降雨入滲對粉砂土基坑開挖穩定性影響分析

羅開珍

(贛州市水利電力勘測設計研究院，江西贛州 341000)

降雨引起基坑失穩的問題一直備受學者們的關注。降雨入滲對邊坡的穩定影響，許多學者已經進行了大量的計算研究，且得到了許多可貴的經驗和成果［1-9］。基坑作為較特殊的人工邊坡，土體表面缺乏植被覆蓋且表層受到一定的施工擾動，其受降雨入滲影響較大。而目前降雨入滲對基坑穩定性的影響研究還比較少，特別是粉砂質基坑。本文在已有研究成果的基礎上，結合某粉砂土邊坡進行計算，得到邊坡的孔隙水壓力及含水量分布。利用簡化Bishop圓弧條分法搜索并計算穩定安全系數，評價其穩定性。對于基坑工程防水降水具有重要工程意義。

1 工程概況

某在建工程基坑深7 m，采用放坡開挖，形成坡腳為43°的邊坡，無支護措施，開挖結束時邊坡處于穩定狀態。地下水位位于地下2 m～3 m，坑內采用深孔降水，抽水量達13.2 m3/h。據地質勘探資料，該基坑東、南兩側土層為單一的粉砂土，層厚12 m。在東南兩側均布置了若干測斜孔，距離邊坡2 m，用于監測側向水平位移和地下水位。其物理力學參數見表1。根據實測資料，當日連續降雨約120 min，平均雨量達到42 mm/h。

2 數值分析

2.1 計算模型、邊界與初始條件

邊界條件為:1)土坡表面及斜坡處，取為流量邊界或定水頭邊界。如果雨強小于飽和滲透系數，按流量邊界處理，大小為降雨強度;如果雨強大于表層土體滲透性，一部分雨水沿坡面流失，此時可按定水頭邊界處理，計算中取水頭值等于高程。2)模型左側、地下水位以下為定水頭邊界條件，地下水位以上按零流量邊界處理。3)模型底面為不透水邊界。4)邊坡右下角設置抽水井，持續抽水量達13.2 m3/h。有限元剖分的網格見圖1。

表1 土體物理力學參數

分析過程共分10個步時，記錄降雨過程(120 min)及降雨后一段時間內(300 min)的孔隙水壓力分布和體積含水率分布，并根據Bishop法搜索并計算各時步最危險滑動面安全系數。

2.2 孔隙水壓力分布影響

土壤的成層性往往會影響土體水分的運移與分布。圖2給出了在水平坐標15 m處孔隙水壓力隨時間變化曲線。從圖2中可以發現，在降雨發生30 min時，粉砂土邊坡孔隙水壓力迅速增大到200 kPa，降雨停止后(120 min后)在抽水孔排水作用下，粉砂土邊坡孔隙水壓力變化較快，但仍有一定的滯后，這主要與粉砂層中含泥量有關。圖3給出了300 min后，南北兩側開挖邊坡的含水率分布等值線。地下水位以下含水率為0.4，對于粉砂土邊坡水位線上含水率為0.05，比較低，水量大部分消散，但是仍然有部分存留在土層中。

圖1 有限元網格劃分及邊界條件

圖2 孔隙水壓力變化曲線

圖3 300 min后的體積含水率等值線圖

2.3 邊坡側向位移

圖4顯示了粉砂質土邊坡測斜孔處沿基坑內側的水平位移監測值和有限元分析值(FEM)。從圖4中可以看出，隨著降雨過程的持續邊坡的側向位移增大，降雨停止后仍然繼續增大，這與監測的趨勢一致。有限元分析結果與實測值基本一致，誤差在5%以內，說明模擬結果較合理，但是實測值比模擬值大，這主要是由于現場受地面堆載和振動的影響，變形較大。

圖4 測斜孔處側向水平位移

2.4 邊坡瞬態穩定性分析

根據Bishop圓弧條分法，指定搜索半徑和圓心的范圍搜索最危險滑動面。圖5給出了邊坡穩定安全系數隨時間變化的曲線。粉砂土層邊坡在降雨入滲作用下安全系數逐漸下降，降雨停止后仍然不斷降低，大約180 h～200 h后到一個最低值，隨著水位的下滲，穩定安全系數逐漸提高。因此，對于粉砂層施工過程必須關注雨后180 h～200 h基坑的穩定性，及時做好坑內排水。

圖5 穩定安全系數變化曲線

3 結語

1)粉砂土基坑受降雨入滲影響較大，隨著降雨入滲，孔隙水壓力上升較快，含水量也逐漸增大，降雨停止后空隙水壓力和含水率逐漸消散，但是仍然有部分存留在土層，這主要與粉砂層中含泥量有關。2)粉砂土基坑側向位移數值模擬結果與監測值基本一致，隨著降雨入滲不斷增大，降雨停止后仍然不斷增大，受現場地面堆載和振動的影響，最終實測值會比模擬值略大。3)粉砂質基坑開挖后在自然狀態下基本穩定，降雨入滲過程中，其穩定安全系數不斷下降，降雨停止后仍然不斷降低，大約180 h～200 h后到一個最低值，對于粉砂層施工過程必須關注雨后180 h～200 h基坑的穩定性，及時做好坑內排水。

［1］ 徐 晗，朱以文，蔡元奇，等.降雨入滲條件下非飽和土邊坡穩定分析［J］.巖土力學，2005，26(12):1957-1962.

［2］ 黃福明，韓同春，鄭俊清.降雨入滲及蒸發對土坡穩定性的影響分析［J］.低溫建筑技術，2010(11):85-86.

［3］ 魏 寧，茜平一，傅旭東.降雨和蒸發對土質邊坡穩定性的影響［J］.巖土力學，2006，27(5):778-782.

［4］ 林鴻州，于玉貞，李廣信，等.降雨特性對土質邊坡失穩的影響［J］.巖石力學與工程學報，2009，28(1):198-204.

［5］ 李 亮，劉興旺，趙煉恒，等.降雨入滲對路基穩定性影響因素分析［J］.鐵道科學與工程學報，2007，4(2):19-23.

［6］ 周家文，徐衛亞，鄧俊曄，等.降雨入滲條件下邊坡的穩定性分析［J］.水利學報，2008，39(9):1066-1073.

［7］ 陳善雄，陳守義.考慮降雨的非飽和土邊坡穩定性分析方法［J］.巖土力學，2001，22(4):447-450.

［8］ 孫冬梅，朱岳明，張明進，等.考慮氣相影響的降雨入滲過程分析研究［J］.巖土力學，2008，29(9):2307-2313.

［9］ 榮 冠，張 偉，周創兵.降雨入滲條件下邊坡巖體飽和非飽和滲流計算［J］.巖土力學，2005，26(10):1545-1550.

［10］ 朱 偉，陳學東，鐘小春.降雨入滲規律的實測與分析［J］.巖土力學，2006，27(11):1873-1879.