王軍璽　吳偉雄　李瓊　陶虎　李興田　石喜　楊治國(guó)

摘要：突涌是基坑工程施工過(guò)程中常遇的主要災(zāi)害之一?，F(xiàn)有的承壓水基坑突涌穩(wěn)定分析方法均不能反應(yīng)突涌破壞機(jī)理。從水力劈裂的機(jī)理入手，建議承壓水基坑突涌問(wèn)題應(yīng)考慮應(yīng)力-滲流場(chǎng)耦合作用。在Biot固結(jié)理論基礎(chǔ)上，建立了基坑突涌分析水力劈裂耦合模型，考慮了土體物理力學(xué)性質(zhì)的動(dòng)態(tài)演化。試圖通過(guò)分析工作面推進(jìn)過(guò)程中基底土體應(yīng)力場(chǎng)和滲流場(chǎng)的變化，來(lái)判斷突涌發(fā)生的可能性。研究結(jié)果表明：突涌始于基底隔水層所發(fā)生的張拉破壞，基底周邊是發(fā)生突涌的危險(xiǎn)位置；滲透弱面（初始張拉裂縫）的水壓楔劈效應(yīng)所導(dǎo)致的水力劈裂為基坑突涌提供了通道；高水壓力的存在是突涌發(fā)生的前提條件，高水力梯度的產(chǎn)生是基坑突涌的根源。

關(guān)鍵詞：突涌；滲流-應(yīng)力耦合；水力劈裂；承壓水；基坑工程

中圖分類號(hào)：TV641 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-4764（2015）04-0105-07

Abstract：Burst is one of the main disasters in the foundation pit engineering. However， the current methods for analyzing burst stability of the foundation pit on confined water could not reflect the failure mechanism. According to mechanism of hydro-fracturing， the seepage-stress coupling should be considered when burst is studied. The coupling model for the foundation pit burst in hydro-fracturing process is established based on Biot's consolidation theory， and the dynamic evolution of soils permeability and mechanical characteristic are considered. The possibility of burst is explored by analyzing the change of stress field and seepage field during the excavation process. The results show that burst begins in tension failure in aquiclude of foundation base， whilst the periphery of foundation base is where more likely burst occurs；hydro-fracturing caused by water wedge effect of weak surface infiltration （it is the initial tension crack） provides the channel for burst and a confined bed with high pore water pressure is the precondition for burst， but high hydraulic gradient is the root cause for burst.

Key words：burst；seepage-stress coupling；hydro-fracturing；confined water；foundation pit engineering

突涌是基坑開挖過(guò)程中常見的地質(zhì)災(zāi)害之一。隨著地下空間的大規(guī)模開發(fā)利用，基坑的深度和廣度在不斷增加。突涌現(xiàn)象在深大基坑中表現(xiàn)得尤為突出?；油挥縖1]是基坑底部的不透水層在其下部承壓含水層水壓力的作用下隆起并發(fā)生突水涌泥的現(xiàn)象?；庸こ讨腥绻l(fā)生突涌破壞，不僅造成圍

護(hù)結(jié)構(gòu)倒塌，基坑報(bào)廢，還會(huì)危及周邊環(huán)境的安全，導(dǎo)致人民生命財(cái)產(chǎn)的損失。

關(guān)于地下工程突涌問(wèn)題的研究，目前以關(guān)注礦井和巖溶地質(zhì)隧道突涌較多，對(duì)深基坑突涌問(wèn)題的研究較為少見。

規(guī)范[2]規(guī)定采用壓力平衡理論[3]對(duì)承壓水基坑的抗突涌穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析?；釉O(shè)計(jì)中也只是簡(jiǎn)單地將隔水層與下伏承壓含水層接觸面上的水壓力值與單位面積上的土壓力相等作為基坑突涌的判斷標(biāo)準(zhǔn)。目前，普遍認(rèn)為由于忽略了隔水層土體的抗剪強(qiáng)度和剛度，所以此方法較為保守。然而，盡管基底隔水層整體滿足抗突涌條件，仍然會(huì)發(fā)生局部失穩(wěn)破壞[4]。此外，一些學(xué)者探索用其他方法來(lái)研究深基坑突涌問(wèn)題，比如連續(xù)梁、板分析法[5-6]，預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁、板分析法[7-8]，均質(zhì)連續(xù)體法[9]等。但是，在承壓水作用下，基底土體將產(chǎn)生較大的隆起變形，隔水層內(nèi)會(huì)形成裂隙，其受力條件及破壞模式與梁、板存在差異；并且當(dāng)隔水層厚度與基坑跨度之比較大時(shí)，將隔水層簡(jiǎn)化成固端梁、板并不合理。均質(zhì)連續(xù)體法假設(shè)突涌破壞體為均質(zhì)柱體，這一假定與承壓水基坑實(shí)際突涌破壞形式相差甚遠(yuǎn)。而且上述方法均視隔水層為完全不透水的整體，忽略了土體固有的屬性，尤其是隔水層土體在承壓水作用下的應(yīng)力-滲流耦合作用的影響。可見，現(xiàn)有承壓水基坑突涌穩(wěn)定分析方法均存在一些不足與缺陷，不能對(duì)基坑突涌破壞機(jī)理作出合理的解釋。

