曹 洋

（江蘇中泰建發(fā)集團有限公司，江蘇 泰州 225300）

內(nèi)河航道整治工程中，構(gòu)筑護岸結(jié)構(gòu)一般使用重力式C25 混凝土擋土墻，用來防止邊坡泥土進入河道，然而在構(gòu)筑擋土墻前需開挖其相應的基坑。由于基坑的體量大且深度深，勢必會帶來降雨入滲造成基坑邊坡滑移的風險，從而給基坑開挖施工帶來安全隱患。本研究針對江蘇地區(qū)雨季施工及工程量較大的特點，從降雨入滲動力學角度，分析擋土墻基坑開挖形成的土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性問題。

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21 km，按照四級航道標準整治，最大設計航道等級為500 t 級，航道設計底寬不小于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)集團有限公司（以下稱施工方）承建其中第6標段護岸工程，長約3 km。

由于重力式擋土墻基坑開挖的土質(zhì)體量大，如果邊坡支護措施欠缺，在擋土墻澆筑過程中可能會出現(xiàn)邊坡滑移而給施工人員帶來安全隱患。按照設計規(guī)范要求，施工基坑斷面穩(wěn)定系數(shù)應大于1.2，但在實際施工中需綜合考慮巖土的密實度、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，會形成邊坡滑移而大面積塌方，由此帶來的施工安全隱患不容忽視。從巖土動力學來說，長時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]，因此施工方應重視雨水的瞬態(tài)滲流對基坑邊坡應力的影響變化。針對此類施工安全隱患，施工方應分析其成因，采用實際試驗和理論計算相結(jié)合的方法，制定深基坑邊坡安全施工預案，采取有效的安全施工防范措施，并關(guān)注其對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挖斷面如圖1 所示，分層開挖樁號為43K+200—43K+725（長525 m），平地開河段設計為B2型護岸，原地面高程10.0 m左右。施工段上層為黏土，下層為全風化角砂巖，此段施工要求按坡比斷面分層開挖至河底高程。為便于研究，選擇的基坑開挖邊坡簡化后的模型如圖2 所示，圖中邊坡角度為38°，高度6 m。根據(jù)本標段工程的巖土勘察報告以及取樣試驗，假設初始地下水位低于邊坡底部，經(jīng)試驗得出土層基礎力學指標為彈性模量8.5 MPa、泊松比0.33、凝聚力11 kPa、摩擦角18.2°。

圖2 基坑簡化邊坡幾何模型

2.2 模型流固耦合計算理論

本標段施工區(qū)的地質(zhì)一般在5.5 m 以下能挖到全風化角砂巖，比純黏土層孔隙小，導致地下水含量較少。在邊坡土體的地下水位不高的情況下，土體內(nèi)部孔隙水壓力會處于相對平衡狀態(tài)，但當發(fā)生較長時間強降雨時，土體的飽和度將會隨之發(fā)生變化：從殘余飽和度向最大飽和度過渡[2]。而從土力學來看，由于降雨將導致土體產(chǎn)生應力、應變的變化，在一定環(huán)境因素作用下，應力與應變具有內(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。

本研究模擬邊坡開挖施工環(huán)境，模型所需基礎參數(shù)取自工程巖土勘察報告及取樣試驗成果，模型計算依據(jù)為式（1）和式（2）。根據(jù)計算結(jié)果，分析施工模型在降雨入滲過程中的力學性能，以期為施工方對基坑分層開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算與分析

秦淮河航道整治工程第6 標段為重力式擋土墻基坑開挖，需要按照施工組織設計進行施工。根據(jù)相關(guān)文獻記載，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)的對擋土墻澆筑質(zhì)量構(gòu)成病害等問題[5，6]。本研究擬采用對比方法，利用ABAQUS 有限元分析軟件計算無降雨和有降雨2 種工況下施工過程對土體應力和應變的影響。依據(jù)江蘇地區(qū)雨季時中等降雨氣象統(tǒng)計資料，針對降雨氣象條件分為2 個時段點即23.07 和53.82 h 統(tǒng)計，在計算約束條件選擇中，剔除非正常強降雨年份對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)，并且對基坑邊坡下滑力、抗滑力有重要影響[7]。由于土體的密實度不同，孔隙比會存在明顯差異。降雨23.07 和53.82 h 孔隙比情況，如圖3所示。

