各向同性承壓層基坑突涌穩定計算方法分界條件的定量分析

黃繼臻

中鐵建華東市政工程事業部 江西 豐城 331100

1 引言

在基坑突涌穩定計算方法中，前輩們已經做了大量的理論分析，并建立了多種基坑底板土層抗突涌穩定臨界厚度的公式。傳統的壓力平衡法[1]假定承壓水基坑的承壓水頭只要克服含水層頂板不透水層土體自重力，即可發生突涌。楊建民[2]認為基坑降水破壞類型分為潛蝕、流砂、管涌和突涌四種，其中潛蝕、流砂、管涌屬于體積力失穩破壞，突涌屬于面積力失穩破壞。面積力安全驗算主要考慮承壓含水層浮托力和上覆土重之間的平衡，同時考慮考慮含水層頂板以上抗突涌土體四周抗剪強度的作用和底部黏聚力的作用。

丁春林等[3]指出，軟土地區承壓水基坑抗突涌穩定分析應從坑底土透水性和土體發生突涌破壞的機理著手?？拥诪椴煌杆畬油習r，應從土體發生突涌塑性破壞的角度進行分析，建立了坑底隔水層土體塑性破壞的分析模型[4]；坑底為弱透水層土時，應從土體發生突涌滲透破壞的角度進行分析，建立了基坑突涌滲透破壞的分析模型。潘泓等[6]認為，當上覆土層整體性好、滲透性小的情況下，將其作為一個整體來抵抗水壓力，當上覆土層受到的水壓力小于上覆層總重，則上覆層就不會發生突涌破壞，同時應考慮上覆土層與其他結構側壁間的摩擦力也可抵抗水壓力；對于上覆層整體性差、滲透性大的情況，應采用上覆土層有效重度平衡滲透力的方法計算判別其安全性。

目前在基坑突涌驗算中較常用的方法為將上覆土層作為一個完全不透水的整體，用其重力來平衡水壓力，但由于上覆土層并不是絕對不透水的，在其內部仍有滲流發生，一旦其某一最薄弱處的滲透力大于有效重度，盡管上覆土層整體上滿足上述抗突涌條件，仍然會在局部發生坑底失穩破壞。丁春林[5]將坑體土體分為不透水土層和弱透水土層兩種情況進行分析。潘泓等[6]將坑體土體分成整體性好、滲透性小以及整體性差、滲透性大兩種情況分析。但筆者產生了疑問，不透水和弱透水，整體性好、滲透性小以及整體性差、滲透性大都是定性的理解，能否用定量分析來判斷兩種情況的界限？本文主要從這方面進行探討與分析。

2 突涌土體滲透坡降的近似求解

為了推導出基坑底板突涌土體的滲透坡降的近似求解方法，就江西省豐城市地下綜合管廊工程項目基坑支護情況進行有限元分析，采用曹洪教授研制的二維穩定滲流計算程序進行模擬?；娱_挖寬度為12.1m，長度為1100m，開挖深度為10.5m；采用直徑為800mm灌注樁與直徑為650mm的水泥攪拌樁咬合作為圍護結構，樁長為18.5m。自地表向下的土層情況如表1所示。

表1 各土層物理性質情況

場地地下水分為淺層潛水和承壓水。潛水水位取至地面以下0.2m。承壓水層主要賦存于②-3c3粉土及以下的粉砂、粉細砂、中砂層，承壓水水頭基本與地面持平。各承壓含水層中的垂直滲透系數與水平滲透系數均為10-4級，可視為各向同性土。

計算模型范圍：橫向上向基坑兩邊取至基坑寬度5倍距離處；高度方向上取至地面高度，下取至②-6d1-2中密粉細砂底板。

水頭邊界：低于地表0.2m的左端面、右端面及上端面給定水頭10.3m（取基坑開挖面為基準面，以下同）；在②-3c3粉土頂板至②-6d1-2中密粉細砂底板范圍的左、右端面給定水頭12m；下端面為不透水邊界。

