降雨入渗条件下黏性土基坑浅层边坡稳定性分析

任东兴, 薛 鹏, 叶 飞, 周向阳, 高晓峰, 罗东林

(1.中冶成都勘察研究总院有限公司,成都 610023;2.四川大学 水利水电学院,成都 610065; 3.贵州大学 资源与环境工程学院,贵阳 550025)

降雨是引起黏性土基坑边坡失稳的最主要因素，长历时、高强度集中降雨更会引发大量边坡失稳[1-5]。近年来，有学者统计成都黏性土基坑失稳破坏，发现约48%的基坑事故是由降雨入渗引起的[6-7]，尤其是大量浅表层的滑塌事故。雨水入渗土体后，会在土体浅表层形成暂态饱和区，土体含水率随降雨入渗逐渐增大，强度逐渐降低，最终形成滑坡灾害。因此，开展降雨入渗条件下的黏性土基坑边坡稳定性研究具有十分重要的意义。

目前，针对黏性土基坑边坡失稳问题，学者们已开展了大量试验和数值模拟研究，取得了丰硕成果。如王力等[8]通过现场人工模拟降雨试验，研究了边坡土体含水率、孔隙水压力与坡体位移响应的关系，以及边坡降雨入渗规律和边坡变形失稳模式，结果表明含水率增大幅度随土体埋深增大而减小。程永辉等[9]通过离心模型试验，模拟了降雨条件下典型黏土边坡失稳破坏全过程，发现一次降雨后即出现滑动现象，二次降雨后，边坡滑动范围和深度明显增加，反映了黏土边坡失稳的渐进性和逐级牵引性。梁树等[10]结合现场试验、物理模拟和数值模拟方法，综合得到成都黏土基坑边坡降雨入渗规律及入渗深度的经验公式。而在数值模拟方面，平扬等[11]采用SLOPE/W商业软件进行降雨入渗条件下的黏土边坡稳定性分析，研究了雨水入渗条件下边坡的渗流规律。为了得到非饱和土边坡变形与应力的变化规律，徐晗等[12]、崔亮等[13]采用ABAQUS软件对降雨入渗条件下非饱和土边坡渗流场与应力场的耦合情况进行了模拟。王凯等[14]基于FLAC3D平台，通过本构模型的二次开发并用于实际工程，结果表明所开发的湿度应力场本构模型能更好地反映膨胀力对巷道围岩变形与次生应力状态的影响。而基于饱和-非饱和渗流理论、弹塑性本构关系和应变软化理论，陈亮胜等[15]提出一种综合考虑非饱和渗流、膨胀变形和应变软化的多场耦合数值分析法，探讨了降雨入渗条件下边坡非饱和渗流、位移响应及渐进性破坏的变化规律。

对于黏土基坑边坡，采用饱和-非饱和土边坡渗流场与应力场耦合的数值模拟[16]，是目前最常见的分析方法；但是部分模拟软件在降雨入渗边界处理上，不能反映降雨边界的动态变化过程[17]，导致计算结果不能反映实际情况。在实际工程中，伴随着雨水入渗，土体含水率逐渐增大，导致土体抗剪强度降低[18]，且集中影响表层土体[10]。针对黏性土边坡稳定性分析，数值模拟往往比实验室内的微观研究更能直观表现降雨过程对边坡的弱化机理。因此，通过数值模拟降雨入渗影响区域土体强度参数的弱化过程，不失为一种便捷的降雨入渗条件下基坑边坡稳定性分析方法。

本文针对成都某黏性土基坑边坡失稳案例，探讨暴雨条件下边坡应力变形特性及其稳定性，为该基坑边坡修复方案设计提供科学依据，为该类基坑稳定性分析提供新思路。

1 基本情况

1.1 工程概况

本文研究的基坑位于成都黏土地区，长约219 m，宽约93 m，基坑最大深度5.2 m，基坑平面布置如图1所示。该基坑的西北侧为空地，具备边坡放坡条件，原设计方案采用1∶1.25放坡，坡面防护采用素喷护面；基坑其他三面均紧邻市政道路，采用排桩支护。

