吳詩陽 花劍嵐

基坑突涌驗算公式研究進(jìn)展

吳詩陽1,2花劍嵐2

（1.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院 江蘇南京 210098；2.南京市水利規(guī)劃設(shè)計院有限責(zé)任公司 江蘇南京 210006）

對目前基坑突涌計算公式的研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)，并深刻分析了基坑突涌的發(fā)生機(jī)理，破壞類型，以及破壞面的形狀。給出了各種計算方法之間的聯(lián)系與不足。并結(jié)合現(xiàn)有的方法，提出以后研究的新思路，新方法，具有一定的參考價值。

基坑 突涌 承壓水 計算方法

1 引言

當(dāng)前，由于社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展與城市建設(shè)中高樓和地鐵車站的興起，基坑的深度和廣度在不斷的增加，在沿海和內(nèi)地一些城市如上海、天津、北京等，基坑開挖深度已經(jīng)觸到承壓水層或坑底受到承壓含水層高水頭頂托力的突涌安全威脅[1]。根據(jù)葉琳昌[2]、王曙光[3]、蔣紅星[4]等人的統(tǒng)計數(shù)據(jù)得知，與地下水有關(guān)的基坑事故約占總事故的45%～70%，另根據(jù)胡展飛[5]等對深基坑事故的調(diào)查資料，約有70%的基坑事故與地下水有關(guān)。而基坑底的突涌則是較為突出的工程地質(zhì)問題，當(dāng)坑底承壓水壓力增加到一定高度或開挖至某一深度時，基坑內(nèi)隔水層土體會發(fā)生開裂、涌砂、變形過大等形式的突涌破壞[6]，輕者造成基坑報廢，圍護(hù)結(jié)構(gòu)倒塌，重者會危及周邊環(huán)境的安全，造成人民生命財產(chǎn)的損失。因此，在承壓水基坑設(shè)計和施工過程中，應(yīng)首先驗算基坑突涌穩(wěn)定性，如不滿足其穩(wěn)定性要求則采取一定的應(yīng)對措施防止基坑失穩(wěn)。

而根據(jù)現(xiàn)有規(guī)范得出的突涌驗算方法只是考慮了上覆土層的重力來平衡水頭壓力[7]，卻忽視了土體本身的抗剪強(qiáng)度，這種方法計算出來的臨界水頭偏于保守。在文獻(xiàn)[8]中的五個工程中，只有一個工程通過規(guī)范判別準(zhǔn)確，但其它四個工程都與實際有所偏差。所以研究基坑突涌公式就顯得尤為重要，好的計算方法不僅能很好的判別突涌的發(fā)生情況，而且也能很好的節(jié)約工程造價，減少了降水井和疏干井對基坑沉降和周邊環(huán)境的影響。

2 基坑突涌計算方法分析

2.1壓力平衡法

壓力平衡法通常是根據(jù)坑底隔水層的突涌臨界厚度rch來驗算[9]。即坑底上覆土層的重力來平衡水壓力，判別公式為：hcr=kγwHw/γ，式中k為安全系數(shù)，由規(guī)范給出；wγ為水的重度；Hw為承壓水頭差；γ為坑底隔水層土的容重。如圖所示：當(dāng)坑底隔水層的實際厚度h≥hcr時不發(fā)生突涌，當(dāng)h＜hcr時，即隔水層土重小于承壓水的浮力，基坑可能發(fā)生突涌。見圖1。

圖1 基坑突涌穩(wěn)定性示意圖

2.2均質(zhì)連續(xù)梁或板法

均質(zhì)連續(xù)梁或板法都是假定坑底土體是均質(zhì)連續(xù)體，其基坑底板上作用一個向上的凈壓力根據(jù)材料力學(xué)以及彈性力學(xué)理論對其進(jìn)行受力分析，以及擾度分析并考慮強(qiáng)度破壞和剛度破壞從而推導(dǎo)出基坑突涌的臨界厚度。

