付英浩1，惠 冰2，江 海2,3，段 昊2,3，王惠敏2，刘 燕2，厉 梅2
（1-山东省建设工程勘察质量监督站，山东 济南 250001：
2．山东正元建设工程有限责任公司，山东 济南250101：
3．山东大学岩土与结构工程研究中心，山东 济南 250061）
[摘要]为探讨地下管线渗漏条件下土钉支护基坑的破坏过程与土钉失效特征，基于COMSOL有限单元法建立了地下水-土体-土钉耦合物理模型。考虑地下管线渗漏条件下土钉支护基坑的不同计算时步，分析了基坑破坏过程与土钉失效特征。结合某土钉支护基坑工程，现场采用封堵地下管线渗漏水源与土体加固综合治理方法，保证了基坑的安全。
[关键词]基坑；支护；土钉；地下管线；渗漏；治理
[中图分类号]TU753 [文章编号]1002-8498（2016）01-0038 -04
0 引言
近几年由于土钉支护具有安全经济、技术可靠、施工简单等优点，被广泛应用于基坑及边坡工程中。然而面对各种各样的基坑土体和复杂的环境条件，常常因外力、变形、土性及一些偶然因素不可预见的变化影响基坑安全，造成重大人员财产损失。其中，地下管线渗漏即是经常遇到的，由于地下管线渗漏具有不可预见性、即时性、时效性等特点，严重威胁基坑的安全与稳定，有必要加以重点研究。
目前，国内外相关学者对土钉支护的理论与数值分析进行了深入研究。有限元极限分析法的发展及其在岩土工程中的应用。土钉支护结构的地震动力性能进行过现场评价；土钉墙地震稳定性及破坏机理；根据土钉、预应力锚杆和土体的联合作用机理，提出钉-锚．土联合作用模型，模拟复合土钉墙的支护锚固效应；施工过程的土钉支护坑壁水平位移计算；敏感环境下基坑数值分析中土体本构模型的选择；对各种常见基坑支护方式的受力特点，采用大型非线性有限元软件ABAQUS分别建立相应的数值分析模型，总结出了各种支护方式下基坑的变形规律；土钉支护中土钉力的计算方法；土钉支护中土钉力和位移的计算问题。
为探讨地下管线渗漏条件下土钉支护基坑的破坏过程与土钉失效特征，基于COMSOL有限单元法建立了地下水．土体-土钉耦合物理模型。考虑无地下水与地下管线渗漏条件下土钉支护基坑的不同计算时步，分析了土钉支护基坑破坏过程与土钉失效特征。为类似土钉支护基坑工程提供一定的参考与借鉴。
1 工程概况
某基坑周长约640m，为临时性工程，设计时限12个月。其中，基坑侧壁安全等级为二级。考虑场地工程与水文地质条件、基坑周边环境及基坑深度，依据基坑工程有关技术规范、规程，结合周边类似工程经验，拟对该基坑工程支护结构采用土钉支护。本工程中某一断面设计挖深约10. 3m，采用土钉墙支护，根据土单元地质构造特征，按1：0.6放坡，设置6道土钉，同时挂网喷混凝土。
2 工程与水文地质条件
场地覆盖层主要由第四系全新统~上更新统坡洪积黄土状粉质黏土、粉质黏土、黏土、碎石构成，下伏奥陶系(0)石灰岩及泥质灰岩，上覆人工填土。按照其成因和岩性自上而下描述如下：①杂填土 稍湿，松散~稍密，主要以黏性土、块石为主，含少量建筑垃圾、植物根系，局部含少量生活垃圾，厚0. 60~5.70m。①1素填土可塑，稍密，稍湿，成分主要为黏性土，含少量碎石，厚1. 00~16. 20m。②黄土状粉质黏土 可塑，无摇振反应，稍有光泽反应，干强度中等，韧性中等，具大孔结构和钙质条纹，偶见姜石，厚1. 10~6.30m。③粉质黏土 可塑~硬塑，无摇振反应，稍有光泽反应，干强度中等，韧性中等，含少量铁锰氧化物，厚0. 50~5.30m。④黏土 硬塑，局部坚硬，无摇振反应，有光泽反应，干强度高，韧性高，含少量铁锰氧化物及结核，局部含少量碎石，厚0. 30~3.lOm。⑤强风化石灰岩隐晶质结构，层状构造，岩芯表面节理发育，充填方解石结晶条纹，岩溶较发育，岩体破碎，岩体基本质量等级为V级，厚0. 50~8.30m。⑥中风化石灰岩隐晶质结构，中厚~厚层状构造，岩芯表面节理较发育，属较硬岩，岩体较破碎~较完整，岩体基本质量等级为III~ IV级，最大揭示深度33. 40m。
