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.華東交通大學江西省巖土工程基礎(chǔ)設(shè)施安全與控制重點實驗室，江西 南昌330013）

隨著我國城市化建設(shè)的不斷推進，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，因城市建筑密度大、環(huán)境復雜等因素導致基坑開挖、施工、設(shè)計等方面面臨嚴峻考驗[4-5]，“深、大、近、難”已然成為當下基坑工程的基本特點?，F(xiàn)有眾多學者從土體抗剪強度[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)外學者的關(guān)注。

在深基坑圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，準確計算擋土墻后土壓力是國內(nèi)外研究熱點[13-14]。在實際工程中，朗肯土壓力理論與庫倫土壓力理論的應用頗為廣泛，許多經(jīng)典的經(jīng)驗修正公式以及基坑工程支護的設(shè)計規(guī)范[15-17]也是在此基礎(chǔ)上進行修正和折減。

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，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土壓力的影響。但從工程實際角度出發(fā)，研究穩(wěn)定滲流作用下的有限寬度砂土的主動土壓力具有一定的工程意義。通過模型試驗研究穩(wěn)定滲流作用對有限寬度砂土土體主動土壓力的影響，并對模型試驗進行數(shù)值模擬驗證，進一步系統(tǒng)地研究穩(wěn)定滲流作用下有限寬度砂土主動土壓力問題。

1 試驗設(shè)備和裝置

試驗設(shè)備為自主設(shè)計、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、擋墻活動室和標準砂填筑室3個部分。

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；標準砂填筑室用來進行各項土壓力試驗；擋墻活動室是模擬基坑圍護結(jié)構(gòu)變位模式的活動場所，擋墻活動室填筑不同高度的標準砂以模擬不同挖深的基坑，如圖1所示。

標準砂填筑室和擋墻活動室之間有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 試驗模型箱Fig.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，保持整個擋墻的墻面平整并且做好擋墻的防水密封工作。試驗所采用的砂土為中國ISO標準砂，粒度為0.5～1.0 mm。室內(nèi)常規(guī)試驗測得該砂樣的基本力學參數(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 標準砂的基本力學參數(shù)Tab.1 Basic mechanical parameters of standard sand

2 試驗設(shè)計

2.1 穩(wěn)定滲流的實現(xiàn)

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

為了盡可能真實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；隨后在擋墻活動室內(nèi)填筑一層25 cm厚（可根據(jù)試驗設(shè)計填筑不同厚度砂土）的標準砂土層，模擬基坑底部；最后在擋墻活動室與反力架之間設(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，當滲流水儲蓄室和標準砂填筑室內(nèi)的水位處在同一水平線上且維持恒定，即可視為達到穩(wěn)定滲流。

2.2 試驗步驟

試驗分為2個階段，即在進行穩(wěn)定滲流作用下的主動土壓力試驗之前，先對靜水壓力作用下的主動土壓力進行測試，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土壓力值進行測量。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)，打開計算機分析軟件。

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準試驗砂土；對土壓力盒進行標定置零，分層鋪設(shè)標準砂，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到35.8 mL/s不變)，記錄滲流過程與穩(wěn)定滲流時的時程曲線。

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

3 試驗結(jié)果

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

圖3 穩(wěn)定滲流下主動土壓力時程曲線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，測得其土壓力的時程曲線都可以分為“穩(wěn)定滲流、擋墻運動滲流、擋墻停止后滲流”3個階段。

“穩(wěn)定滲流”階段土壓力指擋墻運動以前測得的土壓力值，其曲線較為平緩；“擋墻運動滲流”階段指電機啟動后至擋墻停止前的階段，該階段由于擋墻的勻速轉(zhuǎn)動，土壓力值發(fā)生劇烈波動，且土壓力值均在上下波動中有逐漸減小的趨勢，這是因為擋墻在運動過程中，受到的側(cè)向土壓力從靜止土壓力轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃油翂毫?，從而導致壓力盒測得的壓力值減小；“擋墻停止”階段指在土體第1道破裂面貫穿時的土壓力值，該階段土壓力值的變化相對平緩，此時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土壓力值進行匯總分析，2種條件下測得的3列土壓力盒的主動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的分析，選用擋墻上第2列的土壓力盒實測壓力值進行分析，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土壓力值小于穩(wěn)定滲流條件下的主動土壓力值。

圖4 試驗結(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，活動擋墻高為100 cm，厚度為8 cm，建模尺寸與試驗模型尺寸保持一致。

圖5 模擬尺寸圖Fig.5 Model size diagram

4.2 模型參數(shù)

土體和活動擋墻均受重力作用，需要對以上2個材料定義密度。標準砂土定義相應密度時應當選取干密度。活動擋墻與試驗砂的相關(guān)物理參數(shù)見表3，表4。

表3 活動擋墻物理參數(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

為進行對比分析，利用ABAQUS有限元分析軟件建立3個不同條件下的數(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)值模擬計算主動土壓力結(jié)果與試驗測得的數(shù)據(jù)進行比較，數(shù)值模型計算結(jié)果與試驗測得的數(shù)據(jù)分布規(guī)律一致，由此說明了數(shù)值計算的準確性，結(jié)果如圖6。

圖7為上述3個模型的數(shù)值模擬計算結(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土壓力＜穩(wěn)定滲流作用下有限寬度土體主動土壓力＜穩(wěn)定滲流作用下半有限寬度土體主動土壓力。

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

圖6 數(shù)值模擬與試驗結(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土壓力的影響為出發(fā)點，基于實際工程可能存在的實際問題，開展模型試驗研究，探討了滲流作用對有限寬度的砂土體主動土壓力的影響，主要結(jié)論如下。

1）在模型試驗中，通過測量觀察到主動土壓力可分為“穩(wěn)定滲流”“擋墻運動滲流”“擋墻停止?jié)B流”3個階段，說明擋墻運動會導致主動土壓力值呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律。

2）除了主動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，穩(wěn)定滲流條件下砂土的主動土壓力值也會比靜水條件下的主動土壓力值大。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土壓力小于半無限寬度土體的主動土壓力。

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