波动承压水作用下基坑底部弱透水层超静孔压试验研究

应宏伟，王迪，许鼎业，章丽莎

(1.河海大学 岩土工程科学研究所，江苏 南京，210098；2.浙江大学滨海和城市岩土工程研究中心，浙江杭州，310058；3.浙江省城市地下空间开发工程技术研究中心，浙江杭州，310058；4.浙江大学城市学院土木工程系，浙江杭州，310015)

随着沿海地区城市快速发展，开发利用城市地下空间是现代化城市建设的重要内容和发展方向。在承压含水层场地开挖基坑中不可回避基底弱透水层的突涌稳定问题，对承压水考虑不周将引起大量工程事故[1-3]，尤其是在临海、沿江地区，承压含水层还受到河流、潮波和人工抽水回灌等影响[4-5]，承压水位往往具有动态变化特性。波动承压水通过弱透水层底板发生越流，可能会对基坑稳定性产生不利影响。目前，针对恒定承压水作用下基坑坑底抗突涌稳定性问题，国内外学者已进行了大量的研究。HONG等[6]通过数值模拟研究了基坑底板在承压水作用下触发机理和破坏机理；丁春林[7]总结了既有基坑突涌稳定分析方法，指出当坑底为不透水层土时，应从土体塑性破坏角度分析，当坑底为弱透水层土时，应从渗透破坏角度分析；弱透水层土单元不仅要承受承压水头压力的作用，还要承受动水压力(渗透力)的作用[8]。在渗透力的作用下，坑底土体可能发生潜蚀、管涌、流土等现象[9-13]，而这些现象难以用强度理论和压力平衡理论[14-17]解释。因此，应考虑弱透水层的渗透性，分析承压水在基坑底板越流情况。关于承压水头或边界水位变化引起弱透水层越流的问题研究，王玉林等[18]分析了承压水位上升时基坑底板土层孔隙水压力和有效应力的变化；CONTE 等[19]根据一维弱透水层越流模型，得出了明水位波动下弱透水层超孔压表达式；章丽莎等[20]推导了动态承压水作用下坑底弱透水层孔压响应解析解。这些研究均从理论方面对波动承压水作用下弱透水性基坑的孔压响应问题进行探讨[14]，但尚未开展相关试验研究。本文作者研制了可模拟承压水动态变化的室内一维圆筒试验装置，从试验角度对波动承压水作用下弱透水性土层孔隙水压力变化规律进行研究，为后续动态承压水作用下深基坑突涌演化和地基弱透水层越流等问题的研究奠定基础。

1 试验方案

1.1 工程背景及试验装置

图1所示为杭州钱塘江区域某深大基坑开挖剖面图，基坑坑底坐落在黏质粉土弱透水土层中，其下为承压含水层，围护墙采用地下连续墙，地连墙未隔断承压含水层，承压水与附近的钱塘江存在水力联系，根据该区域长期承压水观测孔数据监测显示，承压水位长期处于波动状态。

图1 滨海地区基坑剖面示意图Fig.1 Schematic of deep excavation in coastal area

对于平面尺寸较大的基坑，其坑底中心区域土层渗流问题可简化为一维问题进行分析。基于此，本文自主研制了动态承压水作用下基坑底部弱透水层孔压响应的一维圆筒试验装置，用于模拟坑底中心区域土体受承压水波动的作用(如图2所示)。装置主要由2 节有机玻璃圆筒单元组成，每节高度为25 cm，内径为20 cm，通过环箍将2节有机玻璃圆筒单元拼接在一起，单元间设有防水胶圈，保证试验过程中的气密性；在圆筒侧壁每隔5 cm 环形布设孔压计，从下往上依次编为P1～P8，其中，P4和P5间隔为10 cm。在筒体各测点位置开有小孔，使得土体内部的水能进入固定在侧壁的孔压计，从而对土体内部变化的孔压进行监测采集。底部水室安装孔压计P0，用于记录承压水变化情况。圆筒底部水室连接外部水压装置，以此向土样施加可变的承压水压力，水压装置主要由2个不同高度的可移动溢流水箱分别连接圆筒底部水室，较低水箱用于控制承压水初始水位H，较高水箱与较低水箱高度之差用来模拟承压水变化幅值h。通过由电子阀门和计时器联合组成控制开关定时开闭阀门来连通2个水箱交替向水室施加水压力，以此实现承压水位的交替变化。

