基于离心模型试验的基坑突涌模式及机制研究_孙玉永

第29卷 第12期

岩石力学与工程学报 V ol.29 No.12

2010年12月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Dec . ，2010

基于离心模型试验的基坑突涌模式及机制研究

孙玉永1，周顺华2

(1. 铜陵学院 土木建筑系，安徽 铜陵 244000；2. 同济大学 道路与交通工程教育部重点实验室，上海 201804)

摘要：在软土地区，由承压水诱发的突涌是影响深基坑工程安全和稳定性的最重要因素，也是设计和施工亟待解决的关键技术问题。借助土工离心模型试验，就不同隔水土层、不同坑内桩基类型及平面布置对基坑突涌稳定及破坏模式的影响进行系统的试验研究。试验结果表明：软土地区承压水基坑突涌模式主要有3种：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，与实际工程案例比较吻合。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。

关键词：桩基工程；基坑；离心模型试验；突涌；模式；机制

中图分类号：TU 473 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2010)12–2551–07

MODE AND MECHANISM OF BURSTING IN FOUNDATION PIT BASED

ON CENTRIFUGAL MODEL TEST

SUN Yuyong1，ZHOU Shunhua2

(1. Department of Civil and Architecture Engineering，Tongling University，Tongling ，Anhui 244000，China ；2. Key Laboratory

of Road and Traffic Engineering of Ministry of Education，Tongji University，Shanghai 201804，China )

Abstract ：In the soft soil areas，bursting induced by confined water is the most important factor which affects the safety and stability of deep foundation pit，and is the key technological problem of design and construction which is urgently solved. The influence of different impermeable layer types，pile types and the layouts of piles on the bursting stability and failure modes of foundation pit are studied systematically by centrifugal model test. The test results show that the failure modes of foundation pits bursting in soft soil areas can be mainly divided into three kinds ，i.e. water and sand inrushing in contact surface between soil and underground structures，overall heaving failure and sand boiling on impermeable layer surface. Based on theoretical analysis，the internal mechanisms of bursting in foundation pits are cleared respectively that the contact surface between impermeable-layer and underground structures occurs hydraulic fracturing，contact surface or nearby occurs shear failure and impermeable layer occurs complex tensile-shear failure and shear failure.

Key words：pile foundations；foundation pit；centrifugal model test；bursting ；mode ；mechanism

1 引 言

基坑突涌是随着开挖深度的增加而逐渐为工程

收稿日期：2010–04–23；修回日期：2010–07–09 基金项目：安徽省高校省级自然科学项目(KJ2010B232)

界和学术界所认知的，且一旦发生容易造成基坑工程的破坏性事故，因此该问题一出现就引起普遍关注。当然，引起基坑突涌的原因是多方面的，包括承压水地勘不详或有误[1]、超挖[2]、场地内空洞处理

作者简介：孙玉永(1980–) ，男，博士，2003年毕业于郑州大学水利水电工程专业，现任讲师，主要从事基坑及盾构隧道方面的教学与研究工作。E-mail ：[email protected]

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不当[3

，4]

以及扰动深入承压水的监测或降水管[5]等。

另外，基坑发生突涌的形式也是多种多样的[6]，有的是坑底顶裂，有的是坑底发生流砂，有的发生类似“沸腾”的喷水现象。但对于某一特定基坑在承压水作用下发生何种形式的突涌，突涌的内在机制研究，无论是学术界还是工程界都是亟待解决的关键问题。

目前，关于承压水基坑突涌破坏形态和机制方面的研究还比较少，且主要是基于小尺寸模型试验来展开的。K. Terzaghi[7]

通过模型试验研究认为，基坑工程的渗透破坏模式分为坑底土表面砂沸破坏和土体整体顶升破坏。A. Marsland[8]

在K. Terzaghi[7]

研究的基础上，通过模型试验揭示了砂土地基中土体渗透破坏现象，并将破坏模型分为砂沸、整体顶升破坏与楔形体顶升破坏。牛富俊等[9]利用自行设计的软土基坑变形失稳试验装置，得到基坑突涌的特征：坑底中心首先出现“砂眼”，随之在大范围产生“砂沸”现象，且认为突涌机制是隔水层在下部承压水作用下发生拉伸破坏。胡展飞等[10]通过试验得到的基坑突水特征为：先出现密集小气泡，约10 min后逐渐变大并伴随浑浊泥水冒出土面，到15 min时喷出浓浓泥水。但上述基坑突涌模式的提出是在总结有限的实际工程或室内小尺寸模型试验得到的，不能涵盖所有情况，另外针对基坑突涌机制的认识也还不深入。

