均質砂土地基基坑滲透破壞模型試驗研究

王 楓，席培勝，嚴 中，張興其，浦玉炳，席彬彬，肖博文

(1.安徽建筑大學 安徽省建筑結構與地下工程重點實驗室，安徽 合肥 230601；2.合肥市市政設計研究總院有限公司，安徽 合肥 230041)

基坑工程中，尤其在地下水豐富地區，為防止出現地下水的滲透破壞情況，保證施工安全，防滲結構起到主要作用，不同的防滲形式適應于不同的地層情況。在滲流場的作用下，坑內土體有效應力下降會直接降低圍護結構對主體的支撐作用，導致圍護結構受力變形。而一旦坑內土體發生滲透破壞,就完全失去了支撐作用，嚴重威脅基坑工程及周邊環境的安全[1-3]。冉龍[4]通過模型試驗結合數值模擬，研究了土體密實度、黏聚力、內摩擦角、樁土界面摩擦特性等因素對臨界水力梯度以及滲透破壞模式的影響；胡琦[5-6]采用模型試驗，通過對水頭與土體變形的觀測，研究均質砂土與粉土地層基坑工程中考慮基樁影響的滲透破壞問題，揭示了基坑工程土體滲透破壞模式；并結合數值模擬分析，分析了基樁對土體滲透破壞的影響以及滲流對基樁受力變形的影響；劉歷波[7]利用Midas軟件對某深基坑工程進行滲流模擬，針對坑內外土體的孔隙水壓力，研究了其在基坑開挖過程中的分布變化規律；何紹衡[8]采用ABAQUS軟件建立了某基坑的三維流固耦合模型，分析了預降水深度、止水帷幕深度對基坑變形性狀的影響。本文采用自制的滲流模型試驗臺，對基坑工程中地下水滲流特征及滲透破壞進行試驗研究，探討均質砂性地層中滲透破壞形式，以及防滲墻入土深度對防滲效果的影響，采用PLAXIS軟件的滲流分析模塊,對基坑滲流場進行分析,研究不同滲流邊界條件對滲流場分布形式的影響。

1 基坑滲流模型試驗概況

1.1 模型箱設計

圖1 模型箱主體裝置

本次模型試驗模擬基坑工程中地下水滲流情況，試驗裝置包括：

(1)以L型為主體的砂槽如圖1，材質為有機玻璃，以中間的斷口處為界線，分別模擬基坑內與基坑外，坑外部分的砂槽高度為110 cm，坑內部分的砂槽高為60 cm，整體的砂槽長度為110 cm，寬度30 cm。砂槽的一個側面，有19個開孔，為水位測量點，配以濾頭。

(2)防滲墻用有機玻璃板來模擬，長110 cm，寬30 cm，厚度為8 mm，試驗過程中，玻璃板的兩邊與模型箱內壁接觸處，涂抹少量玻璃膠以防漏水。

(3)19根帶刻度的玻璃管，長110 cm，內徑8 mm，通過軟管與砂槽上的濾頭相連，組成整個水位測量系統。

1.2 砂土級配及相關參數

試驗所用到的砂土取自某一隧道工程的施工現場，其顆粒級配曲線如圖2所示。其中，平均粒徑d50=0.125 mm，不均勻系數Cu=5.8，曲率系數Cc=2.2。最大與最小干密度分別為ρdmax=1 687.75 kg/m3，ρdmin=1 388.12 kg/m3。

圖2 砂土的顆粒級配曲線

1.3 試驗過程

(1)模型箱內填土高度為400 mm，將砂土烘干后用5 mm孔徑試驗篩過篩，分層填筑，在對應埋深位置安插好玻璃板模擬防滲結構。

(2)填土完成后，緩慢加水至模型箱的高槽區域，直到整個土體剛好飽和，靜置一段時間后，用環刀取少量土樣稱重，測定土體飽和密度。

(3)在模型箱的高槽部分逐步施加水頭(每次增加50 mm)，與坑外土面形成水頭差，待水頭穩定之后，記錄水位點處的水位值，并隨時觀察箱內土體的變形情況，直至土體完全滲透破壞。

2 PLAXIS數值模擬分析

數值模擬原型為所做的模型試驗箱，利用PLAXIS 2D軟件進行滲流情況模擬。采用PLAXIS軟件建立二維模型，整個模型由土體和防滲墻組成，如圖3所示。結合所做的相似模型試驗設計，將數值模型尺寸取為100 cm×40 cm，土體為砂土，結合實際試驗所得土體參數，具體如表1所示，不考慮滲流對土體參數的影響。防滲墻用板單元來模擬，并在板單元周圍加上界面單元用來模擬土和結構的相互作用，在計算地下水滲流時激活界面單元，可以防止水流通過防滲墻。固定防滲墻兩側的水頭差，模型的兩側以及底部邊界設定為滲流閉合邊界，防止對滲流結果造成影響。

需指出的是，此次模擬無法準確表現土體的破壞，所以只能借由土體中水的滲流速度變化做定性的對比，其主要目的是與相似模型試驗結果相互印證。

表1 細砂數值模擬參數表

圖3 數值模擬模型圖

3 模型試驗結果分析

模型試驗一共為三組：防滲墻入土埋深100 mm；防滲墻入土埋深150 mm；防滲墻入土埋深200 mm，其余條件保持不變。

3.1 模型試驗破壞結果分析

填土后用環刀取土稱重為333.6 g，環刀自重103.1 g，直徑6.18 cm，高4 cm，體積為119.92 cm3(π取3.14)，算得飽和密度ρs1=1.92 g/cm3。另兩組試驗中土體用環刀取土稱重分別為331.2 g和335.9 g，同樣計算出飽和密度并取三組平均值，最后得出ρs=1.92 g/cm3，說明三組試驗中的土體密實度近似相同，具有可比性。再按照公式[9]ρs=(ds+e)/(e+1)，其中細砂土顆粒比重取2.67，即可得到土體孔隙比e=0.82。

