降雨入渗对粉砂土基坑开挖稳定性影响分析

罗开珍

(赣州市水利电力勘测设计研究院，江西赣州 341000)

降雨引起基坑失稳的问题一直备受学者们的关注。降雨入渗对边坡的稳定影响，许多学者已经进行了大量的计算研究，且得到了许多可贵的经验和成果［1-9］。基坑作为较特殊的人工边坡，土体表面缺乏植被覆盖且表层受到一定的施工扰动，其受降雨入渗影响较大。而目前降雨入渗对基坑稳定性的影响研究还比较少，特别是粉砂质基坑。本文在已有研究成果的基础上，结合某粉砂土边坡进行计算，得到边坡的孔隙水压力及含水量分布。利用简化Bishop圆弧条分法搜索并计算稳定安全系数，评价其稳定性。对于基坑工程防水降水具有重要工程意义。

1 工程概况

某在建工程基坑深7 m，采用放坡开挖，形成坡脚为43°的边坡，无支护措施，开挖结束时边坡处于稳定状态。地下水位位于地下2 m～3 m，坑内采用深孔降水，抽水量达13.2 m3/h。据地质勘探资料，该基坑东、南两侧土层为单一的粉砂土，层厚12 m。在东南两侧均布置了若干测斜孔，距离边坡2 m，用于监测侧向水平位移和地下水位。其物理力学参数见表1。根据实测资料，当日连续降雨约120 min，平均雨量达到42 mm/h。

2 数值分析

2.1 计算模型、边界与初始条件

边界条件为:1)土坡表面及斜坡处，取为流量边界或定水头边界。如果雨强小于饱和渗透系数，按流量边界处理，大小为降雨强度;如果雨强大于表层土体渗透性，一部分雨水沿坡面流失，此时可按定水头边界处理，计算中取水头值等于高程。2)模型左侧、地下水位以下为定水头边界条件，地下水位以上按零流量边界处理。3)模型底面为不透水边界。4)边坡右下角设置抽水井，持续抽水量达13.2 m3/h。有限元剖分的网格见图1。

表1 土体物理力学参数

分析过程共分10个步时，记录降雨过程(120 min)及降雨后一段时间内(300 min)的孔隙水压力分布和体积含水率分布，并根据Bishop法搜索并计算各时步最危险滑动面安全系数。

2.2 孔隙水压力分布影响

土壤的成层性往往会影响土体水分的运移与分布。图2给出了在水平坐标15 m处孔隙水压力随时间变化曲线。从图2中可以发现，在降雨发生30 min时，粉砂土边坡孔隙水压力迅速增大到200 kPa，降雨停止后(120 min后)在抽水孔排水作用下，粉砂土边坡孔隙水压力变化较快，但仍有一定的滞后，这主要与粉砂层中含泥量有关。图3给出了300 min后，南北两侧开挖边坡的含水率分布等值线。地下水位以下含水率为0.4，对于粉砂土边坡水位线上含水率为0.05，比较低，水量大部分消散，但是仍然有部分存留在土层中。

图1 有限元网格划分及边界条件

图2 孔隙水压力变化曲线

图3 300 min后的体积含水率等值线图

2.3 边坡侧向位移

图4显示了粉砂质土边坡测斜孔处沿基坑内侧的水平位移监测值和有限元分析值(FEM)。从图4中可以看出，随着降雨过程的持续边坡的侧向位移增大，降雨停止后仍然继续增大，这与监测的趋势一致。有限元分析结果与实测值基本一致，误差在5%以内，说明模拟结果较合理，但是实测值比模拟值大，这主要是由于现场受地面堆载和振动的影响，变形较大。

图4 测斜孔处侧向水平位移

2.4 边坡瞬态稳定性分析

根据Bishop圆弧条分法，指定搜索半径和圆心的范围搜索最危险滑动面。图5给出了边坡稳定安全系数随时间变化的曲线。粉砂土层边坡在降雨入渗作用下安全系数逐渐下降，降雨停止后仍然不断降低，大约180 h～200 h后到一个最低值，随着水位的下渗，稳定安全系数逐渐提高。因此，对于粉砂层施工过程必须关注雨后180 h～200 h基坑的稳定性，及时做好坑内排水。

图5 稳定安全系数变化曲线

3 结语

1)粉砂土基坑受降雨入渗影响较大，随着降雨入渗，孔隙水压力上升较快，含水量也逐渐增大，降雨停止后空隙水压力和含水率逐渐消散，但是仍然有部分存留在土层，这主要与粉砂层中含泥量有关。2)粉砂土基坑侧向位移数值模拟结果与监测值基本一致，随着降雨入渗不断增大，降雨停止后仍然不断增大，受现场地面堆载和振动的影响，最终实测值会比模拟值略大。3)粉砂质基坑开挖后在自然状态下基本稳定，降雨入渗过程中，其稳定安全系数不断下降，降雨停止后仍然不断降低，大约180 h～200 h后到一个最低值，对于粉砂层施工过程必须关注雨后180 h～200 h基坑的稳定性，及时做好坑内排水。

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