天津地区不同土层基坑放坡开挖受降雨影响分析

摘要：基坑放坡的护坡处理是有效控制降雨期间雨水入渗的措施之一，天津地区表层土渗透性极差，盲目的进行护坡处理造成材料的浪费与工期的延误，对护坡设置的必要性进行归纳有很重要的实际意义。通过Geostudio软件模拟天津地区三种基本类型土层放坡在降雨条件下的稳定性变化，主要考虑了降雨历时对边坡的影响，发现土坡强度安全系数均会随着降雨的进行而有所降低且会在某一时刻陡降，模拟结果显示强度陡降是由降雨和地下水的连通引起的，含粉土与淤泥质土的土层强度陡降时间较另两类土较早。综合天津市的气象资料，认为在6～9月份雨季施工时应注意含淤泥夹层与粉土夹层的边坡处理，特别对边坡的粉土层必须做护坡。工程实例的结果也恰好证明了这一结论。

关键词：基坑放坡；护坡；降雨；稳定性

一、引言

放坡开挖是基坑支护形式的一种，设计简单、造价经济，在天津地区地下建筑工程中得到了广泛的应用。由于用地范围的限制，大部分土方开挖放坡角度较大，在地下水作用下极易造成边坡失稳破坏，目前大多采用放坡作隔水帷幕与坡面护坡配合排降水措施来保证基坑稳定性。边坡护坡有效的防止了施工期间降雨的入渗，但其需在整个放坡范围内进行护坡处理且待施工完成后需拆除护坡，提高了工程造价，造成了建材的浪费。本文在饱和-非饱和理论的基础上，通过工程实例与数值计算，对非护坡处理边坡在降雨条件下强度安全系数的分析，结合天津地区标准地层特点和季度降雨特征，拟总结出各标准地层各季度基坑放坡施工期间边坡护坡的必要性，以达到减少工程造价、缩短工期以及节省建材的目的。

关于降雨造成边坡失稳破坏作用机理的研究从未终止， Iseda和Tanabashi（1986）采用有限元的方法，运用饱和-非饱和渗流理论，对因雨水入渗造成抗剪强度降低的边坡进行稳定性分析，研究高强度降雨条件下边坡的破坏机理。Fredlund（1987）等研究了考虑正负孔隙水压力的边坡稳定性安全系数计算，结果表明：对于浅层滑坡，负孔隙水压力在抗剪强度中起了至关重要的作用。陈守义（1997）、吴宏伟（1999）、陈善雄（2001）通过改变入渗边界条件模拟边坡内部任意时刻含水率分布以及与其相应的瞬态抗剪强度参数分布。得出降雨历时、降雨强度、降雨类型以及土坡性质等影响因素斜坡稳定性的作用。

以往的研究结论为研究基坑边坡稳定性提供了良好的理论基础，本文基于Geostudio计算平台，结合葛沽镇和香河两地区基坑放坡过程中边坡稳定或失稳的实例，寻求天津地区地层受降雨时间影响的一般规律，为今后的护坡设计提供参考。

二、天津地区地层特征与降雨特征

1、天津市区工程地质条件

天津市平原地区地貌属海积～冲积滨海平原，地面大沽高程多在2.5～5.0米之间，西北部地区相对较高，可达5.0～7.0米。地基土层为海陆交互沉积的松散沉积物，可分为人工填土和天然沉积土。

