基坑突涌验算公式研究进展

吴诗阳 花剑岚

基坑突涌验算公式研究进展

吴诗阳1,2花剑岚2

（1.河海大学土木与交通学院 江苏南京 210098；2.南京市水利规划设计院有限责任公司 江苏南京 210006）

对目前基坑突涌计算公式的研究进展进行了总结，并深刻分析了基坑突涌的发生机理，破坏类型，以及破坏面的形状。给出了各种计算方法之间的联系与不足。并结合现有的方法，提出以后研究的新思路，新方法，具有一定的参考价值。

基坑 突涌 承压水 计算方法

1 引言

当前，由于社会经济发展与城市建设中高楼和地铁车站的兴起，基坑的深度和广度在不断的增加，在沿海和内地一些城市如上海、天津、北京等，基坑开挖深度已经触到承压水层或坑底受到承压含水层高水头顶托力的突涌安全威胁[1]。根据叶琳昌[2]、王曙光[3]、蒋红星[4]等人的统计数据得知，与地下水有关的基坑事故约占总事故的45%～70%，另根据胡展飞[5]等对深基坑事故的调查资料，约有70%的基坑事故与地下水有关。而基坑底的突涌则是较为突出的工程地质问题，当坑底承压水压力增加到一定高度或开挖至某一深度时，基坑内隔水层土体会发生开裂、涌砂、变形过大等形式的突涌破坏[6]，轻者造成基坑报废，围护结构倒塌，重者会危及周边环境的安全，造成人民生命财产的损失。因此，在承压水基坑设计和施工过程中，应首先验算基坑突涌稳定性，如不满足其稳定性要求则采取一定的应对措施防止基坑失稳。

而根据现有规范得出的突涌验算方法只是考虑了上覆土层的重力来平衡水头压力[7]，却忽视了土体本身的抗剪强度，这种方法计算出来的临界水头偏于保守。在文献[8]中的五个工程中，只有一个工程通过规范判别准确，但其它四个工程都与实际有所偏差。所以研究基坑突涌公式就显得尤为重要，好的计算方法不仅能很好的判别突涌的发生情况，而且也能很好的节约工程造价，减少了降水井和疏干井对基坑沉降和周边环境的影响。

2 基坑突涌计算方法分析

2.1压力平衡法

压力平衡法通常是根据坑底隔水层的突涌临界厚度rch来验算[9]。即坑底上覆土层的重力来平衡水压力，判别公式为：hcr=kγwHw/γ，式中k为安全系数，由规范给出；wγ为水的重度；Hw为承压水头差；γ为坑底隔水层土的容重。如图所示：当坑底隔水层的实际厚度h≥hcr时不发生突涌，当h＜hcr时，即隔水层土重小于承压水的浮力，基坑可能发生突涌。见图1。

图1 基坑突涌稳定性示意图

2.2均质连续梁或板法

均质连续梁或板法都是假定坑底土体是均质连续体，其基坑底板上作用一个向上的净压力根据材料力学以及弹性力学理论对其进行受力分析，以及扰度分析并考虑强度破坏和刚度破坏从而推导出基坑突涌的临界厚度。

(1)考虑条形基坑，由于坑周土的位移甚为微小，底板延伸于坑周部分被坑周土所嵌固，其转动和移动均受限制，故可将底板近似地简化为两端固定的受力梁AB。如图所示：

图2 基坑剖面、底板单位板宽梁及其受力图

此式是隐函数不等式，可用试算法求解h。 ms是刚度系数，可由有关规范给定或者根据经验选用。E为土（梁）的弹性模量，可由三轴剪切试验或普通压缩试验测得。

(2)将坑底视为隔水层底板分析[10]，其受力分析如图所示

图3 基坑隔水土层受力图和计算简图

根据剪力图和弯矩图可知，其危险截面有两处，一是跨中截面，此处出现最大正弯矩，二是梁短截面，此处有最大剪力。当基坑为无支护开挖时，此处的最大剪力可导致剪切破坏，当基坑为有支护开挖时，此时土体与支护结构为摩擦接触，最大剪力可导致接触破坏，其基坑的临界深度计算为：

式中

δ为弯矩折减系数，1=δ当为单向板时，；为双向板时，可查有关混凝土的结构设计手册。

2.3均质体法

均质体法的假设与均质连续梁或板相似，只不过是该法假设坑底破坏体是方柱体或圆柱体[11]，并考虑土体的自重应力，内聚力以及方柱体或圆柱体的四周内摩擦力。其情况如图所示：