图1 基坑平面图Fig.1 Plan of excavation foundation pit

图2 基坑垮塌段典型地质剖面图Fig.2 Typical geological profile of collapsed section of the excavation foundation pit

成都黏土大面积分布于成都市东郊至龙泉山麓，矿物成分主要为伊利石(水云母)、蒙脱石以及少量高岭石、绿泥石。成都黏土裂隙发育，具有很强的亲水性，遇水膨胀，易塑易滑，失水干裂收缩[19-21]。成都地区的基坑往往具有典型的二元地质结构，有两种典型剖面：第一种地质结构为中上部为黏性土层，下部为基岩(图3)；另外一种为中上部为黏性土层，下部为砂卵砾石层(图4)。大量案例表明，雨水入渗土体，主要影响浅表层的基坑边坡土体，导致其形成了暂态饱和区，滑坡灾害也主要发育在浅表层土体中。本案例就发生在第一类地质结构中。

图3 成都地区基坑的第一种典型地质结构Fig.3 The first typical geological structure of excavation foundation pit in Chengdu area

图4 成都地区基坑的第二种典型地质结构Fig.4 The second typical geological structure of excavation foundation pit in Chengdu area

1.2 边坡失稳情况描述

2020年夏季汛期，基坑工程所在区域出现连续暴雨。根据附近雨量站记录，边坡失稳前3天内最大日降雨量达到106 mm，正处于施工过程中的西北侧边坡在雨后两日出现了大面积垮塌，垮塌长度约116 m，宽度为7 m，滑动面埋深0.8～1.2 m，垮塌体积接近1 000 m3，垮塌现场如图5所示。

图5 基坑北西侧边坡垮塌段Fig.5 The collapsed section in the northwest of foundation pit

现场调查分析表明，此次基坑垮塌的主要原因是由于基坑北侧素喷封闭范围内局部开裂，降水渗入表层土体，导致土体强度降低，致使基坑局部失稳、垮塌。事故发生后，项目部立即启动了排水和固坡等临时措施，防止了边坡进一步垮塌，但同时亟需制定修复方案。

2 计算方法及参数

2.1 降雨入渗深度计算

国内学者[10]根据现场试验、物理模拟和数值方法计算结果，总结了成都黏土基坑浅层坡体不同降雨条件下的入渗规律，得到了入渗深度的经验公式

L=at+bP+ck+dS+e

(1)

式中：t为降雨时间；P为降雨强度；k为渗透系数；S为地表裂隙深度；a、b、c、d和e为系数。

根据气象信息和勘察报告，汛期暴雨日降雨量为50～100 mm，计算的时候取降雨量为75 mm/d;黏性土渗透系数为1.10×10-7cm/s，不计地表裂隙；系数a、b、c、d和e按文献[10]给出成都黏土试验值，根据式(2)计算降雨入渗深度

L=0.494×24+0.8228×75+3×108×

1.1×10-7+13.8=120.37 cm

(2)

由此可见，计算得出的降雨入渗深度与本项目现场量测得到的滑移土体最大厚度120 cm比较接近，由此说明降雨入渗深度与土体滑动面埋深呈现高度的一致性。

2.2 土体应力变形计算方法

采用有限元软件ABAQUS进行模拟计算，土体本构模型选用摩尔-库伦弹塑性模型[22]，土体塑性屈服函数表达式为

F=Rmcq-ptanφ-c=0

(3)

式中：

(4)

(5)

(6)

