成都某膨胀土基坑边坡失稳机理分析

     作者：李朝阳，谢  强，康景文，渠孟飞，郭永春

    （1．西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川成都610031；

    2．中建西南勘察设计研究院有限公司，四川成都610000）

    [摘要]某基坑工程位于成都东郊膨胀土区域，基坑边坡自开挖后，在降雨条件下，边坡出现了桩间土鼓出、整体变形过大等破坏现象。本文通过基坑边坡失稳现象的调查分析、现场监测和离心试验，对该膨胀土基坑边坡失稳机理进行研究，并对膨胀土基坑边坡的相关工程提出改进意见。

    [关键词]膨胀土基坑；变形；离心试验；失稳机理

    1  基坑破坏概况

    1.1  基坑工程概况

    研究的基坑工程位于成都东郊，所在区域为成都粘土（膨胀土）的分布区域‘¨。基坑地层分为三层，分别为第四系人工堆积填土层(Q。m')、冰水沉积粘土层（Q：fgl）以及白垩系关口组泥岩(K：。)。基坑边坡土体主要以弱．中等膨胀性的粘土层为主，粘土层天然含水率20%。边坡支护工程共有单排桩、双排桩以及土钉墙三种形式，本文研究对象为单排桩段基坑边坡，基坑总长50m，开挖深度6m，锚固深度5m;悬臂桩桩长llm，桩径为Im，桩间距分别为0. 8m、1.Om、1.2m、1.4m，1.6m，基坑边坡支护设计图如图1所示。该膨胀土基坑边坡于2012年920日开挖完成，在10月初连续降雨条件下，基坑坡出现桩间土鼓出、支护结构错断、边坡整体变形大等破坏现象，严重影响了基坑工程的进一步施以及周围道路的安全运行。

    1.2  基坑破坏概况及初步分析

    基坑边坡出现较大的变形破坏后，针对边坡的破坏现象，结合现场施工情况、现场监测结果以及气象资料，对基坑边坡的破坏过程进行了详细的分析。分析发现基坑边坡变形破坏主要表现在以下两个方面：

    1)支护结构较大变形及破坏

    悬臂桩桩身变形监测资料分析表明，基坑边坡自9月20日开挖完成，至9月28日，边坡变形较小，边坡土体含水率在天然含水率20 010左右。在9月29日至10月6日期间，基坑工程区域连续降雨一周，降雨沿着边坡土体裂隙持续入渗，边坡表层土体含水率达到28%左右。边坡变形出现突变且持续增加，由测斜仪桩身测试曲线（图2）可知，桩顶变形最大处位于桩顶位置，10月5日桩顶变形达到60mm。根据《建筑基坑工程监测技术规范》(GB50497-2009)中相关规定，基坑边坡变形远超监测预警值30mm。进一步分析悬臂桩的变形曲线发现，在降雨的影响下，桩身变形曲线呈直线型，基坑底部变形最大达到30mm，表明支护结构锚固抗力不足甚至锚固段失效。

    同时，基坑边坡悬臂桩通过冠梁连接协调变形，由于悬臂桩变形较大，冠梁承受较大剪力，导致冠梁多处产生宽Imm—2mm的贯通裂缝，基坑边坡始端冠梁也出现lOOmm的裂缝（图3）。

    2)基坑边坡变形破坏

    在10月初连续降雨的影响下，基坑边坡整体也出现了一系列的破坏现象（图4）。10月5日，基坑边坡后缘开始出现多条宽3mm的贯通裂缝，其后裂隙以4mm/d左右的速率持续扩张，10月12日，后缘裂隙宽达30mm，最近裂缝距基坑边坡2m，最远8m。

    由上述对该基坑边坡的变形破坏过程分析可知，膨胀土基坑边坡自开挖后，并未产生较大变形。在连续降雨的影响下，降雨沿膨胀土裂隙持续入渗，支护结构出现较大变形及破坏，且结构锚固段锚固效果不足甚至失效，最终导致基坑边坡出现较大的变形破坏。

    2  膨胀土基坑边坡失稳机理分析

    为了进一步分析基坑边坡失稳机理，本文以悬臂桩桩间距为1. Om、1.4m的膨胀土基坑边坡为原型设计了一组离心试验，模型全尺寸为600mm（长）×400mm（宽）×400mm（高），模型示意图如图5所示。开挖深度150mm，模型几何相似比C，=40。考虑材料容重相似比Cy =1，根据相似理论计算出材料物理力学参数相似比分别为：泊松比、内摩擦角相似比C。=C。=1;应力、变形、粘聚力、弹性模量相似比G。=C。=C。=C。=C，xC，=40。模型土样采用膨胀粘土，具体模型土性参数如表1所示。

    基坑边坡悬臂桩及冠梁均采用C30混凝土，弹性模量30GPa，根据相似比原理试验材料应为120GPa;由于试验材料的限制，在模型试验悬臂桩及冠梁中采用φ25的钢管，弹性模量200GPa。因此试验中得到的变形结果不能在工程中直接采用。

