)，土體的位移自由度將會(huì)與邊坡表層滲水產(chǎn)生耦合效應(yīng)，從而使得基坑邊坡存在大面積孔隙水有效速度。

3.5 應(yīng)力變化

基坑分層開(kāi)挖施工，最大的安全隱患是基坑邊坡大面積滑移，且滑力隨應(yīng)力而變化。據(jù)文獻(xiàn)記載，當(dāng)下滑力小于抗滑力時(shí)，邊坡土層處于穩(wěn)定狀態(tài)，反之則處于失穩(wěn)狀態(tài)[8]。

在基坑土層中，應(yīng)力反映了土體的受力狀態(tài)?；舆吰仑Q向應(yīng)力S33的等值線如圖7所示，經(jīng)歷無(wú)降雨到降雨23.07 h后的豎向應(yīng)力S33的變化是比較明顯的。降雨后邊坡豎向應(yīng)力減小，主要原因是孔隙壓增大，基坑表層最大拉應(yīng)力為10.02 kPa、最大壓應(yīng)力為144 kPa，處于基坑邊坡未開(kāi)挖最底層。由此可見(jiàn)，當(dāng)邊坡豎向應(yīng)力S33減小到一定程度時(shí)，拉應(yīng)力到達(dá)屈服面并沿屈服面向左下方基坑底部移動(dòng)，如圖7（b）所示；而當(dāng)屈服面繼續(xù)增大且土層沒(méi)有外力約束的情況下，將會(huì)形成塌方面，施工方需要引起高度重視。當(dāng)降雨減小并停止一段時(shí)間后，在屈服面不斷收縮的情況下，壓應(yīng)力又回到圖7（a）所示狀態(tài)。

圖7 邊坡豎向應(yīng)力對(duì)比

3.6 豎向應(yīng)力與孔隙水有效速度、孔隙比之間的關(guān)系

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，本研究選擇了經(jīng)歷降雨23.07 h后邊坡豎向應(yīng)力與孔隙水有效速度、孔隙比之間的關(guān)系，如圖8所示。

圖8 豎向應(yīng)力隨孔隙水有效速度、孔隙比的變化

從圖8 可以看出，豎向應(yīng)力在邊坡基坑開(kāi)挖過(guò)程中，遇到強(qiáng)降雨約1 d 后，基坑上部表層的土體孔隙水有效速度、孔隙比變化明顯增大，沿著表層屈服面拉應(yīng)力顯著增長(zhǎng)，然而當(dāng)超過(guò)屈服面時(shí)則形成土體開(kāi)裂面，表明土層有下滑趨勢(shì)。此外，結(jié)合圖3、圖5 和圖6，當(dāng)經(jīng)過(guò)2 d 強(qiáng)降雨后，受流固耦合作用，邊坡孔隙水有效速度、孔隙比、飽和度等參數(shù)變化加快，邊坡開(kāi)裂坍塌風(fēng)險(xiǎn)加大。因此，施工方要做好深基坑施工強(qiáng)降雨預(yù)防措施，如表層采用土工布覆蓋、加強(qiáng)智能化排水監(jiān)測(cè)、使用管排樁圍擋等支護(hù)措施開(kāi)挖坡面。

4 結(jié)論

基坑邊坡開(kāi)挖是現(xiàn)代航道整治工程中重力式擋土墻的先導(dǎo)分項(xiàng)工程施工，根據(jù)本研究所選模型的計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)，形成基坑邊坡的下滑力和抗滑力的因素有基坑邊坡土層孔隙比、孔隙壓、飽和度、孔隙水有效速度等，這些因素產(chǎn)生的邊坡豎向應(yīng)力將會(huì)引起邊坡淺層下滑力和抗滑力的相互作用，形成結(jié)論如下。

（1）在雨季一晝夜強(qiáng)降雨情況下，土層拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的變化將導(dǎo)致抗滑力小于下滑力的風(fēng)險(xiǎn)，在基坑分層開(kāi)挖施工中，需要對(duì)施工邊坡進(jìn)行加固支護(hù)。

（2）利用有限元分析方法，模擬了實(shí)際基坑開(kāi)挖施工場(chǎng)景的邊界約束條件，減少了實(shí)際試驗(yàn)施工成本，優(yōu)化了施工節(jié)點(diǎn)工期，對(duì)以后深基坑開(kāi)挖類似分項(xiàng)工程施工具有借鑒意義。

（3）深基坑開(kāi)挖的施工組織設(shè)計(jì)參數(shù)如降雨下孔隙比、孔隙壓、飽和度、孔隙水有效速度、豎向應(yīng)力等，應(yīng)隨著施工環(huán)境和施工進(jìn)度的推進(jìn)，不斷進(jìn)行修正，其計(jì)算參數(shù)不必停留在勘測(cè)階段的獲取，而應(yīng)在施工過(guò)程中根據(jù)取樣試驗(yàn)及時(shí)動(dòng)態(tài)更新。