为了探索软土地区承压水基坑突涌模式和机制，采用改进的L –30型离心试验机，进行了不同隔水层(上海地区的④层淤泥质黏土层和⑥层暗绿色粉质黏土层) 、不同坑内桩基类型(钻孔灌注桩和预制桩) 和平面布置等情况下基坑的突涌破坏试验。在此基础上，结合基坑突涌的实际情况，归纳总结出基坑突涌破坏模式，并结合离心试验和理论分析，揭示了各突涌模式的内在作用机制。

2 离心模型试验设计

2.1 试验装置

(1) 离心试验机

试验在同济大学L –30型离心试验机上完成，该机最大装机容量为20 g·t ，模型箱有效内部尺寸为41.5 cm×22.8 cm×35.5 cm(长×宽×高) 。

(2) 水位控制装置

为了能在离心机高速运转下控制承压水头，研

制了水位控制装置，如图1所示。水位控制箱是将模型试验箱用有机玻璃隔出宽度为5 cm的空间，模拟水箱与模型箱在底部5 cm内相互连通情况。

试验中

图1 水位控制装置 Fig.1 Water level control device

2.2 模型率选取

根据试验目的、模型箱的实际尺寸，并结合离心机的工作条件，选取的模型率为100，即试验中离心机的加速度为100g 。 2.3 模型土制备

试验中土层主要包括上海地区的⑤2层微承压含水层及其上部的④层灰色淤泥质黏土相对隔水层和⑦2层承压含水层及其上部的⑥层暗绿色粉质黏土相对隔水层，各土层的物理力学指标见表1。

表1 各土层的物理力学指标

Table 1 Physico-mechanical indices of soil layers

固结快剪

土层

容重

含水量孔隙比 编号γ /(kN·m －

3)

w /%

e

黏聚力 内摩擦角

c /kPa

ϕ /(°) ④ 17.5 44.8 1.458 14 11.0 ⑤2 18.1 32.4 0.938 4 29.0 ⑥ 19.6 24.3 0.700 42 20.0 ⑦2 18.9 26.7 0.765 0

32.5

综合考虑模型箱尺寸、离心试验的边界效应、基坑发生突涌的可能最高水头等，并在调研国内大量基坑突涌案例基础上，最终确定各土层的厚度为：承压含水层为7 cm，上部相对隔水层为5 cm，与实际厚度(分别为7和5 m)相对应。

根据各土层的特性，土样制备采用2种方法：

第29卷 第12期 孙玉永，等. 基于离心模型试验的基坑突涌模式及机制研究 • 2553 •

(1) 先将④层土土样制成含水量在80%～120%的土膏，然后在离心机内由下至上进行分层固结，主要控制指标为含水量w 、容重γ、黏聚力c 和内摩擦角ϕ；(2) ⑤2，⑥，⑦2层土，由于含水量较低、强度较高，本次试验中这3层土的制备流程为：烘干→粉土机粉碎→过1 mm孔径的试验筛→测定含水量→按现场土含水量配备土膏→按现场土密度分层夯实形成土样。

根据胡展飞等[10]的研究，基坑突水模型试验中土体与模拟箱壁接触处易发生突水，为此本试验中采用了以下措施：(1) 用砂纸或钢刷将有机玻璃水箱和模型箱壁打毛，以增加接触面强度；(2) 待铺设完承压含水层后，在顶部靠近箱壁四周涂防水硅胶以减少接触面的渗透性，同时试验中还尽量减少模型箱搬运对土样的扰动程度。 2.4 承压水头控制

试验过程中承压水头采用分级施加，各级承压水头高度分别为7，10，11，12，13，14 cm，" ，直至破坏，分别与现场水头高度相一致。另外试验中为了保证隔水层能够变形稳定，每级承压水头施加后稳定3 min。离心模型试验的相似原理：

t 2 p =t m N (1)