明確基底土體發(fā)生突涌破壞的力學(xué)機(jī)理是正確分析、定量判斷承壓水基坑突涌穩(wěn)定性的前提。孫玉永[10]針對(duì)現(xiàn)有的基坑突涌穩(wěn)定性分析方法和成果，提出了借助水力劈裂來(lái)揭示基坑突涌發(fā)生的內(nèi)在機(jī)理。孫玉永等[11]針對(duì)基坑突涌穩(wěn)定及破壞模式進(jìn)行離心模型試驗(yàn)研究表明：基坑突水涌砂破壞是由于地下結(jié)構(gòu)與隔水層接觸面發(fā)生了水力劈裂所引起的。

水力劈裂最基本的表述是水壓力超過(guò)土中應(yīng)力而將土體劈開的現(xiàn)象[12]。承壓水是充滿兩個(gè)隔水層之間的含水層中的地下水，具有承壓性；而基坑開挖是豎向卸載過(guò)程。承壓水基坑開挖到一定深度，基底隔水層與其下伏承壓含水層的界面鄰域水壓力有可能超過(guò)土應(yīng)力，隔水層發(fā)生水力劈裂，引起基坑突涌。

水力劈裂是指由于水壓力的作用在土體中引起裂縫的發(fā)生與擴(kuò)展的一種物理現(xiàn)象[13]，反映了水壓力作用下土體的力學(xué)響應(yīng)；反之，土體應(yīng)力狀態(tài)的改變導(dǎo)致其滲透特性的變化以及滲流場(chǎng)的改變，從而為水力劈裂的產(chǎn)生創(chuàng)造了條件。周健等[14]結(jié)合深基坑突涌問(wèn)題進(jìn)行了室內(nèi)模型試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)突涌破壞發(fā)生前后基底土體物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生了較大的變化。因此，水力劈裂是應(yīng)力-滲流耦合作用的表現(xiàn)?；拥拈_挖打破了土體原平衡狀態(tài)，引起土體應(yīng)力場(chǎng)與滲流場(chǎng)的變化。在基坑突涌的災(zāi)變演化過(guò)程中，開挖卸荷條件下基底土體的應(yīng)力-滲流耦合效應(yīng)是突涌通道（即水力劈裂）形成的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。

本文基于水力劈裂基本理論，以基坑突涌現(xiàn)象為研究背景，建立基底劈裂過(guò)程中的滲流-應(yīng)力耦合模型，試圖模擬隨開挖面推進(jìn)，基底土體的應(yīng)力變形以及孔隙水壓力場(chǎng)的發(fā)展變化過(guò)程，從而判斷基坑突涌與否，為類似基坑工程施工過(guò)程中是否需要采取緊急防突措施提供參考依據(jù)。

1 水力劈裂耦合分析模型

水力劈裂耦合分析模型包括孔隙水運(yùn)動(dòng)與土體變形耦合模型以及土體水力劈裂模型。

1.1 滲流-應(yīng)力耦合模型

1.1.1 滲流與應(yīng)力場(chǎng)耦合控制方程

有效應(yīng)力分析判斷方法符合土體水力劈裂破壞的力學(xué)機(jī)理。黃文熙[13]指出：“心墻中任何一點(diǎn)處的孔隙水壓力如果使該點(diǎn)處的最小主應(yīng)力的有效值降低至心墻土料的抗拉強(qiáng)度，心墻就會(huì)沿著這個(gè)最小主應(yīng)力面產(chǎn)生水力劈裂”。在此基礎(chǔ)上，孫亞平[19]利用自制的水力劈裂裝置，對(duì)擊實(shí)粘土厚壁圓筒試件進(jìn)行了系列試驗(yàn)，證明了土體中的有效小主應(yīng)力達(dá)到其抗拉強(qiáng)度是水力劈裂發(fā)生的必要條件。目前，這一結(jié)論已經(jīng)得到公認(rèn)[20]。牛富俊等[21]應(yīng)用自行設(shè)計(jì)的基坑突涌失穩(wěn)裝置進(jìn)行試驗(yàn)，認(rèn)為基坑突涌是隔水層在下伏承壓水作用下發(fā)生的拉伸破壞。

2 算 例

計(jì)算模擬隨開挖面的推進(jìn)，基底隔水層土體在開挖卸載及其下伏承壓含水層水壓力作用下的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，分析基坑突涌穩(wěn)定性。