图2 试验装置设计示意图Fig.2 Schematic diagram of test device

1.2 土样制备和试验过程

为便于制作土样和加快试验进程，试验采用土体为钱塘江黏质粉土，其物理力学参数见表1，粒径级配曲线如图3所示。

在试验前，将风干土样打碎，过孔径为1 mm筛子。试验采用分层压实方法装样，按照设定的干密度反算出每层制样所需干土质量，考虑到风干土可塑性较差，制样过程中加入15%(质量分数)的脱气水拌合均匀，闷湿24 h 后装入圆筒，每层装样完成后对其表面刮毛，再填入下一层，直至土样设计高度。为了减少土样的饱和度对孔压滞后的影响，试验中采用抽气饱和法对土样进行排除空气，同时，通过外部水箱将脱气水自下而上通入圆筒内，控制水箱高度和进水速率，从而使土体获得更高饱和度。土样充分饱和24 h 后，移除上盖，将水箱提升至预设的高度来设定承压水初始水位H，待其达到渗流稳定后进行承压水位波动试验；施加幅值为h的矩形波动水压，并对各测点的孔压值进行采集，由水位开始波动后的总孔压扣除试验初始静孔压即为各测点的超孔压。

表1 土样的基本参数Table 1 Parameters of soil

图3 试验土样粒径级配曲线Fig.3 Gradation curve of grain diameter for soil sample

1.3 试验参数

试验中模拟矩形波动变化的承压水，通过改变承压水波动要素(周期、幅值、初始水位)研究不同情况下弱透水层孔压响应规律，承压水波动要素试验参数如表2所示。

表2 承压水波动要素试验参数Table 2 Test parameters of confined water fluctuating factors

2 试验结果分析

2.1 土体超孔压变化特性

图4 所示为承压水初始水位为80 cm，周期为6 min，变化幅值为25 cm条件下P0，P1，P3和P5处超静孔压随时间变化曲线。从图4可见：试验中控制外部承压水位矩形变化比较理想。总超孔压由振荡超孔压Posc和平均超孔压Pave组成，平均超孔压为每个振荡周期超孔压的平均值，振荡超孔压围绕着平均超孔压波动；平均超孔压呈曲线增长，到达稳定值之后保持不变；比较P1，P3和P5测点超孔压对承压水变化的响应时间可以发现，土体不同深度处的超孔压中对承压水变化响应存在着滞后，即越靠近土层表面，超孔压响应所需的时间越长。

为方便比较土体内部各点超孔压沿深度的变化规律，取P0处的平均超孔压为振荡超孔压幅值的1/2，即P0ave=1/2P0osc，以土样底部为坐标原点，方向向上为正，绘制Posc/P0osc与z/L，Pave/P0ave与z/L归一化曲线如图5所示，其中，L为土样高度，在本试验中L=0.5 m。从图5 可以看出：振荡超孔压幅值比值随着传播距离增加而迅速衰减，在0.1L处已经衰减了57%，在0.4L处只有0.04P0osc，在距离土面0.4L内土体孔压不发生振荡；平均超孔压比值在深度方向上呈现曲线分布，在土体表面以下0.2L处基本降为0；综合来说，在距离土体表面0.2L范围内的超孔压不受到承压水波动的影响。