勘察范围内，场地未见地下水，但周边环境中地下管线相当复杂，有生活给水管、生活排污管、地下电缆、燃气管线等。然而在基坑支护施工完成后，发现地下管线中的生活给水管有渗漏现象，严重威胁基坑的安全与稳定。
3 地下水-土体-土钉耦合物理模型
3.1数学模型
地下管线渗漏条件下，地下水的渗流引起渗透力作用于土体颗粒或孔隙壁，使土体受水浸泡，含水量增大、土体软化。降低了土的黏聚力，使黏聚力c，内摩擦角
值大大减小；然而土钉对土体的锚固作用主要体现在土钉体外表面与土体截面接触黏结力和摩擦阻力。地下水的存在将直接影响土体-土钉的相互作用。反之，土体物理力学特征的变化会改变地下水的渗流路径。故研究地下水-土钉一土体的耦合模型具有重要意义。
沿土钉轴向取-微单元体，土钉单元和其邻近的土体-地下水单元形成1个耦合单元体（见图1）。
3.2计算模型
依据工程地质与水文地质条件，建立计算模型。其中几何区域为50m×25m（见图2），基坑x，y方向影响范围均取2倍基坑开挖尺寸。基坑开挖深度10. 3m，采用土钉支护，设置6道土钉。基坑侧壁安全等级为二级，放坡系数为1：0.6。土钉长度依次为9，12，12，12，9，8m。水平间距1m，垂直间距1. 5m，入射角度15 0，钻孔直径130mm，杆体材料E20。各土层自重应力为土体荷载。基坑的顶部、底部及坡面设置自由变形，其余设置固定约束。地下管线渗漏为地下水渗流质量源。
采用软件预置的特别细化网格模式。求解自由度为44 527，其中三角形单元7 107，边单元736，端点单元38。最小单元质量为0. 364 3，平均单元质量0. 962 8。最小单元尺寸为0.003 75，曲率解析度为0. 25，最大单元生长率为1.2。
分析岩土工程勘察报告，可知基坑区域内各地层物理力学参数如表l所示，水文地质参数如表2所示。
4 地下管线渗漏条件下基坑渗流场演化
为探讨地下管线渗漏条件下渗透力导致渗流路径的开始、扩展及贯通，引起基坑土体软化，并最终引起基坑破坏过程。设置4个计算时步，时间间隔为2h。并提取每个计算时步的面压力及Dracy渗流场分布情况进行分析。模拟结果表明：在第1计算时步下基坑土体开始出现渗流场，但速度场仅分布在地下管线渗漏区域周边，且水压力及渗透力较小，不足以引起基坑发生较大变形。随着渗透力的持续作用，在渗流过程中总水头损失的那部分孔隙水压力转化为作用在水流方向上的有效压力。引起渗流路径在不断增加且在基坑坡面有扩展、贯通趋势。在地下水渗透作用下，渗透力克服土体颗粒或孔隙壁阻碍，在基坑坡面发生贯通并开始渗水，最终导致基坑破坏。
5 地下管线渗漏条件下土钉失效特征研究
地下管线渗漏条件下地下水渗流引起土体应力发生严重变化。主动区渗流力使土体的自重应力增加，相应的主动土压力增加，被动区渗流力使土体自重应力变小，相应的被动土压力减小。由于渗透力引起土体发生微小位移，导致支护土钉锚固力发挥作用，使不同位置处的土钉中心线轴应力分布不均匀，土钉分担的荷载增加。