(1)考慮條形基坑，由于坑周土的位移甚為微小，底板延伸于坑周部分被坑周土所嵌固，其轉(zhuǎn)動和移動均受限制，故可將底板近似地簡化為兩端固定的受力梁AB。如圖所示：

圖2 基坑剖面、底板單位板寬梁及其受力圖

此式是隱函數(shù)不等式，可用試算法求解h。 ms是剛度系數(shù)，可由有關(guān)規(guī)范給定或者根據(jù)經(jīng)驗選用。E為土（梁）的彈性模量，可由三軸剪切試驗或普通壓縮試驗測得。

(2)將坑底視為隔水層底板分析[10]，其受力分析如圖所示

圖3 基坑隔水土層受力圖和計算簡圖

根據(jù)剪力圖和彎矩圖可知，其危險截面有兩處，一是跨中截面，此處出現(xiàn)最大正彎矩，二是梁短截面，此處有最大剪力。當(dāng)基坑為無支護(hù)開挖時，此處的最大剪力可導(dǎo)致剪切破壞，當(dāng)基坑為有支護(hù)開挖時，此時土體與支護(hù)結(jié)構(gòu)為摩擦接觸，最大剪力可導(dǎo)致接觸破壞，其基坑的臨界深度計算為：

式中

δ為彎矩折減系數(shù)，1=δ當(dāng)為單向板時，；為雙向板時，可查有關(guān)混凝土的結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊。

2.3均質(zhì)體法

均質(zhì)體法的假設(shè)與均質(zhì)連續(xù)梁或板相似，只不過是該法假設(shè)坑底破壞體是方柱體或圓柱體[11]，并考慮土體的自重應(yīng)力，內(nèi)聚力以及方柱體或圓柱體的四周內(nèi)摩擦力。其情況如圖所示：

圖4 計算剖面圖

方柱體四周總的內(nèi)摩擦力（Tf）為：

2.4塑性破壞法

此法與上述的方法截然不同，否定上述方法中土為彈性體的假定，從而假設(shè)坑底土體為彈塑性土，發(fā)生彈塑性破壞，考慮了塑性應(yīng)變增量部分?？拥赘羲畬油馏w塑性破壞條件f?(σij)=kf式中f?(σij)是應(yīng)力分量的某種函數(shù)值，又叫破壞函數(shù)；kf是試驗確定的常數(shù)[12]。然后假定土體塑性屈服符合Drucker-Prager準(zhǔn)則，其屈服表達(dá)式為：

式σe中 =：∝分別為應(yīng)力張量第一不變量和應(yīng)力偏張量第二不變量；c，?分別為坑底土粘聚力和內(nèi)摩擦角。定義等效應(yīng)力材料屈服參數(shù)σy=k ，等效應(yīng)力eσ與材料屈服參數(shù)yσ之比稱為屈服應(yīng)力比。則對于承壓水基坑，當(dāng)坑底土的屈服應(yīng)力比大于1時，坑底土產(chǎn)生塑性屈服破壞；即基坑發(fā)生突涌破壞，而且屈服應(yīng)力比越大，塑性破壞區(qū)也越大，屈服應(yīng)力比的大小直接反映了坑底土突涌塑性破壞的程度。

2.5離心模型試驗研究法

以前大部分基坑突涌驗算公式都是基于理論上提出的，從假設(shè)坑底土開始入手，運(yùn)用基本理論對坑底隔水層底進(jìn)行分析，假設(shè)基坑的破壞形式，從而推導(dǎo)出基坑突涌的驗算公式。而最近的一些研究方法都是從實驗開始入手，例如離心模型試驗研究[13-14]，此法是基于離心機(jī)試驗提出基坑突涌模式可分為接觸面涌水涌砂破壞，整體頂升破壞和隔水層表面砂沸破壞這三種。并通過理論分析，認(rèn)為基坑發(fā)生突涌的內(nèi)在機(jī)制分別為：接觸面涌水涌砂破壞是由于隔水層土體與地下結(jié)構(gòu)接觸面發(fā)生水力劈裂引起的；整體頂升破壞為地下結(jié)構(gòu)與土體接觸面或附近發(fā)生剪切破壞所致；表面砂沸破壞為隔水層在下部承壓水作用下發(fā)生復(fù)合的拉剪破壞和剪切破壞的結(jié)果。然后有些學(xué)者根據(jù)離心模型試驗提出的承壓水基坑突涌模式，從而提出計算方法。假定破裂面為圓弧面，形式見圖：