式中：t p 为试验对应的现实时间，t m 为离心模型对应的时间，N 为模型率。

由式(1)计算可知，试验对应的现实时间t p = 21 d。 2.5 桩的模拟

目前，按施工方法的不同，桩主要可以分为预制桩和灌注桩2类，且材料以钢筋混凝土为主。本试验中桩的模拟按以下方法进行：

(1) 预制桩直接用预制的水泥砂浆棒来模拟，且待桩打入后不进行再固结处理，以模拟实际情况。

(2) 灌注桩在试验中通过现场浇注水泥砂浆桩的方式来模拟。试验过程如下：利用圆管打入固结土中并把相应土层取出，为了模拟灌注桩的粗糙度，利用铁丝把孔壁凿毛，然后贯入水泥砂浆形成灌注桩。试验中模拟桩基的情况见图2，与现场较接近。

模型桩的直径为8.5 mm，深入承压含水层长度为2 cm(由于模型箱尺寸的限制，桩基未穿透承压含水层) ，即桩长度为7 cm，水平间距分别考虑3，6和10 cm，与现场桩间距相一致，模型试验中桩的平面布置图如图3所示。

(a) 预制桩 (b) 灌注桩

图2 试验中模拟的桩基 Fig.2 Simulated pile foundations in test

(a) 桩间距为

3 m

(b) 桩间距为

6 m

(c) 桩间距为10 m 图3 模型试验中桩的平面布置图 Fig.3 Layout of piles in model test

3 试验结果及分析

共进行了26组离心模型试验，根据试验观察到 的基坑突涌形式，并结合大量现场实践，通过归纳总结得到承压水基坑发生突涌的模式主要有3种：

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隔水层表面砂沸、隔水层整体顶升和接触面涌水涌砂，各试验情况及试验结果统计见表2。

表2 试验资料统计表 Table 2 Statistics of test data

试验土层 隔水层厚度

破坏水头 状态

试验编号 序号

/cm

/cm

破坏模式

WZ –1 ⑥ 4.78 10.5 槽角涌砂 WZ –2 ⑥ 4.82 12.5 表面砂沸 WZ –3 ⑥ 4.83 11.1 槽壁涌砂 WZ –4 ⑥ 4.71 11.8 表面砂沸 WZ –5 ⑥ 4.74 12.1 整体顶升 无

WZ –6

⑥ 5.56 14.2 表面砂沸 桩 WZ –7

⑥ 5.88 14.9 表面砂沸 WZ –8 ④ 4.79 10.2 整体顶升 WZ –9 ④ 4.95 11.4 表面砂沸 WZ –10 ④ 5.75 11.2 整体顶升 WZ –11 ④ 5.37 9.9 槽壁涌砂 WZ –12 ④ 4.95 10.2 槽角涌砂 GZ6–1 ⑥ 4.78 13.2 表面砂沸 GZ6–2 ⑥ 4.56 8.4 槽壁及桩周涌水GZ6–3 ⑥ 4.50 13.4 槽角涌砂 GZ6–4 ⑥ 4.54 12.5 槽角涌砂 GZ6–5 ④ 5.00 12.5 整体顶升破坏 GZ10–1 ⑥ 4.80 12.4 表面砂沸 有GZ3–1 ⑥ 5.14 14.3 槽壁涌砂 桩

YZ6–1 ⑥ 4.86 12.5 桩周涌水 YZ6–2 ⑥ 4.69 9.7 桩周涌砂 YZ6–3 ④ 5.00 10.2 桩周涌砂破坏 YZ10–1 ⑥ 5.05 13.3 槽壁、桩周涌水YZ10–2 ④ 4.98 11.2 桩周及槽壁涌砂YZ3–1 ④ 5.47 12.5 整体顶升破坏 YZ3–2

⑥ 4.89 12.3 桩周及表面涌水

注：GZ6–1代表桩型为灌注桩，间距为6 cm的第一组试验；YZ 代表桩型为预制桩。

3.1 接触面涌水、涌砂破坏

试验结果发现，共有14组试验发生接触面涌水涌砂破坏，约占总试验数的54%(这与试验中槽壁为较为光滑的铝合金，且槽壁处土体不易夯实等有一定关系，实际基坑工程出现该种突涌破坏的概率会降低) ，破坏形式如图4，5所示。其破坏过程为：先在槽壁或桩基与土接触面出现密集的小气泡，紧接着下层砂土就像喷泉一样喷涌出来，并在坑底土表面形成“小砂堆”，同时水箱内的水位急剧下降，该破坏往往发生在基坑的局部地区，若能及时采取有效应对措施，则可大大降低对基坑自身及周围环境的影响。