随着地下水渗透力不断作用于土钉与土体中，地下水将在土钉体表面形成1层结合或黏结水膜。水膜紧包裹在土钉体的表面，将土钉外表面与土体界面分离开，使二者黏结力降低，同时钉、土间的摩擦力也大为减小。对于土体中不同位置土钉中心线轴应力分布呈现向浅层土体集中，渗透力引起土钉分担荷载不断增加，最终导致土钉失效，以致基坑发生破坏。
由于地下水作用于基坑土体中，在土压力、水压力及渗透力联合作用下，降低了土体抗剪强度，土体内部出现渗流路径，引起钉、土界面接触黏摩阻力降低，甚至丧失钉体的锚固约束作用及骨架连接作用，进而土体的抗剪能力及自稳能力下降，最终支护结构作用破坏。
6 地下管线渗漏条件下基坑变形特征
地下水的作用引起土体物理力学特性发生改变，进而宏观上体现在基坑总变形量的增加。根据模拟结果分析可知，在地下管线渗漏与无地下水条件下土钉支护基坑总变形量最大值分别为70. 58，32. 8mm，相比于无地下水条件下增加约115%。可见地下管线渗漏严重软化土体，使基坑变形成倍增加。
对比分析沿基坑坡面方向水平位移变形特征可知，土钉支护是一种被动支护，仅在土体发生变形时，土钉才开始发挥作用。然而由于含水体的作用导致土钉支护较早开始发挥作用。土钉支护深部土体变形较大，在基坑坡面位置变形较小。并且随着渗透作用的持续进行，基坑坡面变形越来越大。在无地下水条件下沿坡面最大水平位移量为5. 69 mm，发生位置位于基坑中下部。然而在地下管线渗漏条件下沿坡面最大水平位移量为9. 78mm，发生位置升至基坑中上部，如图3所示。
7工程实例
7.1 基坑破坏过程介绍
某基坑采用土钉支护，且设计人员严格按照规范及行业标准进行设计，施工过程未出现任何质量问题。然而在2013年4月5日基坑突然发生坍塌破坏。经分析基坑破坏过程及查勘现场可知，在基坑周边有一生活给水管破裂，由于水压高达2~4MPa，流量较大，具有承压水特性。地下水的渗透作用引起基坑土体软化，导致基坑破坏。
7.2现场治理
分析基坑破坏过程及周边环境，该基坑为典型地下管线渗漏条件下渗透作用引起基坑破坏案例。现场首先与市政部门进行对接，修补生活给水管，切断突水水源，并进行注浆封堵由于含水体贯通的渗流路径。然后组织人员进行基坑削坡处理，再加密土钉施工，并设置2道15m预应力锚索，其中锚固段分别为10m，轴向拉力标准值为150kN，锁定拉力为30kN，并最终保证基坑安全和稳定。
8结语
1)根据土体-土钉微单元体刚度矩阵变化方程，以及地下水在基坑中的渗流-应力耦合作用，建立了地下管线渗漏条件下地下水-土体-土钉耦合物理模型。
2)地下管线渗漏渗透力作为外荷载施加于土体中，严重软化土体；在土压力、水压力及渗透力联合作用下，土体内部首先开始出现渗流路径，但速度场仅分布在地下管线渗漏区域周边。且随着渗透力的持续进行，渗流路径在不断增加且在基坑坡面有扩展、贯通趋势。最终渗透力克服土体颗粒及孔隙壁阻碍，在基坑坡面贯通并发生渗水。
3)地下水渗透力作用于土钉与土体中，地下水将在土钉体表面形成l层黏结水膜。水膜紧包裹在土钉体的表面，将钉、土外表面与土体界面分离开，使二者黏结力降低，同时钉土间的摩擦力也大为减小。对于土体中不同位置土钉中心线轴应力分布呈现向浅层土体集中，渗透力引起土钉分担荷载不断增加，最终导致土钉失效，以致基坑发生破坏。
4)地下管线渗漏使基坑变形呈现成倍增加。且基坑坡面最大水平位移量发生位置由基坑中下部升至基坑中上部。基坑工程是一个复杂的三维空间结构，在开挖过程中其变形具有空间效应和时间效应。下一步可考虑采用三维计算模型，更好地反映基坑的受力变形情况。
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