基坑突涌驗算公式研究進展

吳詩陽 花劍嵐

基坑突涌驗算公式研究進展

吳詩陽1,2花劍嵐2

（1.河海大學土木與交通學院 江蘇南京 210098；2.南京市水利規劃設計院有限責任公司 江蘇南京 210006）

對目前基坑突涌計算公式的研究進展進行了總結，并深刻分析了基坑突涌的發生機理，破壞類型，以及破壞面的形狀。給出了各種計算方法之間的聯系與不足。并結合現有的方法，提出以后研究的新思路，新方法，具有一定的參考價值。

基坑 突涌 承壓水 計算方法

1 引言

當前，由于社會經濟發展與城市建設中高樓和地鐵車站的興起，基坑的深度和廣度在不斷的增加，在沿海和內地一些城市如上海、天津、北京等，基坑開挖深度已經觸到承壓水層或坑底受到承壓含水層高水頭頂托力的突涌安全威脅[1]。根據葉琳昌[2]、王曙光[3]、蔣紅星[4]等人的統計數據得知，與地下水有關的基坑事故約占總事故的45%～70%，另根據胡展飛[5]等對深基坑事故的調查資料，約有70%的基坑事故與地下水有關。而基坑底的突涌則是較為突出的工程地質問題，當坑底承壓水壓力增加到一定高度或開挖至某一深度時，基坑內隔水層土體會發生開裂、涌砂、變形過大等形式的突涌破壞[6]，輕者造成基坑報廢，圍護結構倒塌，重者會危及周邊環境的安全，造成人民生命財產的損失。因此，在承壓水基坑設計和施工過程中，應首先驗算基坑突涌穩定性，如不滿足其穩定性要求則采取一定的應對措施防止基坑失穩。

而根據現有規范得出的突涌驗算方法只是考慮了上覆土層的重力來平衡水頭壓力[7]，卻忽視了土體本身的抗剪強度，這種方法計算出來的臨界水頭偏于保守。在文獻[8]中的五個工程中，只有一個工程通過規范判別準確，但其它四個工程都與實際有所偏差。所以研究基坑突涌公式就顯得尤為重要，好的計算方法不僅能很好的判別突涌的發生情況，而且也能很好的節約工程造價，減少了降水井和疏干井對基坑沉降和周邊環境的影響。

2 基坑突涌計算方法分析

2.1壓力平衡法

壓力平衡法通常是根據坑底隔水層的突涌臨界厚度rch來驗算[9]。即坑底上覆土層的重力來平衡水壓力，判別公式為：hcr=kγwHw/γ，式中k為安全系數，由規范給出；wγ為水的重度；Hw為承壓水頭差；γ為坑底隔水層土的容重。如圖所示：當坑底隔水層的實際厚度h≥hcr時不發生突涌，當h＜hcr時，即隔水層土重小于承壓水的浮力，基坑可能發生突涌。見圖1。

圖1 基坑突涌穩定性示意圖

2.2均質連續梁或板法

均質連續梁或板法都是假定坑底土體是均質連續體，其基坑底板上作用一個向上的凈壓力根據材料力學以及彈性力學理論對其進行受力分析，以及擾度分析并考慮強度破壞和剛度破壞從而推導出基坑突涌的臨界厚度。

(1)考慮條形基坑，由于坑周土的位移甚為微小，底板延伸于坑周部分被坑周土所嵌固，其轉動和移動均受限制，故可將底板近似地簡化為兩端固定的受力梁AB。如圖所示：

圖2 基坑剖面、底板單位板寬梁及其受力圖

此式是隱函數不等式，可用試算法求解h。 ms是剛度系數，可由有關規范給定或者根據經驗選用。E為土（梁）的彈性模量，可由三軸剪切試驗或普通壓縮試驗測得。

(2)將坑底視為隔水層底板分析[10]，其受力分析如圖所示

圖3 基坑隔水土層受力圖和計算簡圖

根據剪力圖和彎矩圖可知，其危險截面有兩處，一是跨中截面，此處出現最大正彎矩，二是梁短截面，此處有最大剪力。當基坑為無支護開挖時，此處的最大剪力可導致剪切破壞，當基坑為有支護開挖時，此時土體與支護結構為摩擦接觸，最大剪力可導致接觸破壞，其基坑的臨界深度計算為：