(a) 槽壁中间

(b) 槽壁角落

图4 墙土接触面发生涌砂破坏

Fig.4 Sand inrushing on contact surface between wall and soil

图5 桩土接触面发生涌砂破坏

Fig.5 Sand inrushing on contact surface between pile and soil

在大量实际基坑工程中，该种破坏模式出现概率也是较高的，如漳州中银大厦基坑工程[11]、南京地铁一区间基坑工程[5]、上海一深基坑工程[12]，且发生该种突涌破坏的水头往往较低(见表2) 。因此，在基坑突涌稳定验算中应首先保证不发生接触面涌水、涌砂破坏。

3.2 隔水层整体顶升破坏

共有5组试验出现整体顶升破坏，其破坏形式如图6所示。当承压水头增加至一定高度时，坑内土体及桩基发生相对围护结构的较大隆起变形，同时围护结构的侧向变形和“踢脚”明显增加，若处理不当，该模式将转化为基坑的整体失稳，造成巨大的经济损失和人员伤亡。

上海一地铁车站在开挖至距坑底1.8 m时，地下连续墙的最大日变形量达到近17 mm，附近房屋的沉降日增加量达12 mm，累计量近70 mm，房屋出现开裂，坑底立柱桩上浮达133 mm[1]，其突涌模

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图6 隔水层整体顶升破坏

Fig.6 Overall heaving failure of impermeable layer

式就是典型的整体顶升破坏。 3.3 表面砂沸破坏

共有7组试验发生表面砂沸破坏，其破坏形式如图7所示。坑底隔水层表面局部出现一条或多条裂缝，承压水带动下方的砂土颗粒从裂缝中喷涌出来，同时模拟水箱内的水位迅速下降。由于该过程发生几乎是瞬时的，在实际工程中很难采取有效应对措施，容易造成基坑工程的破坏性事故。

图7 坑底隔水层表面发生砂沸破坏

Fig.7 Sand boiling on impermeable layer surface at the

bottom of foundation pit

在现场实践中，张兴辽等[13]给出的基坑突涌破坏模式即为表面砂沸破坏，该事故造成周边楼房形成数10条贯穿1～4楼的裂缝，裂缝宽约30 cm，水管断裂，周边道路发生断裂变形，并出现数个直径2～3 m深达数米的沉陷坑，足见该种破坏的危害性。

4 基坑突涌破坏机制分析

基坑突涌是隔水层在下部承压水作用下发生变形、屈服进而破坏的过程，要揭示突涌机制，需从隔水层受力状态改变的角度进行研究，而离心试验很难测得土体应力的变化，因此下文将利用理论分析的方法，提示不同突涌模式的机制。

4.1 接触面涌水涌砂破坏

由基坑发生接触面涌水涌砂破坏的表现特征，并结合现有岩土工程理论，可知该种破坏是由于承压水头的抬高或上覆土压力降低而引起土与地下结构接触面裂缝的发生与扩展过程，即接触面发生水力劈裂。土体发生水力劈裂必须具备2个条件：物质条件和受力条件[14]，现分述如下：

(1) 接触面的裂缝或缺陷

对于离心试验而言，该情况是不可避免的：(1) 当采用分层夯实成样时，模型箱四周的土样很难夯实，从而形成渗水弱面。(2) 当采用分层固结成样时，离心机高速旋转所引起模型箱温度的升高会在土层与模型壁之间形成裂缝或缺陷等渗水弱面。(3) 灌注桩可能存在缺陷，如图8所示。(4) 较光滑的预制桩与隔水层之间也可能形成渗水弱面。(5) 试验中隔水层底部靠近槽壁处土体将经历如图9所示的应力路径，即由于承压水压力的作用而使竖向大主应力σ1逐渐增大，但水平向小主应力σ3则逐渐减小，甚至出现拉应力，当承压水头施加至某值时，土体即可能破坏而产生裂缝。综上所述，在离心模型试验中，隔水土层与模型箱壁和桩基接触面可能会存在裂缝或缺陷等渗水弱面。

图8 试验中灌注桩的缺陷 Fig.8 Defect of cast-in-situ piles in test

图9 隔水层底靠近槽壁土体的应力路径

Fig.9 Stress path of soil at the bottom of impermeable layer

near cell wall

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对于实际基坑工程，在地下连续墙和灌注桩施工过程中，可能由于槽壁坍塌或失稳而在附近土体内形成微裂缝等渗水弱面；钢筋笼制作不精良而在墙(桩) 身出现蜂窝、麻面、漏筋等渗水通道；地下墙接头刷壁效果差、锁口管倾斜或固定不稳等原因而在接缝处出现夹泥夹砂等渗水弱面[15]。在基坑开挖过程中，由于围护结构的侧向挤压作用，四周的该种渗水弱面往往是可以消除的，但在基坑的角落和坑内桩基处则仍可能存在。另外，基坑角落处相对隔水层底部土体可能经历如图10所示的应力路径，即竖向大主应力σ1随着开挖的进行而降低，水平向小主应力σ3由于隔水层的隆起也随着发生较大的降低，待基坑开挖至某深度时，土体即发生破坏并产生裂缝。