图4 计算剖面图

方柱体四周总的内摩擦力（Tf）为：

2.4塑性破坏法

此法与上述的方法截然不同，否定上述方法中土为弹性体的假定，从而假设坑底土体为弹塑性土，发生弹塑性破坏，考虑了塑性应变增量部分。坑底隔水层土体塑性破坏条件f∗(σij)=kf式中f∗(σij)是应力分量的某种函数值，又叫破坏函数；kf是试验确定的常数[12]。然后假定土体塑性屈服符合Drucker-Prager准则，其屈服表达式为：

式σe中 =：∝分别为应力张量第一不变量和应力偏张量第二不变量；c，ϕ分别为坑底土粘聚力和内摩擦角。定义等效应力材料屈服参数σy=k ，等效应力eσ与材料屈服参数yσ之比称为屈服应力比。则对于承压水基坑，当坑底土的屈服应力比大于1时，坑底土产生塑性屈服破坏；即基坑发生突涌破坏，而且屈服应力比越大，塑性破坏区也越大，屈服应力比的大小直接反映了坑底土突涌塑性破坏的程度。

2.5离心模型试验研究法

以前大部分基坑突涌验算公式都是基于理论上提出的，从假设坑底土开始入手，运用基本理论对坑底隔水层底进行分析，假设基坑的破坏形式，从而推导出基坑突涌的验算公式。而最近的一些研究方法都是从实验开始入手，例如离心模型试验研究[13-14]，此法是基于离心机试验提出基坑突涌模式可分为接触面涌水涌砂破坏，整体顶升破坏和隔水层表面砂沸破坏这三种。并通过理论分析，认为基坑发生突涌的内在机制分别为：接触面涌水涌砂破坏是由于隔水层土体与地下结构接触面发生水力劈裂引起的；整体顶升破坏为地下结构与土体接触面或附近发生剪切破坏所致；表面砂沸破坏为隔水层在下部承压水作用下发生复合的拉剪破坏和剪切破坏的结果。然后有些学者根据离心模型试验提出的承压水基坑突涌模式，从而提出计算方法。假定破裂面为圆弧面，形式见图：

图5 基坑突涌破裂面形式示意图

则破裂面的抗剪强度：

式中：c，ϕ分别为隔水层的粘聚力和内摩擦角。

其基坑突涌判定公式为中：γ为上覆土体的重度；S为基坑的平面面积；C为基坑的周长；T为破裂面的抗剪强度，Hw为承压含水层的水头高度；Ky为基坑的抗突涌安全系数，可按相关规范进行取值。

2.6数值模拟法

数值模拟法是通过数值模拟软件对基坑开挖实现可视化的一种动态方法。通过选取模型，给定边界，针对不同的工程实际，输入相应的水文参数，得出计算数据，结合理论条件给出临界水头Hw的判定值，与实际工程进行对比研究，如不合理可以对参数进行修改，从而得出较为合理的临界水头，指导基坑工程的施工。这是一个快速发展的方法，很多学者，诸如丁春林，罗杰，高广运都对其做了详细的描述，具有一定的参考价值。，式

3 分析与总结

从1996年到如今，城市的建设从未放缓脚步，随之而来的基坑工程大量发展，随着开挖深度的逐渐加深，有时甚至开挖到承压水层，其一个不容忽视的问题，基坑突涌。若处理不好，不仅造成工期的延误，还会造成人员和经济的大量损失。为此大量学者开始研究基坑突涌产生的原因，验算标准，以及判别公式。总结所读文献中的方法，可以分三类：理论推导，实验分析，数值模拟。

（1）理论推导。根据基坑工程规范，判别基坑突涌稳定性时，只考虑了承压含水层与隔水层土体的自重应力，却忽略了土体抗剪强度，内聚力，摩擦力，以及桩的抗拔力，这样的计算偏于保守不符合工程实际。所以基于这个理论，学者纷纷提出了自己观点，均质连续梁或板法，假定隔水土层是弹性体，将其视为弹性梁或板，通过材料力学和弹性力学理论，进行公式推导，从而给出判别的标准。但是假设过于理想，实际过程中很难达到，而且将土看成是均质的、连续的弹性体，本身就存在问题，在公式推导的过程中未考虑孔隙水压力的影响，该方法存在一定的不合理性。

（2）实验分析。理论推导存在很大的局限性以及不准确性（只在某些特定的基坑工程中起到一定的参考价值），为此学者开始通过实验研究，分析基坑突涌的机制，主要是基于离心实验研究方法，将基坑突涌发生方式分为涌砂涌水破坏，整体顶升破坏，砂沸破坏三种，从而假设其破坏面为圆弧面，通过理论推导给出判别公式。虽然此法在试验过程中得出很好的实验结果，但是却未考虑尺寸效应的影响，以及边界条件难以处理，不能真正做到和现实情况相一致，在实际过程中会出现偏差，有时会导致判别失败。

