強降雨條件下軟土地區基坑安全性分析

馮國鵬 徐澤楠 蔣玉龍

摘要：在強降雨條件下，軟土地區基坑的安全性面臨一系列挑戰。降雨會導致土壤飽和和孔隙水壓力增加，進而引發基坑邊坡失穩、土體塌陷、支護結構破壞等災變。以某基坑為例，借助有限元模擬軟件，分析強降雨對軟土地區基坑安全的影響。研究結果表明：降雨前后直樁和斜樁的樁體水平位移基本沒有發生變化，深度增加能降低雨水對基坑支護體系的影響。在實際軟土地區施工中，碰到雨季應優先采用斜直交替支護的方式進行支護。對于局部深挖地區的變形在降雨前后應格外關注，并采取相應急救和布防措施。

關鍵詞：強降雨條件；軟土地區；基坑；安全性分析

0? ?引言

強降雨條件下軟土地區基坑安全性是現代建筑工程中的一個重要問題[1]。隨著城市建設的不斷擴張和人們對基礎設施的需求增加，越來越多的建筑工程需要在軟土地區進行[2-3]。然而，軟土地區在強降雨條件下存在著一系列的安全隱患，可能導致基坑的不穩定和發生災害事故。軟土是一種力學性質較差、含水量較高、排水能力較弱的土壤。在強降雨情況下，大量的雨水會滲透進軟土中，增加土體的飽和度，導致土體的穩定性下降[4-6]。軟土地區基坑在雨水的侵蝕下，可能出現坡體滑動、土壤液化、基坑塌陷等問題，給施工和周邊環境帶來嚴重的安全風險。

軟土地區基坑安全性分析旨在評估基坑在強降雨條件下的穩定性，并采取相應的安全措施，確保施工和使用階段的安全[7]。安全性分析的關鍵是確定軟土地區的地質特征、雨水入滲情況、土體力學性質等，進而建立合理的數學模型和計算方法，預測基坑的變形和穩定性[8]。

本文以某基坑為例，借助有限元模擬軟件，分析強降雨對軟土地區基坑安全的影響，論述基坑的多因素對降雨的敏感性，并提出多種管控措施，為強降雨條件下軟土地區基坑安全性處理提供一定的參考依據。

1? ?工程概況

某基坑處于某地的軟土地區，共4層土質，第一層為素填土，第二層為淤泥質粉質黏土，第三層土為粉質黏土，第四層為淤泥質粉質黏土，土層的各參數信息見表1。

基坑占地面積為8萬m2，周長為1952.3m，開挖深度機支護方式為：4.8m的采用斜直交替支護樁和拉森鋼板抗滑樁兩種處理方法；6.7m的采用斜直交替支護樁+放坡處理，支護樁的詳細信息見表2。

根據現場的資料可知，基坑因突發狀況施工到基地后在雨季停工。在這段時間大部分區域的變形屬于可控范圍之內，但放坡區和反壓土區出現的局部垮塌和大變形，變形的最大值1135mm。

2? ?降雨對基坑災變的影響

強降雨對基坑不同區域的影響程度不同，基坑可劃分為主動區、被動區以及主動和被動的綜合影響區。主動區浸灌時，如果注入的液體過多或過快，會導致土體失去支撐力，發生坍塌現象。這可能導致基坑坍塌或周圍土體的沉陷，給工程施工和周邊環境帶來嚴重風險。被動區浸灌時，通過滲透水或液體來改善土壤，但如果注入的液體過多或滲流速度過快，可能會導致土壤顆粒的沖刷和侵蝕。這會削弱土壤的結構穩定性，增加土壤的侵蝕風險，并可能引發土壤溢流和環境污染。另外，被動區浸灌可能導致注入的液體向周邊土體擴散，改變土壤的物理性質和水分分布。如果注入液體的量過大或浸灌過程不均勻，可能引起周邊土體的不穩定，導致土體沉降、失穩或塌陷，對基坑周邊結構造成影響。