圖5 基坑突涌破裂面形式示意圖

則破裂面的抗剪強(qiáng)度：

式中：c，?分別為隔水層的粘聚力和內(nèi)摩擦角。

其基坑突涌判定公式為中：γ為上覆土體的重度；S為基坑的平面面積；C為基坑的周長；T為破裂面的抗剪強(qiáng)度，Hw為承壓含水層的水頭高度；Ky為基坑的抗突涌安全系數(shù)，可按相關(guān)規(guī)范進(jìn)行取值。

2.6數(shù)值模擬法

數(shù)值模擬法是通過數(shù)值模擬軟件對基坑開挖實現(xiàn)可視化的一種動態(tài)方法。通過選取模型，給定邊界，針對不同的工程實際，輸入相應(yīng)的水文參數(shù)，得出計算數(shù)據(jù)，結(jié)合理論條件給出臨界水頭Hw的判定值，與實際工程進(jìn)行對比研究，如不合理可以對參數(shù)進(jìn)行修改，從而得出較為合理的臨界水頭，指導(dǎo)基坑工程的施工。這是一個快速發(fā)展的方法，很多學(xué)者，諸如丁春林，羅杰，高廣運(yùn)都對其做了詳細(xì)的描述，具有一定的參考價值。，式

3 分析與總結(jié)

從1996年到如今，城市的建設(shè)從未放緩腳步，隨之而來的基坑工程大量發(fā)展，隨著開挖深度的逐漸加深，有時甚至開挖到承壓水層，其一個不容忽視的問題，基坑突涌。若處理不好，不僅造成工期的延誤，還會造成人員和經(jīng)濟(jì)的大量損失。為此大量學(xué)者開始研究基坑突涌產(chǎn)生的原因，驗算標(biāo)準(zhǔn)，以及判別公式?？偨Y(jié)所讀文獻(xiàn)中的方法，可以分三類：理論推導(dǎo)，實驗分析，數(shù)值模擬。

（1）理論推導(dǎo)。根據(jù)基坑工程規(guī)范，判別基坑突涌穩(wěn)定性時，只考慮了承壓含水層與隔水層土體的自重應(yīng)力，卻忽略了土體抗剪強(qiáng)度，內(nèi)聚力，摩擦力，以及樁的抗拔力，這樣的計算偏于保守不符合工程實際。所以基于這個理論，學(xué)者紛紛提出了自己觀點，均質(zhì)連續(xù)梁或板法，假定隔水土層是彈性體，將其視為彈性梁或板，通過材料力學(xué)和彈性力學(xué)理論，進(jìn)行公式推導(dǎo)，從而給出判別的標(biāo)準(zhǔn)。但是假設(shè)過于理想，實際過程中很難達(dá)到，而且將土看成是均質(zhì)的、連續(xù)的彈性體，本身就存在問題，在公式推導(dǎo)的過程中未考慮孔隙水壓力的影響，該方法存在一定的不合理性。

（2）實驗分析。理論推導(dǎo)存在很大的局限性以及不準(zhǔn)確性（只在某些特定的基坑工程中起到一定的參考價值），為此學(xué)者開始通過實驗研究，分析基坑突涌的機(jī)制，主要是基于離心實驗研究方法，將基坑突涌發(fā)生方式分為涌砂涌水破壞，整體頂升破壞，砂沸破壞三種，從而假設(shè)其破壞面為圓弧面，通過理論推導(dǎo)給出判別公式。雖然此法在試驗過程中得出很好的實驗結(jié)果，但是卻未考慮尺寸效應(yīng)的影響，以及邊界條件難以處理，不能真正做到和現(xiàn)實情況相一致，在實際過程中會出現(xiàn)偏差，有時會導(dǎo)致判別失敗。