將模擬防滲墻的玻璃板插入土體深100 mm，逐級抬高坑內外水頭差，最終土體發生滲透破壞時的水頭差為158 mm，如圖4、圖5所示。當水頭差接近破壞水頭時，土體發生變形，坑內土體略微隆起，意味著土顆粒之間開始變得疏松；當總水頭達到臨界破壞水頭，土體發生急劇變形，坑內土體明顯隆起，而坑外土體則快速下陷，形成了自上而下的剪切破壞帶，并且與防滲墻之間形成了一個楔形體。

第二組試驗中，防滲墻入土埋深為150 mm，重復第一組的試驗操作，逐級增加坑內水頭，直至土體發生滲透破壞，破壞時的水頭差為236 mm。對比第一組試驗可以看出，防滲墻的入土埋深雖然僅僅加深了5 cm，但防滲效果顯著，破壞水頭由158 mm提升到236 mm，提升了78 mm。

第三組試驗中，防滲墻的埋深增加為200 mm，同樣重復上組操作，逐級增加坑內水頭，直至土體發生滲透破壞，破壞時的水頭差為283 mm，相比于150 mm埋深時的破壞水頭提升了47 mm。

圖4 流土破壞 圖5 破壞后土體形態

圖6 水位測試點分布圖

3.2 試驗中水位點水位變化規律

整個模型箱水位測試點的分布情況如圖6所示，一共19個測點，為了更好地分析防滲墻及土體之間的滲流場情況，本次試驗僅選取防滲墻周圍一圈的水位測試點，從上到下依次以1～9進行編號。

以第二組試驗(防滲墻埋深15 cm)為例，分別記錄在50 mm、100 mm、150 mm、200 mm水頭下，這9個水位測試點的水位值，如圖7所示。其中1號點位于水中，代表著實際坑外水頭，即總水頭差，9號點位于坑內土體表面以上，水位值不變為零。

由圖7可以看出：水頭差分別為50 mm、100 mm、150 mm、200 mm時，各點總體的水頭值變化趨勢基本相同，其中，1號點到3號點及7號點到8號點的降幅最大，3號點到7號點水頭下降較平穩。

同時以水頭差為橫坐標，觀察各點的水位變化見圖8。

圖7 各點水頭值隨水頭差變化規律 圖8 15 cm埋深時各點水頭值

從圖8中可以看出：在水頭差為50～100 mm時，各點的水頭為線性增長；而在水頭差100～150 mm時，2、4、6點的水頭增長速率略有增加，其余點近乎保持線性增長；當水頭差增加至200 mm，接近最終的破壞水頭時，2至7號點的水頭增長速率都略有下降。

3.3 滲流場模擬結果分析

(1)防滲墻入土深度10 cm

當防滲墻入土深度為10 cm時，滲流示意圖見圖9，滲流場云圖見圖10。

圖9 滲流示意圖 圖10 滲流場云圖

由圖9可以看出：防滲墻左側的水頭整體向右側發生滲流，且明顯可以看出土體中的水有繞過防滲墻的流向，這也符合防滲墻的作用機理，通過增加地下水的滲流路徑以此來達到防止滲透破壞的目的。

由圖10可以看出：土體滲流速度最大的位置處于防滲墻末端偏左的位置，最大流速為32.11 m/d。通過滲流場的流速分布可以看出，砂性土體的滲流破壞模式接近于楔形破壞。

(2)防滲墻入土深度15 cm

當防滲墻的入土深度為15 cm時，滲流場云圖如圖11所示。整個滲流場的分布趨勢與10 cm埋深時基本一致，土體中水滲流速度最大的位置位于防滲墻的末端，最大流速為25.94 m/d ，可以看出雖然防滲墻的埋深僅增加了5 cm，但是對整個滲流場影響較大，流速有了明顯降低。

(3)防滲墻入土深度20 cm

防滲墻入土深度為20 cm時，滲流場云圖如圖12所示。

圖11 15 cm埋深時滲流場云圖 圖12 20 cm埋深時滲流場云圖

相較于10 cm埋深的情況，沒有過于集中，發生最大滲流速度的位置依舊處于防滲墻的末端偏左的位置，最大流速為22.37 m/d。防滲墻入土深度從15 cm增加到20 cm對土體中水的滲流速度的影響沒有10 cm增加到15 cm時有效。

4 結論

(1)在均質砂土地基中，防滲墻底部的土體受滲透力的作用形成貫通的塑性區，發生楔形體滲透破壞。

(2)當防滲墻插入土體中，地下水有繞過防滲墻的流向，通過增加滲流路徑，減小了水力梯度，可以防止滲透破壞。

(3)土體中插入防滲墻，防滲墻的底部為最大滲流流速位置；而隨著防滲墻入土深度的增加，整個滲流場的滲流速度逐漸減小。

(4)試驗與模擬結果表明，防滲墻每增加相同的入土深度，其防滲效果并不一致，在均質砂土地層中，當防滲墻的埋深從該土層的1/4深處增加至3/8深處，臨界水頭差增加約50%，而防滲墻從3/8埋深處增加至1/2深處，臨界水頭差僅增加28%；即防滲墻埋深由土層1/4處增加至3/8處和由3/8處增加至1/2處，增加同樣埋深，臨界水頭增長率前者約為后者的兩倍。實際工程中應充分考慮水文地質條件及施工成本，優化防滲墻的設計埋深。