强降雨条件下软土地区基坑安全性分析

冯国鹏 徐泽楠 蒋玉龙

摘要：在强降雨条件下，软土地区基坑的安全性面临一系列挑战。降雨会导致土壤饱和和孔隙水压力增加，进而引发基坑边坡失稳、土体塌陷、支护结构破坏等灾变。以某基坑为例，借助有限元模拟软件，分析强降雨对软土地区基坑安全的影响。研究结果表明：降雨前后直桩和斜桩的桩体水平位移基本没有发生变化，深度增加能降低雨水對基坑支护体系的影响。在实际软土地区施工中，碰到雨季应优先采用斜直交替支护的方式进行支护。对于局部深挖地区的变形在降雨前后应格外关注，并采取相应急救和布防措施。

关键词：强降雨条件；软土地区；基坑；安全性分析

0   引言

强降雨条件下软土地区基坑安全性是现代建筑工程中的一个重要问题[1]。随着城市建设的不断扩张和人们对基础设施的需求增加，越来越多的建筑工程需要在软土地区进行[2-3]。然而，软土地区在强降雨条件下存在着一系列的安全隐患，可能导致基坑的不稳定和发生灾害事故。软土是一种力学性质较差、含水量较高、排水能力较弱的土壤。在强降雨情况下，大量的雨水会渗透进软土中，增加土体的饱和度，导致土体的稳定性下降[4-6]。软土地区基坑在雨水的侵蚀下，可能出现坡体滑动、土壤液化、基坑塌陷等问题，给施工和周边环境带来严重的安全风险。

软土地区基坑安全性分析旨在评估基坑在强降雨条件下的稳定性，并采取相应的安全措施，确保施工和使用阶段的安全[7]。安全性分析的关键是确定软土地区的地质特征、雨水入渗情况、土体力学性质等，进而建立合理的数学模型和计算方法，预测基坑的变形和稳定性[8]。

本文以某基坑为例，借助有限元模拟软件，分析强降雨对软土地区基坑安全的影响，论述基坑的多因素对降雨的敏感性，并提出多种管控措施，为强降雨条件下软土地区基坑安全性处理提供一定的参考依据。

1   工程概况

某基坑处于某地的软土地区，共4层土质，第一层为素填土，第二层为淤泥质粉质黏土，第三层土为粉质黏土，第四层为淤泥质粉质黏土，土层的各参数信息见表1。

基坑占地面积为8万m2，周长为1952.3m，开挖深度机支护方式为：4.8m的采用斜直交替支护桩和拉森钢板抗滑桩两种处理方法；6.7m的采用斜直交替支护桩+放坡处理，支护桩的详细信息见表2。

根据现场的资料可知，基坑因突发状况施工到基地后在雨季停工。在这段时间大部分区域的变形属于可控范围之内，但放坡区和反压土区出现的局部垮塌和大变形，变形的最大值1135mm。

2   降雨对基坑灾变的影响

强降雨对基坑不同区域的影响程度不同，基坑可划分为主动区、被动区以及主动和被动的综合影响区。主动区浸灌时，如果注入的液体过多或过快，会导致土体失去支撑力，发生坍塌现象。这可能导致基坑坍塌或周围土体的沉陷，给工程施工和周边环境带来严重风险。被动区浸灌时，通过渗透水或液体来改善土壤，但如果注入的液体过多或渗流速度过快，可能会导致土壤颗粒的冲刷和侵蚀。这会削弱土壤的结构稳定性，增加土壤的侵蚀风险，并可能引发土壤溢流和环境污染。另外，被动区浸灌可能导致注入的液体向周边土体扩散，改变土壤的物理性质和水分分布。如果注入液体的量过大或浸灌过程不均匀，可能引起周边土体的不稳定，导致土体沉降、失稳或塌陷，对基坑周边结构造成影响。

2.1   降雨对基坑主动土压力区的影响

大雨引起的强降水会增加土体的饱和度，导致土体的重力和内摩擦力减小，从而使主动土的稳定性下降。主动土可能会发生崩塌，导致基坑边坡或挖掘面的土体大规模坍塌。基坑内积水量增加，会加剧水土流失的风险。土壤的冲刷和侵蚀会导致基坑边坡或挖掘面的土体失稳，甚至引发基坑塌陷响。此外，降雨强度过大还会导致基坑内部土体液化和基坑边坡滑移。主动土压力区如图1所示。由图1可以看出，A区产生滑动面，造成滑坡；B区发生桩间土流水，桩无法对C区支撑，造成止水帷幕的承受的压力过大。水土流失过大会造成止水帷幕发生破坏，从而发生基坑事故。

2.2   降雨对基坑被动土压力区的影响

大雨引起的降水会增加土壤的饱和度，导致土壤的重力和内摩擦力减小。在被动土压力区，如果土壤失去足够的侧向约束力，可能会发生滑坡。破坏区域划分如图2所示。土体软化会造成E区踢脚线破坏。基坑内的水土发生严重流失，会使土体提供的被动土压力过小，造成超挖现象，使支护结构被破坏。

