雨水入渗对某明挖风道边坡稳定性影响分析

陈 晖，翟 磊

（重庆交通大学 土木建筑学院，重庆 400074）

随着我国经济建设的快速发展，城市地下轨道交通建设发展迅速，隧道下穿城市密集建筑物的情况十分频繁。而与此同时，隧道附属设施的建设也成为必须考虑的一个重要问题。近年来，城市地铁建设基坑边坡失稳及坍塌事故时有发生，由此引发了地表沉降、基坑边坡结构失稳、邻近建筑物破坏、地面隆起等环境问题，这些问题是由很多方面的因素造成的，其中施工土层的具体地质情况是一个很重要的因素。在城市地铁建设过程中，地铁明挖风道是在非饱和土层介质环境中进行。在施工过程中，风道基坑边坡在受到雨水入渗后稳定性降低，很容易引起基坑边坡变形，造成基坑地表沉降、边坡失稳甚至塌方等工程事故。为此，投入大量的精力和财力研究雨水入渗对基坑边坡的影响。由于工程土体性质的不同以及其它的多种不确定性因素，尚未形成统一的降雨条件下基坑边坡变形的规律，如何安全顺利地进行基坑的开挖保证工程顺利进行，显得特别重要。

1 工程背景

重庆市某地铁车站明挖风道位于重庆市江北区黄龙路和红黄路的交汇处附近，地表不远处有一栋高层钢筋混凝土结构建筑，地面高程约为305m，地形平坦。此车站风道利用明挖法进行开挖（垂直开挖），开挖深度约为8m，长约12m，宽约5m，开挖土体为非饱和粉质粘土。开挖过程中利用喷混凝土结构进行支护，并设置有钢支撑。开挖完成后，边坡地表发生的较大沉降是在降雨持续一段时间后，其中测点2附近沉降最大（边坡水平收敛值较小，在合理范围之内）。

2 基坑边坡的稳定性分析

在工程建设中，基坑边坡土质为非饱和土，基质吸力都比较高。在降雨条件下，由降雨入渗到边坡土体中，使得边坡土体由非饱和状态逐渐趋于饱和状态，孔隙水压力uw接近孔隙气压力ua，导致土体基质吸力（ua－uw）趋于0，土体的抗剪强度也随之下降。从而在理论上说明降雨入渗导致基坑边坡抗剪强度降低，引起基坑边坡变形，基坑周围地表发生沉降。

2.1 边坡饱和土的强度理论

对于饱和土的强度特性，可运用摩尔－库仑屈服准则进行描述。

摩尔－库仑抗剪强度为

τf＝c＋σtanφ.

式中：τf为抗剪强度，c为有效凝聚力，σ为剪切面上的法向正应力，φ为内摩擦角。

2.2 边坡饱和土朗肯土压力

根据土的位移状况得知，风道边坡的土压力为主动土压力。对于作用在支护结构上的土压力，可用粘性土的朗肯主动土压力计算。

式中：Ka为朗肯主动土压力系数；且Ka＝tan；γ为土的重度；z为土的深度；c，φ为土的粘聚力和内摩擦角。

2.3 边坡饱和土的抗渗流稳定性分析

在土力学里，水在饱和土中的渗透过程服从达西定律，即水流的速度与水力梯度成正比，其比例系数称为渗透系数。

Darcy（1856 年）在进行饱和沙层的渗透试验时，假设土中水流速与其水力梯度成正比，这就是著名的达西定律，其表达式为

式中：ν为水的流速，k为土的渗透系数，h为水头损失，L为渗流长度，i为水力梯度。

通过土体的渗流对土体施加力称之为渗透力，渗透力常用单位土体上的力表示。

j＝γwi.

式中：i为水力梯度，γw为水的重度。

设土柱高度为l，土柱断面积为A，则作用在土体上的渗透力为

ΔF＝iγwlA.

作用在土柱上的重力为

W＝lA（γ－γw）.

式中：γ为土的重度。

3 有限元模型的建立

3.1 模型的建立

在建立模型时做简化处理：

1）由于是在降雨持续一段时间后才会发生的比较大的地表沉降，在分析时可以将非饱和土近似考虑成饱和土。

2）由于风道边坡水平方向设有支护结构且边坡水平收敛值较小，近似地认为边坡变形仅有地表沉降，而无水平收敛。

利用midas gts对基坑边坡进行有限元模拟，测点2处边坡有限元模型如图1所示。

图1 有限元模型

3.2 模型变形前后

在模型结构上施加荷载，风道基坑边坡模型变形前如图2所示；荷载施加后，风道基坑边坡模型变形后示意图如图3所示。

模型计算结果显示，风道边坡地表最大沉降值为46.04mm。

对比以上两图中风道边坡模型变形前后的变化，可以看出风道边坡在荷载作用下，变形特点：边坡地表沉降主要是由上部结构变形引起的；雨水的入渗导致的边坡土体沉降值自上而下越来越小；边坡沉降会造成基坑坑底隆起。

4 风道地表位移监测

根据相关规定，在边坡开挖过程中，为保证施工安全和施工的顺利进行，对边坡的地表沉降进行监控。

4.1 地表位移监控量测警戒值

地表位移监控量测警戒值如表1所示。

表1 地表位移监控量测警戒值

4.2 监测结果

根据业主及监理方的要求，在施工单位的配合下，根据相关规定和施工过程的特点，在开挖的风道周围边坡布置3个地表沉降测点，各测点地表沉降监测结果如图4～6所示（表中数据前面的“－”表示沉降）。

从监控量测结果中可以看出，风道边坡在开始开挖直至12月9日前，地表沉降在合理范围内。风道边坡地表沉降数值在12月9日～12月13日这段时间内显著增大并超过警戒值。到12月13日之后地表沉降继续减小并低于警戒值。

对比模型和监控量测数据可知：监控量测实测地表沉降值比有限元模型计算的地表沉降值要大，这是模型建立时简化边界条件的结果。

在风道边坡地表沉降大于警戒值之后，施工单位于12月12日采取措施治理：

1）在边坡上按照相关要求增设锚杆支护、基坑内加设钢支撑稳定基坑边坡。

2）及时将基坑内的水排出并进行二次衬砌施工。

5 结束语

1）地铁附属结构施工过程中，垂直开挖较深基坑时，要采取必要的支护措施。

2）雨季施工时，基坑边坡稳定性降低，容易使基坑边坡地表产生较大沉降；边坡沉降原因之一是由于雨水入渗导致边坡上部土体沉降引起的；基坑边坡沉降会造成基坑坑底隆起。

3）基坑边坡施工过程中要注意加强支护，同时要进行稳定性分析；雨季施工时要注意加强监控量测，并要随时做好应急预案以应对施工突发状况。

4）本文对于边坡建模进行简化，边坡土体土质存在一些不确定性，所以，雨水入渗对边坡变形影响的规律还需要要进一步的研究完善。

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