均质砂土地基基坑渗透破坏模型试验研究

王 枫，席培胜，严 中，张兴其，浦玉炳，席彬彬，肖博文

(1.安徽建筑大学 安徽省建筑结构与地下工程重点实验室，安徽 合肥 230601；2.合肥市市政设计研究总院有限公司，安徽 合肥 230041)

基坑工程中，尤其在地下水丰富地区，为防止出现地下水的渗透破坏情况，保证施工安全，防渗结构起到主要作用，不同的防渗形式适应于不同的地层情况。在渗流场的作用下，坑内土体有效应力下降会直接降低围护结构对主体的支撑作用，导致围护结构受力变形。而一旦坑内土体发生渗透破坏,就完全失去了支撑作用，严重威胁基坑工程及周边环境的安全[1-3]。冉龙[4]通过模型试验结合数值模拟，研究了土体密实度、黏聚力、内摩擦角、桩土界面摩擦特性等因素对临界水力梯度以及渗透破坏模式的影响；胡琦[5-6]采用模型试验，通过对水头与土体变形的观测，研究均质砂土与粉土地层基坑工程中考虑基桩影响的渗透破坏问题，揭示了基坑工程土体渗透破坏模式；并结合数值模拟分析，分析了基桩对土体渗透破坏的影响以及渗流对基桩受力变形的影响；刘历波[7]利用Midas软件对某深基坑工程进行渗流模拟，针对坑内外土体的孔隙水压力，研究了其在基坑开挖过程中的分布变化规律；何绍衡[8]采用ABAQUS软件建立了某基坑的三维流固耦合模型，分析了预降水深度、止水帷幕深度对基坑变形性状的影响。本文采用自制的渗流模型试验台，对基坑工程中地下水渗流特征及渗透破坏进行试验研究，探讨均质砂性地层中渗透破坏形式，以及防渗墙入土深度对防渗效果的影响，采用PLAXIS软件的渗流分析模块,对基坑渗流场进行分析,研究不同渗流边界条件对渗流场分布形式的影响。

1 基坑渗流模型试验概况

1.1 模型箱设计

图1 模型箱主体装置

本次模型试验模拟基坑工程中地下水渗流情况，试验装置包括：

(1)以L型为主体的砂槽如图1，材质为有机玻璃，以中间的断口处为界线，分别模拟基坑内与基坑外，坑外部分的砂槽高度为110 cm，坑内部分的砂槽高为60 cm，整体的砂槽长度为110 cm，宽度30 cm。砂槽的一个侧面，有19个开孔，为水位测量点，配以滤头。

(2)防渗墙用有机玻璃板来模拟，长110 cm，宽30 cm，厚度为8 mm，试验过程中，玻璃板的两边与模型箱内壁接触处，涂抹少量玻璃胶以防漏水。

(3)19根带刻度的玻璃管，长110 cm，内径8 mm，通过软管与砂槽上的滤头相连，组成整个水位测量系统。

1.2 砂土级配及相关参数

试验所用到的砂土取自某一隧道工程的施工现场，其颗粒级配曲线如图2所示。其中，平均粒径d50=0.125 mm，不均匀系数Cu=5.8，曲率系数Cc=2.2。最大与最小干密度分别为ρdmax=1 687.75 kg/m3，ρdmin=1 388.12 kg/m3。

图2 砂土的颗粒级配曲线

1.3 试验过程

(1)模型箱内填土高度为400 mm，将砂土烘干后用5 mm孔径试验筛过筛，分层填筑，在对应埋深位置安插好玻璃板模拟防渗结构。

(2)填土完成后，缓慢加水至模型箱的高槽区域，直到整个土体刚好饱和，静置一段时间后，用环刀取少量土样称重，测定土体饱和密度。

(3)在模型箱的高槽部分逐步施加水头(每次增加50 mm)，与坑外土面形成水头差，待水头稳定之后，记录水位点处的水位值，并随时观察箱内土体的变形情况，直至土体完全渗透破坏。

2 PLAXIS数值模拟分析

数值模拟原型为所做的模型试验箱，利用PLAXIS 2D软件进行渗流情况模拟。采用PLAXIS软件建立二维模型，整个模型由土体和防渗墙组成，如图3所示。结合所做的相似模型试验设计，将数值模型尺寸取为100 cm×40 cm，土体为砂土，结合实际试验所得土体参数，具体如表1所示，不考虑渗流对土体参数的影响。防渗墙用板单元来模拟，并在板单元周围加上界面单元用来模拟土和结构的相互作用，在计算地下水渗流时激活界面单元，可以防止水流通过防渗墙。固定防渗墙两侧的水头差，模型的两侧以及底部边界设定为渗流闭合边界，防止对渗流结果造成影响。

需指出的是，此次模拟无法准确表现土体的破坏，所以只能借由土体中水的渗流速度变化做定性的对比，其主要目的是与相似模型试验结果相互印证。

表1 细砂数值模拟参数表

图3 数值模拟模型图

3 模型试验结果分析

模型试验一共为三组：防渗墙入土埋深100 mm；防渗墙入土埋深150 mm；防渗墙入土埋深200 mm，其余条件保持不变。

3.1 模型试验破坏结果分析

填土后用环刀取土称重为333.6 g，环刀自重103.1 g，直径6.18 cm，高4 cm，体积为119.92 cm3(π取3.14)，算得饱和密度ρs1=1.92 g/cm3。另两组试验中土体用环刀取土称重分别为331.2 g和335.9 g，同样计算出饱和密度并取三组平均值，最后得出ρs=1.92 g/cm3，说明三组试验中的土体密实度近似相同，具有可比性。再按照公式[9]ρs=(ds+e)/(e+1)，其中细砂土颗粒比重取2.67，即可得到土体孔隙比e=0.82。