（3）数值模拟。由于有限元的大力发展，进而有些学者将有限元分析法运用到基坑突涌判别公式中来。假定土体是弹塑性体，较符合实际，通过模型的选择，定义边界，参数给定，再运用三维有限元模拟软件针对不同基坑情况进行基坑突涌情况的模拟，考虑各种因素对基坑突涌的影响，最终得出判别基坑突涌的临界水头，较为合理，具有一定的工程应用价值。但是该方法仍然存在缺陷，模型本身的选取就存在问题，因为目前还没有针对基坑突涌提出过模型，往往需要通过对已有模型进行修正，而这没有理论依据，在建模的过程中，大部分情况都是规则图形，无法考虑应力集中现象，以及透镜体状承压水的情况[15]，而这正好与实际工程不相符。

可见，既有承压水基坑突涌稳定分析方法还存在一些缺陷与不足，考虑的方面还不全面，也许这是技术还没达到的情况。要想很好的分析基坑突涌的稳定性，必须从承压水基坑坑底土透水性和土体发生突涌破坏的力学机理出发，分析其可能产生的形式，全面考虑其影响因素。虽然好多学者已经对基坑突涌做了大量的研究，但终逃不了已往研究的影响，几乎从一个角度出发，基坑工程突涌规范入手，研究其判别公式，而这往往限制了研究的发展，也许我们可以换个角度去看看待问题。有的学者提出通过类比的方法，例如水力劈裂现象[16]，虽然这两者看起来毫无关系，但其相似的破坏机理，相同的破坏方式，水力劈裂的破坏过程，同样可以在基坑突涌中找到。所以研究水力劈裂，从而得知，随着基坑开挖深度的增加，在下部承压水作用下隔水层土体内部有效应力逐渐减小，部分区域有效应力转化为拉应力，从而使隔水层土体薄弱区产生裂缝，进而下部的承压水不断进入裂缝后，承压水水压力作用在裂缝的表面，使其产生较大的水利梯度，从而使裂缝不断向四周延伸，当裂缝贯通时则基坑发生突涌破坏。

再者，角落效应，自从1998年学者吕锋[17]提出角落效应概念后，好像没有人再考虑这一因素的影响，而这个因素恰恰是如今基坑突涌发生的重大问题。在角落部分，土体应力集中区、高孔压梯度区以及连续的塑性区，挡墙弧形斜裂隙发育区在此交汇叠加，形成相对的软弱带，这就是角落效应。随着基坑深度不断向下延伸，角落效应更加值得我们去关注。为此我们应该在基坑突涌研究过程中考虑方方面面的因素，使工程安全有效的进行。

因此，基坑突涌还有待我们进一步研究，本文只是简单介绍了抗突涌验算公式的研究进展，对新方法的分析只为后者提供一个新的思路。考虑地下水流动对基坑突涌的影响，还需做更多的工作。

[1] 丁春林.软土地区承压水基坑突涌稳定计算法研究综述[J].地下空间与工程学报，2007，3(2)：333-338.

[2] 叶琳昌.要重视基坑围护中的防水问题[J].中国建筑防水，2000，(1):18-22.

[3] 王曙光，温文.深基坑工程事故分析与工程实践[J].地基基础工程，2000，10(2):1-9.

[4] 蒋红星，李龙，冯芳.深基坑支护工程中的地下水防治问题研究[J].中国煤田地质，2003，15(1):41-43.

[5] 胡展飞，张刚，周健.软土基坑突水基底变形研究[J].地下空间与工程学报，2005，1(4):638-641.

[6] 郑刚，杨建民.抗突涌稳定验算公式分析[J].土木工程学报，2011，44(2):123-127.

[7] 潘泓，曹洪，谭泽新等.基坑抗突涌计算方法的对比分析及应用探讨[J].岩石力学与工程学报，2006，25(增2）:3529-3534.

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[12] 丁春林，王东方.基于塑性破坏的承压水基坑突涌计算模型研究[J].工程力学，2007，24(11):126-131.

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[14] 孙玉永，周振华.基于离心模型试验的基坑突涌模式及机制研究[J].岩石力学与工程学报，2010，29(12):2551-2557.

[15] 杨建民，郑刚.基坑降水中渗流破坏归类及抗突涌验算公式评价[J].岩土力学，2009，30(1):261-264.

[16] 白若虚.基于地下水劈裂的基坑突涌破坏机理研究与颗粒流数值模拟[D]，天津：天津大学建筑工程学院，2011.

[17] 吕锋，吴浩.软土深基坑中的角落效应[J].水文地质工程地质，1998，(2):5-8.

TV551

B

1672-2469(2014)06-0064-05

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.06.021

吴诗阳（1990年—），男，硕士。