建立有限元計算模型如圖1所示。計算模型共有1573個節點，2966個三角形單元。

圖1 有限元計算模型

計算結果截取坑底弱透水層部分（以下稱為坑底土體），厚度為5m，其流網圖如圖2所示。橫向的線條為等水頭線，豎向的線條為流線。土體底部的承壓水頭為10.428m，基本與地面持平，符合現實情況，位置水頭為-5m，所承受的承壓水壓力為154.28kPa。土體總重為17.7×5=88.5kPa。由壓力平衡法可知，該基坑將發生突涌破壞。

圖2 坑底土體流網圖

計算模型所得滲透坡降如圖3所示，箭頭的方向表示滲透坡降的方向，箭頭的長度表示滲透坡降的大小。由圖3可以看到，坑底土體各點處的滲透坡降基本一致。從計算結果中提取坑底土層滲透坡降，用Surfer軟件繪制如圖4的等值線圖（負號表示方向向上）。從圖3上也可以看到，坑底土體滲透坡降大小范圍為2.082～2.112之間，差異很小，大部分范圍土體滲透坡降為2.082～2.098之間，只有四角處的坡降為2.098～2.112之間?？紤]取平均值2.105作為坑底土體整體的滲透坡降。

圖3 坑底土體滲透坡降

圖4 坑底土體滲透坡降等值線圖

3 基坑突涌計算方法的分界條件

潘泓等[6]建議，當上覆土層整體性好滲透性小的情況下，采用(2)式來計算分析其抗突涌安全性（以下稱為方法1）；對于上覆層整體性差、滲透性大的情況，采用(3)式來計算分析其抗突涌安全性（以下稱為方法2）。

為了方便計算，將上述基坑的各承壓水層等效為一層，厚度為各層土的厚度之和。用(4)、(3)式分別計算安全系數用式(1)計算坑底土體的滲透坡降。

為了直觀地探討滲透系數比值與水力坡降的關系，繪制了如圖5所示的曲線圖（橫坐標表示比值的指數部分，底數為10）。由圖5可以看出，在滲透系數比值為-1到-2數量級之間的曲線斜率較大，比值為-2到-3數量級之間開始變緩，達到-3數量級之后基本成一直線。由此推出，比值為-3數量級是滲透坡降變化的一個拐點。

圖5 滲透系數比值與水力坡降的關系曲線

為了進一步研究滲透系數比值與坑底土體突涌破壞安全系數的關系，繪制了如圖6所示的曲線圖。由圖6可以看出，滲透系數比值與坑底土體突涌破壞安全系數的關系曲線與滲透系數比值與水力坡降的關系曲線具有相同的規律：在滲透系數比值為-1到-2數量級之間的曲線斜率較大，比值為-2到-3數量級之間開始變緩，達到-3數量級之后基本成一直線。圖6證實了，比值為-3數量級是滲透坡降變化的一個拐點。

圖6 滲透系數比值與坑底土體突涌破壞安全系數的關系曲線

綜合上述的分析，在承壓水層為各項同性土層時，考慮將滲透系數比值為-3數量級，即坑底土層的滲透系數為承壓水土層滲透系數的1/1000時作為兩種突涌穩定計算方法的分界條件。在滲透系數比值大于1/1000時，坑底土體為弱透水層，內部仍然有滲流發生，應采取方法2分析其抗突涌安全性，即當坑底土層有效重度大于滲透力時，才能判斷基坑不會發生突涌；在滲透系數比值小于1/1000時，坑底土體為不透水層，采取方法1分析其抗突涌安全性，即當坑底土層重量大于承壓水層的浮托力時，才能判斷基坑不會發生突涌破壞。

4 總結

本文在總結前輩們對基坑突涌破壞機理及穩定計算方法的前提下，比較認同將坑底土層分為弱透水層和不透水層兩種情況，分別進行穩定分析的方法。但文獻[3]和[6]中，都沒有定量地說明兩種分析方法的分界條件。本文經過上述的有限元分析及計算，得出了以下的兩個主要的結論：

(1)各向同性承壓含水層上覆坑底土體的滲透坡降J可以近似地公式(1)計算。

(2)如果承壓水層為各向同性土層，當滲透系數比值大于1/1000時，應采取方法2分析其抗突涌安全性；當滲透系數比值小于1/1000時，采取方法1分析其抗突涌安全性。