2.1 算例描述

圖1為基坑平面、剖面圖，地下承壓含水層層厚為20 m，埋深為25 m。潛水位與地面平齊。承壓水的初始水位在地面以下10 m處。承壓含水層及上覆隔水層物理性質(zhì)指標(biāo)取值見表1。

基坑分4個(gè)步驟完成開挖，各步開挖深度均為5 m ，各步開挖時(shí)間及開挖后間歇期均為5 d。

基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用內(nèi)撐式地下連續(xù)墻，墻深25 m，沿深度方向設(shè)4道鋼筋混凝土支撐，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，支撐中心距地表依次為1、6、11和16 m。

2.2 計(jì)算方案

應(yīng)用有限元程序PLAXIS[22]建立平面應(yīng)變模型，如圖2所示。

模型的左上角為坐標(biāo)原點(diǎn)。地下連續(xù)墻采用梁?jiǎn)卧估瓌偠菶A=3.0×107 kN/m，抗彎剛度EI=2.5×106 kN·m；支撐采用桿單元，剛度E=3.5×106 kN。計(jì)算域左邊和右邊為水平向位移約束；底邊為豎直、水平向位移約束；上邊及開挖過(guò)程中基底面為自由邊界。

基坑土層的潛水位與地面平齊，計(jì)算中，將水位改變到相應(yīng)的開挖面標(biāo)高，模擬潛水層土體的疏干。開挖過(guò)程中基底面的孔隙水壓力為0，為已知水頭邊界。除基底面外，其余均為為不透水邊界。

首先計(jì)算土體初始狀態(tài)，即原始應(yīng)力場(chǎng)和孔隙水壓力場(chǎng)。然后用分步卸載來(lái)近似模擬開挖面的推進(jìn)。

2.3 計(jì)算結(jié)果及分析

圖3～5為3個(gè)代表性開挖面位置的基坑周圍的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)和壓力水頭場(chǎng)，其中位移向下為正。

由圖3～5總體來(lái)看：開挖過(guò)程中基底表面隆起，基底低滲透性粉質(zhì)粘土相對(duì)隔水層內(nèi)周邊的水平向水力梯度較大，隔水層內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)變化較大，粉砂夾砂質(zhì)粉土承壓含水層與上覆隔水層接觸面上應(yīng)力分布很不均勻。

由圖3（a）、4（a）、5（a）可見：隨著開挖面的下移，基底下伏承壓含水層內(nèi)水壓力逐漸變?。桓羲畬觾?nèi)水壓力梯度逐漸變大，在隔水層內(nèi)周邊存在較大的水平向水力梯度。紀(jì)佑軍等[23]采用應(yīng)力場(chǎng)和滲流場(chǎng)耦合模型，通過(guò)有限元法模擬了基坑開挖過(guò)程，計(jì)算結(jié)果同樣表明在基坑角落處水力梯度較大。

由圖3（b）、4（b）、5（b）來(lái)看：在逐步開挖卸荷和下伏承壓含水層高水壓力作用下，隔水層表面隆起變形量逐漸變大，從中部向周邊則逐漸變小。這一變化趨勢(shì)與李鏡培等[24]采用離心模型試驗(yàn)技術(shù)以及有限元數(shù)值模擬結(jié)果相同。但是，當(dāng)開挖達(dá)到基坑設(shè)計(jì)深度后（圖5（b）），隔水層表面中部隆起變形量反而減小，承壓含水層發(fā)生了沉降。

由圖3（c）、4（c）、5（c）可以看出：在逐步開挖卸荷條件下，隔水層內(nèi)上部中間、下部左右兩側(cè)水平向的壓應(yīng)力逐漸變?。怀袎汉畬优c隔水層接觸面上應(yīng)力分布很不均勻。當(dāng)開挖達(dá)到基坑設(shè)計(jì)深度后（圖5（c）），隔水層內(nèi)以上3個(gè)部位的水平向土壓力進(jìn)一步減??；隔水層與下伏含水層接觸面附近區(qū)域從中間向兩邊水平向有效應(yīng)力逐漸減小，靠近邊緣處有效應(yīng)力為0，相反，隔水層上部從兩測(cè)向中間水平向有效應(yīng)力逐漸變小，中間有效應(yīng)力為0。孫玉永等[11]研究結(jié)果表明承壓含水層與隔水層的界面處體積應(yīng)變較大，形成有效應(yīng)力為0的區(qū)域，并認(rèn)為產(chǎn)生了水壓楔劈效應(yīng)。

由圖3～5中，孔隙水壓力、小主應(yīng)力以及基坑底面隆起三者變化總體趨勢(shì)來(lái)看，開挖達(dá)到基坑設(shè)計(jì)深度后，基底發(fā)生了突涌現(xiàn)象。