将模拟防渗墙的玻璃板插入土体深100 mm，逐级抬高坑内外水头差，最终土体发生渗透破坏时的水头差为158 mm，如图4、图5所示。当水头差接近破坏水头时，土体发生变形，坑内土体略微隆起，意味着土颗粒之间开始变得疏松；当总水头达到临界破坏水头，土体发生急剧变形，坑内土体明显隆起，而坑外土体则快速下陷，形成了自上而下的剪切破坏带，并且与防渗墙之间形成了一个楔形体。

第二组试验中，防渗墙入土埋深为150 mm，重复第一组的试验操作，逐级增加坑内水头，直至土体发生渗透破坏，破坏时的水头差为236 mm。对比第一组试验可以看出，防渗墙的入土埋深虽然仅仅加深了5 cm，但防渗效果显著，破坏水头由158 mm提升到236 mm，提升了78 mm。

第三组试验中，防渗墙的埋深增加为200 mm，同样重复上组操作，逐级增加坑内水头，直至土体发生渗透破坏，破坏时的水头差为283 mm，相比于150 mm埋深时的破坏水头提升了47 mm。

图4 流土破坏 图5 破坏后土体形态

图6 水位测试点分布图

3.2 试验中水位点水位变化规律

整个模型箱水位测试点的分布情况如图6所示，一共19个测点，为了更好地分析防渗墙及土体之间的渗流场情况，本次试验仅选取防渗墙周围一圈的水位测试点，从上到下依次以1～9进行编号。

以第二组试验(防渗墙埋深15 cm)为例，分别记录在50 mm、100 mm、150 mm、200 mm水头下，这9个水位测试点的水位值，如图7所示。其中1号点位于水中，代表着实际坑外水头，即总水头差，9号点位于坑内土体表面以上，水位值不变为零。

由图7可以看出：水头差分别为50 mm、100 mm、150 mm、200 mm时，各点总体的水头值变化趋势基本相同，其中，1号点到3号点及7号点到8号点的降幅最大，3号点到7号点水头下降较平稳。

同时以水头差为横坐标，观察各点的水位变化见图8。

图7 各点水头值随水头差变化规律 图8 15 cm埋深时各点水头值

从图8中可以看出：在水头差为50～100 mm时，各点的水头为线性增长；而在水头差100～150 mm时，2、4、6点的水头增长速率略有增加，其余点近乎保持线性增长；当水头差增加至200 mm，接近最终的破坏水头时，2至7号点的水头增长速率都略有下降。

3.3 渗流场模拟结果分析

(1)防渗墙入土深度10 cm

当防渗墙入土深度为10 cm时，渗流示意图见图9，渗流场云图见图10。

图9 渗流示意图 图10 渗流场云图

由图9可以看出：防渗墙左侧的水头整体向右侧发生渗流，且明显可以看出土体中的水有绕过防渗墙的流向，这也符合防渗墙的作用机理，通过增加地下水的渗流路径以此来达到防止渗透破坏的目的。

由图10可以看出：土体渗流速度最大的位置处于防渗墙末端偏左的位置，最大流速为32.11 m/d。通过渗流场的流速分布可以看出，砂性土体的渗流破坏模式接近于楔形破坏。

(2)防渗墙入土深度15 cm

当防渗墙的入土深度为15 cm时，渗流场云图如图11所示。整个渗流场的分布趋势与10 cm埋深时基本一致，土体中水渗流速度最大的位置位于防渗墙的末端，最大流速为25.94 m/d ，可以看出虽然防渗墙的埋深仅增加了5 cm，但是对整个渗流场影响较大，流速有了明显降低。

(3)防渗墙入土深度20 cm

防渗墙入土深度为20 cm时，渗流场云图如图12所示。

图11 15 cm埋深时渗流场云图 图12 20 cm埋深时渗流场云图

相较于10 cm埋深的情况，没有过于集中，发生最大渗流速度的位置依旧处于防渗墙的末端偏左的位置，最大流速为22.37 m/d。防渗墙入土深度从15 cm增加到20 cm对土体中水的渗流速度的影响没有10 cm增加到15 cm时有效。

4 结论

(1)在均质砂土地基中，防渗墙底部的土体受渗透力的作用形成贯通的塑性区，发生楔形体渗透破坏。

(2)当防渗墙插入土体中，地下水有绕过防渗墙的流向，通过增加渗流路径，减小了水力梯度，可以防止渗透破坏。

(3)土体中插入防渗墙，防渗墙的底部为最大渗流流速位置；而随着防渗墙入土深度的增加，整个渗流场的渗流速度逐渐减小。

(4)试验与模拟结果表明，防渗墙每增加相同的入土深度，其防渗效果并不一致，在均质砂土地层中，当防渗墙的埋深从该土层的1/4深处增加至3/8深处，临界水头差增加约50%，而防渗墙从3/8埋深处增加至1/2深处，临界水头差仅增加28%；即防渗墙埋深由土层1/4处增加至3/8处和由3/8处增加至1/2处，增加同样埋深，临界水头增长率前者约为后者的两倍。实际工程中应充分考虑水文地质条件及施工成本，优化防渗墙的设计埋深。