试验过程中，先降雨让边坡膨胀效应充分作用，然后将膨胀作用后的模型进行离心试验。这一过程分解了降雨条件下膨胀作用和降雨条件下土体强度衰减作用对边坡变形的影响。试验最终结果以及变形测试结果如图6、图7所示。

    在变形测试结果中，由于模型制作过程土样密实程度以及悬臂桩尺寸的误差等，桩顶位移结果不一，最终平均变形达到了2.5 mm，通过相似比转换为lOOmm，与现场情况类似，考虑模型采用密实的重塑粘土，试验结果稍大于现场监测结果。因此，离心试验基坑边坡模型在降雨条件下也发生了较大的整体变形。

    综合基坑边坡破坏的现场观察、监测资料及离心试验，对该膨胀土基坑边坡的失稳机理分析如下：

    1)土体膨胀效应对边坡的影响

室内离心试验变形结果（图7）表明，开挖卸荷引起的边坡变形量较小；模拟降雨过后，边坡变形增大，平均桩顶位移达到1.5 mm左右。现场测试以及模型试验测试结果表明，在降雨条件下，基坑边坡表层含水率由天然含水率20%增加到28%，且含水率变化区域达到2m左右。根据室内膨胀试验初始含水率与膨胀力的关系曲线（图8），可计算含水率变化时产生的膨胀力，这部分膨胀力将以附加荷载的形式作用于支护结构上，因此，雨水沿裂隙入渗，膨胀土体含水率增加产生附加的膨胀力，影响基坑边坡的稳定性。

    2)土体强度衰减对边圾的影啊

    进一步分析离心试验变形结果，基坑边坡出现了桩间土脱落、后缘75mm、125mm处出现两条贯通裂缝（图9）的破坏现象，通过相似比转换分别为3m、5m，结合现场基坑边坡后缘出现的2m、5m两处张拉裂缝，可反算膨胀土边坡的强度参数为9=llo,。：15kPa。然而该基坑边坡在支护设计时，结合勘察结果对边坡的强度参数进行综合取值，取值结果为9= 18。，c=30kPa。计算结果表明，在降雨条件下，基坑边坡强度参数出现了大幅度的衰减。根据经典土压力理论，基坑边坡土体强度参数降低导致主动土压力增大以及被动土压力减小；基坑边坡潜在滑动面的强度参数同时降低，引起边坡失稳。

    3)锚固段局部失效对边坡的影响

    在降雨条件下，由于场地防排水措施不足，该基坑底部土体达到饱和状态后形成隔水层，造成边坡坡脚位置积水（图10）；离心模型取样试验结果表明，坡脚土体也进入软塑状态（图11）。结合现场桩身变形曲线（图2）分析，连续降雨后基坑底部位移达到30mm，说明支护结构局部锚固段失效；锚固点下移，支护结构提供的锚固抗力不足，最终导致基坑边坡失稳。

    3关于膨胀土基坑边坡设计的建议

    综合上述膨胀土基坑边坡失稳机理的分析和对膨胀土基坑边坡设计规范的研究，发现目前膨胀土基坑边坡的勘察设计施工中存在以下需要改进的方面：

    1)目前针对膨胀土膨胀特性以及强度参数的相关试验规范中，对于膨胀土的膨胀特性和强度参数随含水率的变化规律并未提出试验要求。本文认为膨胀土含水量变化是附加膨胀力计算的依据。建议在勘察阶段，对膨胀土相关参数随含水率的变化规律进行系统的试验。

    2)现阶段研究中并无公认的膨胀力计算理论，规范中也没有膨胀荷载的相关规定，工程设计中通常采用折减土体参数进行计算，如此处理忽略了膨胀土在不同状态下强度衰减的差异，可能导致膨胀效应考虑不足的问题。建议在设计过程中，结合勘察资料，强度参数按照强度与含水率变化的关系进行取值；同时，还应考虑膨胀荷载在设计计算中的具体应用。

    3)基坑施工过程中，边坡范围的防排水措施不完善，导致基坑边坡存在泡水、积水等现象。特别是基坑底部的浸水，弱化了地基抗力，引起边坡支护锚固段不足甚至失效。建议设计时，预留地基抗力不足的安全储备，比如加深锚固段长度。在施工阶段加强坑底，特别是支护坡脚的防排水措施。

    4  结论

    1)通过基坑边坡破坏现象的调查分析、现场监测和离心试验，分析该膨胀土基坑边坡的变形失稳机理：

    ①降雨条件下，边坡土体含水率变化区域产生膨胀力，膨胀力以附加荷载的形式作用在支护结构上，影响边坡的稳定性。

    ②降雨条件下，边坡土体含水率变化区域强度降低，导致边坡失稳。

    ③降雨条件下，基坑边坡坡脚土体积水软化，导致局部锚固段失效，影响支护结构的支护效果。

    2)从勘察、设计以及施工三个方面提出了膨胀土相关参数随含水率变化的测试与取值，以及地基抗力的安全储备等改进建议，对膨胀土基坑工程具有参考价值。