抗拉強(qiáng)度有阻礙土體裂縫發(fā)生的作用，但其值一般很小，影響不大，當(dāng)有效應(yīng)力為0時(shí)土體就開裂了。從土體的特性看，如果發(fā)生裂縫，必定存在拉裂破壞或剪切破壞。從數(shù)值計(jì)算分析的結(jié)果看，基底隔水層與其下伏含水層接觸面邊緣、隔水層上部中間等部位有效應(yīng)力為0。因此，水力劈裂始于土體的張拉破壞。

但是，土體中的有效小主應(yīng)力達(dá)到其抗拉強(qiáng)度只是水力劈裂發(fā)生的必要條件，水力劈裂是在水壓力作用下土體裂縫的發(fā)生、發(fā)展、貫通的過(guò)程。裂縫的擴(kuò)展，應(yīng)該有作用于裂縫表面的擴(kuò)張力。根據(jù)水力劈裂的定義，此擴(kuò)張力只有水壓力，也就是說(shuō)裂縫的擴(kuò)展是初始張拉裂縫水壓楔劈效應(yīng)的結(jié)果。而對(duì)基底隔水層初始張拉裂縫產(chǎn)生水壓楔劈效應(yīng)的水壓力只能是其下伏承壓含水層的水壓力。因此，只有隔水層內(nèi)下部左右兩側(cè)的初始張拉裂縫在承壓含水層水壓楔劈作用下會(huì)逐漸發(fā)展，最終貫通，從而形成突涌通道。所以，在下伏承壓水作用下基坑突涌始于基底隔水層所發(fā)生的張拉破壞，承壓含水層水壓力是初始張拉裂縫發(fā)展成為貫穿裂縫的動(dòng)力，基底周邊是發(fā)生突涌的危險(xiǎn)位置。

初始張拉裂縫其實(shí)就是滲透弱面[20]。承壓水基坑施工（豎向卸載）過(guò)程中，在下伏承壓含水層水壓力作用下，基底隔水層土體應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)發(fā)生了變化，存在有效應(yīng)力為0的區(qū)域，產(chǎn)生了初始張拉裂縫，形成了滲透弱面，導(dǎo)致滲透性發(fā)生了改變，為水壓楔劈效應(yīng)提供了必要條件，提高了基坑突涌的可能性。所以，承壓含水層高水壓力的存在是開挖過(guò)程中基坑突涌的前提條件。

滲透弱面的楔劈效應(yīng)，也就是初始張拉裂縫的進(jìn)一步的發(fā)展、貫通，最終造成土體水力劈裂的過(guò)程。這一過(guò)程取決于水力梯度，即初始張拉裂縫面上存在較大的水壓力——擴(kuò)張力。由基坑開挖過(guò)程模擬結(jié)果來(lái)看，隨著開挖的進(jìn)展，工作面的下移，基底隔水層中的水力梯度逐漸變大，隔水層內(nèi)周邊存在較大的水平向水力梯度，當(dāng)水力梯度達(dá)到臨界值，即突涌臨界水力梯度，基坑突涌。因此，滲透弱面的楔劈效應(yīng)導(dǎo)致的水力劈裂為突涌提供了通道，基底周邊的突涌破壞是由隔水層發(fā)生的水力劈裂所引起的，高水力梯度的產(chǎn)生是基坑突涌的根本原因，突涌臨界水力梯度是判斷基坑發(fā)生突涌的重要特征參數(shù)。

3 結(jié) 論

承壓水基坑的突涌是影響深基坑工程安全的最重要因素，也是深基坑工程中亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。本文嘗試引入滲流-應(yīng)力耦合模型及水力劈裂概念研究承壓水基坑的突涌問(wèn)題，得出如下結(jié)論：

1）承壓水基坑突涌現(xiàn)象始于基底隔水層所發(fā)生的張拉破壞，基底周邊是發(fā)生突涌的危險(xiǎn)位置。

2）滲透弱面（初始張拉裂縫）的產(chǎn)生導(dǎo)致隔水層的滲透性發(fā)生了改變，提高了基坑突涌的可能性；滲透弱面的水壓楔劈效應(yīng)所導(dǎo)致的水力劈裂為基坑突涌提供了通道。

3）高水壓力的存在是基坑突涌的前提條件，高水力梯度的產(chǎn)生是基坑突涌的根源。

基坑突涌是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，采用水力劈裂的概念對(duì)其進(jìn)行研究是一種嘗試，從物理本質(zhì)上講本文的研究方法是正確的、研究思路是可行的，對(duì)類似地下工程突水問(wèn)題具有一定借鑒意義，但對(duì)其機(jī)理的探索還需要在試驗(yàn)研究方面做一些工作。

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（編輯 王秀玲）