式中

δ為彎矩折減系數，1=δ當為單向板時，；為雙向板時，可查有關混凝土的結構設計手冊。

2.3均質體法

均質體法的假設與均質連續梁或板相似，只不過是該法假設坑底破壞體是方柱體或圓柱體[11]，并考慮土體的自重應力，內聚力以及方柱體或圓柱體的四周內摩擦力。其情況如圖所示：

圖4 計算剖面圖

方柱體四周總的內摩擦力（Tf）為：

2.4塑性破壞法

此法與上述的方法截然不同，否定上述方法中土為彈性體的假定，從而假設坑底土體為彈塑性土，發生彈塑性破壞，考慮了塑性應變增量部分。坑底隔水層土體塑性破壞條件f?(σij)=kf式中f?(σij)是應力分量的某種函數值，又叫破壞函數；kf是試驗確定的常數[12]。然后假定土體塑性屈服符合Drucker-Prager準則，其屈服表達式為：

式σe中 =：∝分別為應力張量第一不變量和應力偏張量第二不變量；c，?分別為坑底土粘聚力和內摩擦角。定義等效應力材料屈服參數σy=k ，等效應力eσ與材料屈服參數yσ之比稱為屈服應力比。則對于承壓水基坑，當坑底土的屈服應力比大于1時，坑底土產生塑性屈服破壞；即基坑發生突涌破壞，而且屈服應力比越大，塑性破壞區也越大，屈服應力比的大小直接反映了坑底土突涌塑性破壞的程度。

2.5離心模型試驗研究法

以前大部分基坑突涌驗算公式都是基于理論上提出的，從假設坑底土開始入手，運用基本理論對坑底隔水層底進行分析，假設基坑的破壞形式，從而推導出基坑突涌的驗算公式。而最近的一些研究方法都是從實驗開始入手，例如離心模型試驗研究[13-14]，此法是基于離心機試驗提出基坑突涌模式可分為接觸面涌水涌砂破壞，整體頂升破壞和隔水層表面砂沸破壞這三種。并通過理論分析，認為基坑發生突涌的內在機制分別為：接觸面涌水涌砂破壞是由于隔水層土體與地下結構接觸面發生水力劈裂引起的；整體頂升破壞為地下結構與土體接觸面或附近發生剪切破壞所致；表面砂沸破壞為隔水層在下部承壓水作用下發生復合的拉剪破壞和剪切破壞的結果。然后有些學者根據離心模型試驗提出的承壓水基坑突涌模式，從而提出計算方法。假定破裂面為圓弧面，形式見圖：

圖5 基坑突涌破裂面形式示意圖

則破裂面的抗剪強度：

式中：c，?分別為隔水層的粘聚力和內摩擦角。

其基坑突涌判定公式為中：γ為上覆土體的重度；S為基坑的平面面積；C為基坑的周長；T為破裂面的抗剪強度，Hw為承壓含水層的水頭高度；Ky為基坑的抗突涌安全系數，可按相關規范進行取值。

2.6數值模擬法

數值模擬法是通過數值模擬軟件對基坑開挖實現可視化的一種動態方法。通過選取模型，給定邊界，針對不同的工程實際，輸入相應的水文參數，得出計算數據，結合理論條件給出臨界水頭Hw的判定值，與實際工程進行對比研究，如不合理可以對參數進行修改，從而得出較為合理的臨界水頭，指導基坑工程的施工。這是一個快速發展的方法，很多學者，諸如丁春林，羅杰，高廣運都對其做了詳細的描述，具有一定的參考價值。，式

3 分析與總結

從1996年到如今，城市的建設從未放緩腳步，隨之而來的基坑工程大量發展，隨著開挖深度的逐漸加深，有時甚至開挖到承壓水層，其一個不容忽視的問題，基坑突涌。若處理不好，不僅造成工期的延誤，還會造成人員和經濟的大量損失。為此大量學者開始研究基坑突涌產生的原因，驗算標準，以及判別公式。總結所讀文獻中的方法，可以分三類：理論推導，實驗分析，數值模擬。