2.1? ?降雨對基坑主動土壓力區的影響

大雨引起的強降水會增加土體的飽和度，導致土體的重力和內摩擦力減小，從而使主動土的穩定性下降。主動土可能會發生崩塌，導致基坑邊坡或挖掘面的土體大規模坍塌。基坑內積水量增加，會加劇水土流失的風險。土壤的沖刷和侵蝕會導致基坑邊坡或挖掘面的土體失穩，甚至引發基坑塌陷響。此外，降雨強度過大還會導致基坑內部土體液化和基坑邊坡滑移。主動土壓力區如圖1所示。由圖1可以看出，A區產生滑動面，造成滑坡；B區發生樁間土流水，樁無法對C區支撐，造成止水帷幕的承受的壓力過大。水土流失過大會造成止水帷幕發生破壞，從而發生基坑事故。

2.2? ?降雨對基坑被動土壓力區的影響

大雨引起的降水會增加土壤的飽和度，導致土壤的重力和內摩擦力減小。在被動土壓力區，如果土壤失去足夠的側向約束力，可能會發生滑坡。破壞區域劃分如圖2所示。土體軟化會造成E區踢腳線破壞。基坑內的水土發生嚴重流失，會使土體提供的被動土壓力過小，造成超挖現象，使支護結構被破壞。

2.3? ?降雨對基坑支護體系的影響

一方面，大雨引起的強降水會增加基坑內水位，增加支護結構承受的水壓力。如果支護結構的設計、施工或材料選擇不當，可能無法承受水壓力的增加，導致支護結構的破壞，使基坑邊坡失穩或坍塌。

另一方面，大雨引起的降水會使土體的滲透性增加，進而導致土體的飽和。如果支護結構沒有良好的防水措施或滲透水的排除系統不暢通，土體飽和會增加支護結構的背后土體壓力，導致土體變松、塌陷或滑移。

綜上所述，圖2b中F區會發生局部應力集中，造成圍護結構被破壞，使G區支撐體系失穩。

3? ?數值模擬分析及管控措施

3.1? ?有限元模型

采用數值模擬分析對3種不同支護方式進行建模。土體采用小應變土體硬化模型，為減小邊界效應，保證基坑離邊界的距離大于2倍的深度。模型尺寸為70m×23m×2.8m，樁體采用C80混凝土模擬，其彈性模量為3.8×104MPa，樁長為12m和15m，厚度為100mm，直徑為50mm。

采用梁單元模擬板，尺寸為1.2m×0.6m，彈性模量為3×104MPa。土體重度為7kN/m3，折減系數為0.75，強降雨后土體飽和度為100%。

3.2? ?降雨對軟土基坑支護結構變形影響分析

3.2.1? ?降雨前后直樁和斜樁的樁體水平位移

開挖深度和支護形式對降雨前后樁身水平位移的影響如圖3所示。由圖3a和3b可知，降雨前后直樁和斜樁的樁體水平位移基本沒有發生變化。

分析其原因如下：第一，斜樁和直樁在施工時會通過樁身連接在一起，形成一個整體的支護系統。由于斜樁和直樁之間存在一定的樁身剛度和連接剛性，它們在受到水平荷載作用時會相互影響。這種相互作用使得斜樁和直樁的位移響應形態基本一致。第二，直交替支護樁的施工會對周圍土體施加一定約束力，當斜樁和直樁受到外界水平荷載時，土體會產生一定反力分布。這種分布對斜樁和直樁的位移產生影響。由于樁身布置合理，土體的反力分布在斜樁和直樁之間的變化相對較小，因此位移形態基本一致。