圖3 孔隙比對比

從圖3可以看出，在降雨23.07 和53.82 h 2個時段點，孔隙比的變化不大。圖3（a）表明在降雨23.07 h時，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)注長時間強降雨天氣，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，當已知土層孔隙比的分布規(guī)律時，則需要進一步探究其中的水壓力，可用孔隙壓來表征。無降雨和降雨23.07 h 孔隙壓情況，如圖4所示。

圖4 孔隙壓對比

從圖4（a）可以看出，在長期無降雨的情況下，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，當超過一定高程（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，當中等降雨達到23.07 h 時，孔隙壓的等值線分布與無降雨狀態(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)范圍進一步減少，土體的飽和度逐漸增大；當降雨停止一段時間（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)吸力將恢復到初始狀態(tài)。

3.3 飽和度變化

在基坑施工組織設計中，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，長期處于無降雨狀態(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)，最大飽和度值達到1.06，此時土體基質(zhì)吸力處于極小狀態(tài)。此外，從圖5 還可以看出，當超過一定高程后，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 孔隙水有效速度對比

從圖6（a）可以看出，由于無降雨，孔隙水有效速度比較小且分散，沒有形成集聚態(tài)勢，符合一般基坑孔隙水有效速度在無降雨下的分布特征。從圖6（b）可以看出，當降雨達到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，易形成土體分裂面，在雨季基坑需要加強支撐措施。從圖6（c）可以看出，當降雨達到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險。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增大的趨勢，土體的位移自由度將會與邊坡表層滲水產(chǎn)生耦合效應，從而使得基坑邊坡存在大面積孔隙水有效速度。

3.5 應力變化

基坑分層開挖施工，最大的安全隱患是基坑邊坡大面積滑移，且滑力隨應力而變化。據(jù)文獻記載，當下滑力小于抗滑力時，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，應力反映了土體的受力狀態(tài)?；舆吰仑Q向應力S33的等值線如圖7所示，經(jīng)歷無降雨到降雨23.07 h后的豎向應力S33的變化是比較明顯的。降雨后邊坡豎向應力減小，主要原因是孔隙壓增大，基坑表層最大拉應力為10.02 kPa、最大壓應力為144 kPa，處于基坑邊坡未開挖最底層。由此可見，當邊坡豎向應力S33減小到一定程度時，拉應力到達屈服面并沿屈服面向左下方基坑底部移動，如圖7（b）所示；而當屈服面繼續(xù)增大且土層沒有外力約束的情況下，將會形成塌方面，施工方需要引起高度重視。當降雨減小并停止一段時間后，在屈服面不斷收縮的情況下，壓應力又回到圖7（a）所示狀態(tài)。

圖7 邊坡豎向應力對比

3.6 豎向應力與孔隙水有效速度、孔隙比之間的關(guān)系

根據(jù)現(xiàn)場施工實際經(jīng)驗，本研究選擇了經(jīng)歷降雨23.07 h后邊坡豎向應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，豎向應力在邊坡基坑開挖過程中，遇到強降雨約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力顯著增長，然而當超過屈服面時則形成土體開裂面，表明土層有下滑趨勢。此外，結(jié)合圖3、圖5 和圖6，當經(jīng)過2 d 強降雨后，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，邊坡開裂坍塌風險加大。因此，施工方要做好深基坑施工強降雨預防措施，如表層采用土工布覆蓋、加強智能化排水監(jiān)測、使用管排樁圍擋等支護措施開挖坡面。

4 結(jié)論

基坑邊坡開挖是現(xiàn)代航道整治工程中重力式擋土墻的先導分項工程施工，根據(jù)本研究所選模型的計算分析發(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)生的邊坡豎向應力將會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）在雨季一晝夜強降雨情況下，土層拉應力和壓應力的變化將導致抗滑力小于下滑力的風險，在基坑分層開挖施工中，需要對施工邊坡進行加固支護。

（2）利用有限元分析方法，模擬了實際基坑開挖施工場景的邊界約束條件，減少了實際試驗施工成本，優(yōu)化了施工節(jié)點工期，對以后深基坑開挖類似分項工程施工具有借鑒意義。

（3）深基坑開挖的施工組織設計參數(shù)如降雨下孔隙比、孔隙壓、飽和度、孔隙水有效速度、豎向應力等，應隨著施工環(huán)境和施工進度的推進，不斷進行修正，其計算參數(shù)不必停留在勘測階段的獲取，而應在施工過程中根據(jù)取樣試驗及時動態(tài)更新。