2.2 承压水变化要素对超孔压的影响

2.2.1 承压水波动周期对超孔压的影响

图6 所示为承压水初始水位为80 cm，波动幅值为25 cm，周期分别为2，6，10，14 min时，土体内部超孔压随时间变化曲线。从图6(a)可以看出：Posc/P0osc随着周期的长短而呈现不同规律，周期越长，振荡超孔压沿着渗流路径衰减越慢且振荡幅度越大；周期越短，承压水波动影响范围就越小，周期为2 min时，在0.4L处振荡超孔压趋近于0；随着周期的增加，相邻2 组振荡超孔压衰减曲线差异越小。各曲线在距土层顶面0.4L处，振荡超孔压均基本衰减为0，表明土面以下0.4L深度内超孔压基本没有出现振荡现象。

图4 承压水波动下土体内部典型超孔压响应曲线Fig.4 Typical excess pore pressure response curves of soil under confined water fluctuation

图5 振荡超孔压幅值比值和平均超孔压比值沿深度分布曲线Fig.5 Distribution of oscillating and average excess pore pressure along depth

从图6(b)可以看出：在初始水位和波动幅值一定时，不同周期下Pave/P0ave在各个测试点上分布规律基本一致，说明平均超孔压比值在土层中衰减幅度并没有受到周期的影响。

可见，承压水波动周期越短，超孔隙水压力越难传入弱透水层，弱透水层起到隔水作用，主要受底板接触面水压力作用[10]，波动承压水作用下基坑底板抗突涌应从塑性破坏角度分析；而承压水波动较为缓慢，超孔隙水压力越能传入弱透水层，弱透水层就表现出一定的渗透性。因此，当工程中承压水位变化周期较长时，基坑抗突涌设计应考虑到坑底弱透性土层长时在承压水作用下渗透破坏的可能性。

2.2.2 承压水波动幅值对超孔压的影响

图7 所示为承压水初始水位为80 cm，波动周期为6 min，波动幅值分别为10，25 和40 cm 时土体内部超孔压随时间变化曲线。由图7可见：承压水波动幅值越大，引起的振荡超孔压幅值比值Posc/P0osc越大，沿着距离衰减相对较缓慢，但在距离土层表面0.4L处均降为0；不同幅值下Pave/P0ave基本一致，说明平均超孔压比值受到承压水波动幅值的影响较小。在承压含水层场地开挖基坑时应当注意承压水位变化幅值，当承压水变化幅值较大时，基坑底部弱透水性土越易受承压水波动的影响，土体内部超孔压越大，承压水越容易透过弱透水层向坑内越流。

2.2.3 承压水初始水位对超孔压的影响

图8 所示为承压水波动周期为6 min，幅值为25 cm，初始水位分别为80，100 和130 cm 时土体内部超孔压随时间变化曲线。从图8可见：Posc/P0osc曲线和Pave/P0ave曲线在不同初始水位下基本一致，而且承压水位波动对弱透水层孔压响应的影响范围并未受到初始水位高低的影响。但是，坑底弱透水层中水力坡降随着承压水初始水位增加而增大，容易引发坑底发生突涌。

图6 不同周期下超孔压分布曲线Fig.6 Distribution of excess pore pressure with depths under various periods

图7 不同幅值下超孔压分布曲线Fig.7 Distribution of excess pore pressure with depths under various amplitudes

图8 不同初始水位下超孔压分布曲线Fig.8 Distribution of excess pore pressure with depths under various initial confined water levels

3 结论

1)承压水波动引起的弱透水层超孔压响应可分为振荡超孔压和平均超孔压，振荡超孔压沿着渗流路径急剧衰减，在土层下半部波动能量传递损失较大；平均超孔压在土层中呈非线性分布。

2)承压水波动周期越长，振荡超孔压沿着渗流路径衰减越慢，超孔压变化幅值越大，承压水波动影响范围就越大；当工程中承压水位变化周期较长时，基坑抗突涌设计应考虑到坑底弱透性土层长时在承压水作用下渗透破坏的可能性。

3)振荡超孔压幅值比值随着承压水波动幅值增加而增大，但沿着传播距离衰减越缓慢；承压水波动初始水位对超孔压的影响不显著。