2.3   降雨对基坑支护体系的影响

一方面，大雨引起的强降水会增加基坑内水位，增加支护结构承受的水压力。如果支护结构的设计、施工或材料选择不当，可能无法承受水压力的增加，导致支护结构的破坏，使基坑边坡失稳或坍塌。

另一方面，大雨引起的降水会使土体的渗透性增加，进而导致土体的饱和。如果支护结构没有良好的防水措施或渗透水的排除系统不畅通，土体饱和会增加支护结构的背后土体压力，导致土体变松、塌陷或滑移。

综上所述，图2b中F区会发生局部应力集中，造成围护结构被破坏，使G区支撑体系失稳。

3   数值模拟分析及管控措施

3.1   有限元模型

采用数值模拟分析对3种不同支护方式进行建模。土体采用小应变土体硬化模型，为减小边界效应，保证基坑离边界的距离大于2倍的深度。模型尺寸为70m×23m×2.8m，桩体采用C80混凝土模拟，其弹性模量为3.8×104MPa，桩长为12m和15m，厚度为100mm，直径为50mm。

采用梁单元模拟板，尺寸为1.2m×0.6m，弹性模量为3×104MPa。土体重度为7kN/m3，折减系数为0.75，强降雨后土体饱和度为100%。

3.2   降雨对软土基坑支护结构变形影响分析

3.2.1   降雨前后直桩和斜桩的桩体水平位移

开挖深度和支护形式对降雨前后桩身水平位移的影响如图3所示。由图3a和3b可知，降雨前后直桩和斜桩的桩体水平位移基本没有发生变化。

分析其原因如下：第一，斜桩和直桩在施工时会通过桩身连接在一起，形成一个整体的支护系统。由于斜桩和直桩之间存在一定的桩身刚度和连接刚性，它们在受到水平荷载作用时会相互影响。这种相互作用使得斜桩和直桩的位移响应形态基本一致。第二，直交替支护桩的施工会对周围土体施加一定约束力，当斜桩和直桩受到外界水平荷载时，土体会产生一定反力分布。这种分布对斜桩和直桩的位移产生影响。由于桩身布置合理，土体的反力分布在斜桩和直桩之间的变化相对较小，因此位移形态基本一致。

3.2.2   降雨前后桩体的水平位移

由图3可知，4.8m的基坑在降雨前后桩体的水平最大位移由8mm增大到11mm，增幅為37.8%。6.7m的基坑在降雨前后桩体的水平最大位移由33mm到45mm，增幅为33.8%。由此说明，深度增加能降低雨水对基坑支护体系的影响。拉森钢板桩在降雨前后的最大水平增幅为87.6%，远大于斜直交替支护桩，因此在实际软土地区施工中，碰到雨季应优先采用斜直交替支护的方式进行支护。

将图3a和3b进行对比可知，两者在降雨前后的最大水平位移增幅均在32%左右，两者并无明显差异。为此对于局部深挖地区的变形，在降雨前后均应格外关注，并采取好相应急救和布防措施。模拟结果表明，被动区受强降雨的影响会造成超挖现象的产生，从而诱发基坑事故的产生。由图3a、3b和3c可知，随着深度的增加，桩体的水平位移呈现先增加后减小的趋势，在基坑开挖深度处达到最大，降雨后的钢板桩与降雨前的桩体水平位移相比差异显著。为此应重视强降雨对基坑的影响，并采取相应的措施进行防范做好降雨前后的准备、防范和排查工作，以防止局部发生破坏。

3.3  降雨管控措施

在降雨前设置挡水台，以防止雨水倒灌基坑。在基坑外表面采用混凝土挂网喷浆护坡，并设置抗滑桩，以防止强降雨期间造成滑坡。

在存在雨水侵灌基坑的风险时，可以采用可拆卸挡水台，及时抽调挡板，使雨水有序流入基坑。相比无序流入，其可以很大程度降低大雨带来的损失。在降雨结束后，若蓄水高度超过2m，应对基坑的各个点位进行风险排查，以防止局部遭受破坏。

4   结束语

本文以某基坑为例，借助有限元模拟软件，阐述强降雨对软土地区基坑安全的影响，分析基坑的多因素对降雨的敏感性，并提出多种管控措施，为强降雨条件下软土地区基坑安全性处理提供一定的参考依据，具体结论如下：由于斜桩的刚架效应的存在，导致降雨前后直桩和斜桩的桩体水平位移基本没有发生变化。深度增加能降低雨水对基坑支护体系的影响，拉森钢板桩在降雨前后的最大水平增幅为87.6%，远大于斜直交替支护桩。因此在实际软土地区施工中，碰到雨季应优先采用斜直交替支护的方式进行支护。对于局部深挖地区的变形在降雨前后均应格外关注，并采取好相应的急救和布防措施。模拟结果表明，被动区受强降雨的影响，会产生超挖现象，从而诱发基坑事故。

参考文献

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[8] 邱海兵.降雨入渗对非饱和土基坑围护结构稳定性影响的

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