式中：c为黏聚力；φ为内摩擦角；Θ为应力罗德角；σ为应力张量；S为应力偏张量；p为平均应力；q为广义剪应力。

2.3 强度折减法

边坡稳定安全系数计算采用强度折减法[23]。强度折减法原理就是在通过持续减小岩土体的强度指标c、φ，通过不断的折减得到不同cf和φf，直至岩土体出现破坏，此时的折减系数即为边坡稳定性安全系数。

cf=c/F

(7)

(8)

2.4 计算模型及计算参数

基坑边坡材料分区(原设计方案)如图6所示，上层为黏土层，厚度为5 m，根据降雨入渗深度计算成果，取边坡表层土深120 cm范围内为降雨入渗影响区域；基坑底部以下为强风化-中等风化粉砂质泥岩。采用ABAQUS软件中平面应变单元，节点总数735个，单元总数676个，如图7所示。计算模型左、右边界设置水平位移约束，底部边界设置水平和垂直约束；计算荷载考虑自重作用。

图6 基坑边坡材料分区(设计方案)Fig.6 Material partition of foundation pit (designing scheme)

图7 基坑边坡计算模型(设计方案)Fig.7 Calculation model of foundation pit (designing scheme)

土体本构模型采用经典的摩尔-库伦模型，具体参数如表1所示，其中成都黏土、强风化粉砂质泥岩计算参数依据本项目勘察报告中的土工试验。一般来说，土体剪切强度随含水率的增大而减小，各个地区试验土体不同，得出的土体强度参数与含水率的拟合关系也不统一[24]。对于成都地区黏土，国内学者[25]通过在成都东郊某基坑内取样测试，分别进行饱水和自然风干，并配制出9组不同含水率的土样，得到了成都黏土强度参数与含水率之间的相关关系。考虑文献[25]土体采样区域临近本项目区，因此本文降雨入渗影响区域黏土层强度参数采用该试验结果值。

表1 计算参数Table 1 Calculation parameters

3 计算结果分析

3.1 设计方案

计算得出基坑设计方案的边坡位移结果如图8所示，可以看出，边坡土体变形主要出现在表层受降雨入渗影响的区域。水平方向位移最大值出现在基坑边坡底部，为2.78 cm；竖直方向最大位移出现在边墙顶部，为8.15 cm。

图8 基坑边坡位移等值线图(设计方案)Fig.8 The displacement contour map of foundation pit (designing scheme)

基坑边坡应力结果如图9。水平方向应力总体随埋深增大而增大，墙体顶部水平方向应力为正值，说明此处出现了拉应力，最大拉应力为1.07 kPa；竖直方向应力随埋深增大而增大，底部最大压应为192 kPa。

图9 基坑边坡应力等值线图(设计方案)Fig.9 The stress contour map of foundation pit (designing scheme)

按设计方案计算得出土体等效塑性应变如图10所示，在表层土体与内部土体交界处出现了塑性区域，塑性区域自坡脚斜向上、向内延伸，接近形成贯穿性的滑动面，同时计算结果出现了塑性迭代不收敛的情况。说明此时基坑边坡已接近失稳，处于不稳定状态(图11)。采用强度折减法计算得出边坡安全系数为0.977，由此可见此时边坡处于不稳定状态。绘制出破坏状态边坡变形图如图12所示，可以看出，边坡表层土体受降雨影响出现了整体滑动，与边坡垮塌情况基本吻合。

图10 基坑边坡塑性区域(设计方案)Fig.10 The plastic range of foundation pit (designing scheme)

图11 边坡安全系数计算(设计方案)Fig.11 The calculation of slope safety factor (designing scheme)

图12 边坡失稳时变形图(设计方案)Fig.12 Diagram showing the deformation during slope failure (designing scheme)

3.2 修复方案

根据图1所示基坑平面示意图，基坑北侧为空地，具备进一步放坡条件，修复方案首选降低坡度，将原单级1∶1.25坡度降低为两级1∶2.0边坡。基坑边坡材料分区(修复方案)如图13所示。计算模型节点总数836个，单元总数775个(图14)。计算模型左、右边界设置水平位移约束，底部边界设置水平和垂直约束。