3.2.2? ?降雨前后樁體的水平位移

由圖3可知，4.8m的基坑在降雨前后樁體的水平最大位移由8mm增大到11mm，增幅為37.8%。6.7m的基坑在降雨前后樁體的水平最大位移由33mm到45mm，增幅為33.8%。由此說明，深度增加能降低雨水對基坑支護體系的影響。拉森鋼板樁在降雨前后的最大水平增幅為87.6%，遠大于斜直交替支護樁，因此在實際軟土地區施工中，碰到雨季應優先采用斜直交替支護的方式進行支護。

將圖3a和3b進行對比可知，兩者在降雨前后的最大水平位移增幅均在32%左右，兩者并無明顯差異。為此對于局部深挖地區的變形，在降雨前后均應格外關注，并采取好相應急救和布防措施。模擬結果表明，被動區受強降雨的影響會造成超挖現象的產生，從而誘發基坑事故的產生。由圖3a、3b和3c可知，隨著深度的增加，樁體的水平位移呈現先增加后減小的趨勢，在基坑開挖深度處達到最大，降雨后的鋼板樁與降雨前的樁體水平位移相比差異顯著。為此應重視強降雨對基坑的影響，并采取相應的措施進行防范做好降雨前后的準備、防范和排查工作，以防止局部發生破壞。

3.3? 降雨管控措施

在降雨前設置擋水臺，以防止雨水倒灌基坑。在基坑外表面采用混凝土掛網噴漿護坡，并設置抗滑樁，以防止強降雨期間造成滑坡。

在存在雨水侵灌基坑的風險時，可以采用可拆卸擋水臺，及時抽調擋板，使雨水有序流入基坑。相比無序流入，其可以很大程度降低大雨帶來的損失。在降雨結束后，若蓄水高度超過2m，應對基坑的各個點位進行風險排查，以防止局部遭受破壞。

4? ?結束語

本文以某基坑為例，借助有限元模擬軟件，闡述強降雨對軟土地區基坑安全的影響，分析基坑的多因素對降雨的敏感性，并提出多種管控措施，為強降雨條件下軟土地區基坑安全性處理提供一定的參考依據，具體結論如下：由于斜樁的剛架效應的存在，導致降雨前后直樁和斜樁的樁體水平位移基本沒有發生變化。深度增加能降低雨水對基坑支護體系的影響，拉森鋼板樁在降雨前后的最大水平增幅為87.6%，遠大于斜直交替支護樁。因此在實際軟土地區施工中，碰到雨季應優先采用斜直交替支護的方式進行支護。對于局部深挖地區的變形在降雨前后均應格外關注，并采取好相應的急救和布防措施。模擬結果表明，被動區受強降雨的影響，會產生超挖現象，從而誘發基坑事故。

參考文獻

[1] 徐陳洪凱，唐紅梅，唐云輝，等.強降雨作用下強風化泥巖

降雨入滲特性試驗研究[J].巖土力學，2014，35（10）：2755-

2760.

[2] 郭震山，趙建斌，趙紫陽.降雨入滲條件下抗滑樁加固邊坡

穩定性分析[J].土木工程與管理學報，2017，34（4）：47-52.

[3] 李忠超，陳仁朋，陳云敏，等.軟黏土中某內支撐式深基坑

穩定性安全系數分析[J].巖土工程學報，2015，37（5）：769-775.

[4] 李兆平，張彌.考慮降雨入滲影響的非飽和土邊坡瞬態安全

系數研究[J].土木工程學報，2001，34（5）：57-61.

[5] 王成華，萬正義，張成林.非飽和砂土坡面降雨非正交入滲

試驗與數值模擬研究[J].巖土工程學報，2015，37（8）： 1357-

1364.

[6] 王成華，萬正義.非飽和粉質黏土坡面降雨非正交入滲試驗

研究[J].巖土力學，2015，36（S1）：49-54.

[7] 李建華.降雨條件下膨脹土與土釘支護結構相互作用研究

[D].株洲：湖南工業大學， 2010.

[8] 邱海兵.降雨入滲對非飽和土基坑圍護結構穩定性影響的

研究[D].西安：西安建筑科技大學，2013.