（1）理論推導。根據基坑工程規范，判別基坑突涌穩定性時，只考慮了承壓含水層與隔水層土體的自重應力，卻忽略了土體抗剪強度，內聚力，摩擦力，以及樁的抗拔力，這樣的計算偏于保守不符合工程實際。所以基于這個理論，學者紛紛提出了自己觀點，均質連續梁或板法，假定隔水土層是彈性體，將其視為彈性梁或板，通過材料力學和彈性力學理論，進行公式推導，從而給出判別的標準。但是假設過于理想，實際過程中很難達到，而且將土看成是均質的、連續的彈性體，本身就存在問題，在公式推導的過程中未考慮孔隙水壓力的影響，該方法存在一定的不合理性。

（2）實驗分析。理論推導存在很大的局限性以及不準確性（只在某些特定的基坑工程中起到一定的參考價值），為此學者開始通過實驗研究，分析基坑突涌的機制，主要是基于離心實驗研究方法，將基坑突涌發生方式分為涌砂涌水破壞，整體頂升破壞，砂沸破壞三種，從而假設其破壞面為圓弧面，通過理論推導給出判別公式。雖然此法在試驗過程中得出很好的實驗結果，但是卻未考慮尺寸效應的影響，以及邊界條件難以處理，不能真正做到和現實情況相一致，在實際過程中會出現偏差，有時會導致判別失敗。

（3）數值模擬。由于有限元的大力發展，進而有些學者將有限元分析法運用到基坑突涌判別公式中來。假定土體是彈塑性體，較符合實際，通過模型的選擇，定義邊界，參數給定，再運用三維有限元模擬軟件針對不同基坑情況進行基坑突涌情況的模擬，考慮各種因素對基坑突涌的影響，最終得出判別基坑突涌的臨界水頭，較為合理，具有一定的工程應用價值。但是該方法仍然存在缺陷，模型本身的選取就存在問題，因為目前還沒有針對基坑突涌提出過模型，往往需要通過對已有模型進行修正，而這沒有理論依據，在建模的過程中，大部分情況都是規則圖形，無法考慮應力集中現象，以及透鏡體狀承壓水的情況[15]，而這正好與實際工程不相符。

可見，既有承壓水基坑突涌穩定分析方法還存在一些缺陷與不足，考慮的方面還不全面，也許這是技術還沒達到的情況。要想很好的分析基坑突涌的穩定性，必須從承壓水基坑坑底土透水性和土體發生突涌破壞的力學機理出發，分析其可能產生的形式，全面考慮其影響因素。雖然好多學者已經對基坑突涌做了大量的研究，但終逃不了已往研究的影響，幾乎從一個角度出發，基坑工程突涌規范入手，研究其判別公式，而這往往限制了研究的發展，也許我們可以換個角度去看看待問題。有的學者提出通過類比的方法，例如水力劈裂現象[16]，雖然這兩者看起來毫無關系，但其相似的破壞機理，相同的破壞方式，水力劈裂的破壞過程，同樣可以在基坑突涌中找到。所以研究水力劈裂，從而得知，隨著基坑開挖深度的增加，在下部承壓水作用下隔水層土體內部有效應力逐漸減小，部分區域有效應力轉化為拉應力，從而使隔水層土體薄弱區產生裂縫，進而下部的承壓水不斷進入裂縫后，承壓水水壓力作用在裂縫的表面，使其產生較大的水利梯度，從而使裂縫不斷向四周延伸，當裂縫貫通時則基坑發生突涌破壞。

再者，角落效應，自從1998年學者呂鋒[17]提出角落效應概念后，好像沒有人再考慮這一因素的影響，而這個因素恰恰是如今基坑突涌發生的重大問題。在角落部分，土體應力集中區、高孔壓梯度區以及連續的塑性區，擋墻弧形斜裂隙發育區在此交匯疊加，形成相對的軟弱帶，這就是角落效應。隨著基坑深度不斷向下延伸，角落效應更加值得我們去關注。為此我們應該在基坑突涌研究過程中考慮方方面面的因素，使工程安全有效的進行。

因此，基坑突涌還有待我們進一步研究，本文只是簡單介紹了抗突涌驗算公式的研究進展，對新方法的分析只為后者提供一個新的思路。考慮地下水流動對基坑突涌的影響，還需做更多的工作。

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TV551

B

1672-2469(2014)06-0064-05

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.06.021

吳詩陽（1990年—），男，碩士。