图13 基坑边坡材料分区(修复方案)Fig.13 Material partition of foundation pit (repair scheme)

图14 基坑边坡计算模型(修复方案)Fig.14 Calculation model of foundation pit (repair scheme)

计算得出修复方案基坑边坡位移结果如图15所示。水平方向位移最大值出现在基坑边坡底部的粉砂质泥岩内，最大值为0.55 cm；竖直方向位移最大值出现在墙顶部，最大值为9.11 cm。

图15 基坑边坡位移等值线图(修复方案)Fig.15 The displacement contour map of foundation pit (repair scheme)

基坑边坡应力计算结果如图16。水平方向应力总体随埋深增大而增大，墙体顶部水平方向应力为正值，说明出现了拉应力，最大拉应力为0.14 kPa；竖直方向应力呈现随埋深增大而增大，底部最大压应为193 kPa。

图16 基坑边坡应力等值线图(修复方案)Fig.16 The stress contour map of foundation pit (repair scheme)

修复方案计算出的等效塑性应变如图17所示。显然，边坡表层土体与内部土体交界处的坡脚位置出现了局部塑性区域，但并未出现大面积贯通塑性带；采用强度折减法计算出来的边坡安全系数为1.508(图18)，安全系数值大于文献[26]中要求的临时边坡安全系数1.25，由此说明修复方案满足边坡稳定的要求。

图17 基坑边坡塑性区域(修复方案)Fig.17 The plastic range of foundation pit (repair scheme)

图18 边坡安全系数计算(修复方案)Fig.18 The calculation of slope safety factor (repair scheme)

根据基坑边坡垮塌段坡顶位移处3个监测点的监测数据和基坑所在地的降雨量统计，绘制基坑边坡垮塌段坡顶位移和降雨拟合图(图19)。可以看出，基坑施工开始后坡顶位移量变化基本在15 mm之内；暴雨期间坡顶位移逐步扩大，位移变形值超过了50 mm，直至边坡失稳垮塌。暴雨事件与基坑破坏有非常好的对应关系，基坑变形破坏较暴雨事件滞后1～2天。采用两级放坡方案修复后，边坡垮塌段坡顶位移监测值开始逐步增大，并逐渐趋于稳定，施工结束时垮塌段中部监测点JC8的位移值最大，为13.5 mm，两侧变形值较小，左右监测点JC6、JC10位移量分别为5.4 mm、6.1 mm，满足规范要求，现场的实际效果如图20所示。

图19 基坑边坡垮塌段坡顶位移监测和降雨曲线Fig.19 The slope displacement monitoring result and rainfall curve

图20 基坑边坡修复后的实际效果Fig.20 The actual effect after the slope repair of foundation pit

4 结 论

本文针对成都某黏土基坑边坡失稳案例，分别探讨了暴雨条件下设计方案和修复方案的应力变形特性和边坡稳定性，主要结论如下：

a.通过模拟真实入渗影响区域土体强度参数弱化的影响，计算得出设计方案边坡坡脚水平位移最大，并在降雨入渗深度影响区域和内部土体之间形成了接近贯穿的塑性滑移带，且安全系数为0.977，边坡处于失稳的不安全状态，边坡土层滑动情况与实际坡面浅层滑动现象吻合。

b.二级缓坡修复方案的计算分析表明，该方案计算得到的水平位移远小于设计方案的水平位移；同时，塑性带仅零星出现在坡体内部，计算得出该方案安全系数为1.508，满足边坡稳定性设计要求。实际工程采用了该修复方案，解决了本项目边坡坍塌的工程问题。

c.通过工程实例分析，验证了通过数值模拟入渗影响区域土体强度参数弱化进行边坡稳定性分析的可行性。相较于一般渗流场与应力场耦合的数值模拟方法，本文方法更为简洁、高效，在实际工程中具有应用前景。