图10 基坑角落处相对隔水层底部土体的应力路径 Fig.10 Stress path of soils at the bottom of impermeable layer near foundation pit corners

(2) 低渗透性

上海地区④层土的渗透系数在3×10−7cm/s左右，⑥层土的渗透系数则更小，另外基坑开挖施工的周期往往较短，因此，可以认为在基坑开挖过程中难以形成渗流，这也使得在墙(桩) –土间的渗透弱面处易形成“水压楔劈”作用。

(3)“水压楔劈”作用

由于隔水层与接触面裂缝或缺陷的渗透性差异较大，在下部承压水作用下，就会在该渗水弱面产生“水压楔劈”作用。在离心试验初期或基坑开挖深度较浅时，由于该作用力较小或裂缝尖点处土体的抗裂能力较大，裂缝不会继续扩展。随着承压水头的不断升高或基坑开挖深度的不断增加，以及水体对裂缝尖点处土体的软化作用，该平衡状态即会被打破，裂缝进一步向上发展，最终形成贯穿隔水层的裂缝，产生大量的涌水涌砂。 4.2 整体顶升破坏

整体顶升破坏表现为隔水层连同坑内桩基相对围护结构发生较大的整体隆起变形，围护结构发生

较大的侧向变形和“踢脚”位移，且其受力特征与室内直剪试验比较类似，即其破坏也是由于隔水层与围护结构间发生剪切破坏所致。但由于隔水层是具有一定厚度和宽度(从几米到十几米，甚至几十米不等) 的“试样”，其内部的应力和应变并非常量，且在向上承压水作用下会更加复杂，这就使得整体顶升破坏的剪破面未必仅仅发生在接触面上，也可能发生在靠近接触面一定范围内的土体中，且破裂面不一定是铅直面，下一步将针对该内容开展研究。 4.3 表面砂沸破坏

结合孙玉永[12]对土体在低应力水平下土体的屈服破坏准则的研究成果以及表面砂沸破坏的表现特征可知，其破坏机制为：当h ＜h cr 时，坑底隔水

层在向上静压力γw H w −γh 作用下会产生一定的隆起变形，但受到四周围护结构的约束作用，其隆起变形表现为中间大四周小，此时坑底表层土体在水平向会出现拉应力，也即其破坏应属于拉剪破坏，随着承压水头或基坑开挖深度的增加，当土体内的应力水平满足拉剪破坏包络线时，表层土体就会发生拉剪破坏而产生裂缝。这会进一步减少坑底隔水

层的有效厚度、刚度和抗剪能力而产生更大的隆起变形，进而使表层拉剪破坏范围进一步向深度方向发展，最终导致承压水冲破隔水层薄弱面而发生表面砂沸破坏，也即基坑发生表面砂沸破坏是隔水层在下部承压水压力作用下发生复合的拉剪和剪切破坏的结果。

5 结 论

通过进行不同隔水层、不同桩基类型及平面布置的26组承压水基坑突涌破坏离心模型试验，归纳总结了基坑突涌的3种模式，并在此基础上揭示了突涌发生的内在作用机制。所得主要结论如下：

(1) 在离心模型试验中，通过在固结土样中打

孔取土、凿毛、灌注水泥砂浆的方法，能较真实地反映钻孔灌注桩的实际情况，说明该方法是切实可行的。

(2) 软土地区承压水基坑突涌模式主要有3种，

即接触面涌水涌砂破坏、隔水层整体顶升破坏和隔水层表面砂沸破坏。

(3) 通过分析，揭示了基坑突涌的内在作用机

制，即接触面涌水涌砂破坏为隔水层土体与地下结构接触面发生水力劈裂；整体顶升破坏为地下结构

第29卷 第12期 孙玉永，等. 基于离心模型试验的基坑突涌模式及机制研究 • 2557 •

与土体接触面或附近发生剪切破坏；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和剪切破坏。

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