（3）數(shù)值模擬。由于有限元的大力發(fā)展，進(jìn)而有些學(xué)者將有限元分析法運(yùn)用到基坑突涌判別公式中來。假定土體是彈塑性體，較符合實際，通過模型的選擇，定義邊界，參數(shù)給定，再運(yùn)用三維有限元模擬軟件針對不同基坑情況進(jìn)行基坑突涌情況的模擬，考慮各種因素對基坑突涌的影響，最終得出判別基坑突涌的臨界水頭，較為合理，具有一定的工程應(yīng)用價值。但是該方法仍然存在缺陷，模型本身的選取就存在問題，因為目前還沒有針對基坑突涌提出過模型，往往需要通過對已有模型進(jìn)行修正，而這沒有理論依據(jù)，在建模的過程中，大部分情況都是規(guī)則圖形，無法考慮應(yīng)力集中現(xiàn)象，以及透鏡體狀承壓水的情況[15]，而這正好與實際工程不相符。

可見，既有承壓水基坑突涌穩(wěn)定分析方法還存在一些缺陷與不足，考慮的方面還不全面，也許這是技術(shù)還沒達(dá)到的情況。要想很好的分析基坑突涌的穩(wěn)定性，必須從承壓水基坑坑底土透水性和土體發(fā)生突涌破壞的力學(xué)機(jī)理出發(fā)，分析其可能產(chǎn)生的形式，全面考慮其影響因素。雖然好多學(xué)者已經(jīng)對基坑突涌做了大量的研究，但終逃不了已往研究的影響，幾乎從一個角度出發(fā)，基坑工程突涌規(guī)范入手，研究其判別公式，而這往往限制了研究的發(fā)展，也許我們可以換個角度去看看待問題。有的學(xué)者提出通過類比的方法，例如水力劈裂現(xiàn)象[16]，雖然這兩者看起來毫無關(guān)系，但其相似的破壞機(jī)理，相同的破壞方式，水力劈裂的破壞過程，同樣可以在基坑突涌中找到。所以研究水力劈裂，從而得知，隨著基坑開挖深度的增加，在下部承壓水作用下隔水層土體內(nèi)部有效應(yīng)力逐漸減小，部分區(qū)域有效應(yīng)力轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)力，從而使隔水層土體薄弱區(qū)產(chǎn)生裂縫，進(jìn)而下部的承壓水不斷進(jìn)入裂縫后，承壓水水壓力作用在裂縫的表面，使其產(chǎn)生較大的水利梯度，從而使裂縫不斷向四周延伸，當(dāng)裂縫貫通時則基坑發(fā)生突涌破壞。

再者，角落效應(yīng)，自從1998年學(xué)者呂鋒[17]提出角落效應(yīng)概念后，好像沒有人再考慮這一因素的影響，而這個因素恰恰是如今基坑突涌發(fā)生的重大問題。在角落部分，土體應(yīng)力集中區(qū)、高孔壓梯度區(qū)以及連續(xù)的塑性區(qū)，擋墻弧形斜裂隙發(fā)育區(qū)在此交匯疊加，形成相對的軟弱帶，這就是角落效應(yīng)。隨著基坑深度不斷向下延伸，角落效應(yīng)更加值得我們?nèi)リP(guān)注。為此我們應(yīng)該在基坑突涌研究過程中考慮方方面面的因素，使工程安全有效的進(jìn)行。

因此，基坑突涌還有待我們進(jìn)一步研究，本文只是簡單介紹了抗突涌驗算公式的研究進(jìn)展，對新方法的分析只為后者提供一個新的思路?？紤]地下水流動對基坑突涌的影響，還需做更多的工作。

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1672-2469(2014)06-0064-05

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.06.021

吳詩陽（1990年—），男，碩士。