依据《天津市地基土层序划分技术规程》（DB/T29-191-2009），根据地层沉积年代、成因，在基坑放坡开挖深度范围之内（一般

以上6种成因类型土中，第①成因标准层在市区范围内均有分布，主要为杂填土和素填土；第②成因标准层仅在沟、坑、河道范围内有分布，分布区域小；第③成因标准层主要分布于市区西侧、西北以及海河两侧的区域，其中③1、③4为粘性土，③3层淤泥质土工程性质较差，③2层粉土易在地震作用下产生液化；第④成因标准层除西北地区外均有分布，且由西北至东南逐渐变浅，此层上部由有机质黑褐色粘性土覆盖，俗称“老地面”，为此层的特征地层，④1层粘性土呈可塑状态，④2层粉土呈稍密-中密状态，但分布范围较小，第④成因土层因为其良较好的工程性质为浅基础良好的持力层；第⑤成因标准层主要分布于西北区域，上部⑤1层粘性土呈流塑～可塑状态，下部⑤2层淤泥质土呈软塑～流塑状态；第⑥成因标准层在市区范围内均有分布，呈西北薄、东南厚的特点，⑥1、⑥4层粉质粘土呈软塑～流塑状态，⑥2层淤泥质土呈流塑状态，主要分布在市区东南部和南部，为浅基础的软弱下卧层。⑥3层粉土呈稍密～中密状态，分布区域与④2层粉土分布区域相近，均沿东北-西南沿两条带状分布，在地震作用下易产生液化。

根据以上分析，天津市区浅层范围内地层分布主要有以下三种类型：

2、天津市区降雨气象条件

天津市区地处暖温带半湿润大陆季风型气候区，暴雨天气系统比较简单，选取耳闸水文站作为市区暴雨分析的代表站，根据耳闸站气象资料，列举了不同降雨历时、不同概率的暴雨强度如表2：

本文主要研究长历时降雨的影响，根据耳闸站监测资料，可将降雨历时24小时平均雨强作为设计降雨强度，若以重现期5年为标准，长历时暴雨强度设计值为5.5mm/h。

暴雨在时间分布上的不均匀性显著，年内干湿季明显，暴雨主要集中在每年的6～9月份，其中7～8月更是暴雨易发季节，特别是7月下旬～8月上旬为暴雨集中期。暴雨以突发性降雨为主，但也有稳定的、持续的长期降雨，如2012年7～8月份天津市持续降雨超过50小时，创60年来历史新高。

三、基坑放坡数值模拟研究

1、模拟参数选取

依据《天津市地基土层序划分技术规程》（DB/T29-191-2009）以及现场勘察资料，选取广泛分布土层的与土坡稳定性相关的土性参数，整理如下表3：

2、模型的建立与定解条件

Geostudio软件SEEP/W程序和SLOPE/W程序可以分别进行边坡的渗流计算与强度计算，以天津市三种代表地层为基础，验算各基坑放坡在降雨条件下的稳定性。进行渗流计算时以饱和-非饱和渗流理论为基础，引入各类土经验水土特征曲线，由渗流平衡方程可求解任一时刻的压力水头（含水率）分布；进行强度分析时以渗流分析结果为基础，以扩展的摩尔-库伦公式为准则，计算对应时刻边坡的安全系数。

课题采用5米深两级放坡基坑模型，地层分布及参数按照表1、表3设定。对于渗透性较低的坡面土，上部边界采用定流量入渗边界作为其边界条件，取值参考土壤的渗透指标；对于粉土类渗透性较好的坡面土，采用降雨强度值作为其入渗流量。放坡施工前的降水标准一般将水位降低至基坑底面以下1米，可作为数值模拟初始地下水位。模拟降雨时长5day，等分为100个时间段模拟计算。

3、第I类地层土数值模拟结果

第I类土层浅层范围内各层土性良好，本次模拟过程设计了5米深两级放坡模型，坡度分别为1：1.2和1：1.5，影响深度内各土层厚度如表4设定，由于各土层入渗能力偏低，进入边坡内部水分量受剖面控制，与降雨强度无关。本次采用各土层竖直向饱和渗透系数作为定流量边界设计值。

由图1～3模拟结果可知，由于地层土渗透性较差，所以长历时降雨后坡面位置先达到饱和并将饱和区不断向坡内渗透，属活塞式推进类型。在40h降雨入渗与地下水位在坑底区域连通，坑底区域渐渐达到饱和，但坑底以上放坡部分土大多处于未饱和状态。边坡最危滑面位置为深层滑动，随着降雨的进行，坡体的安全系数不断降低并在50h发生陡降，如图4所示：

4、第II类地层土数值模拟结果

市区东南部部分区域浅层含有粉土层，粉土层除受到扰动容易产生液化外，其渗透性也较粘性土高，降雨期间雨水更容易入渗。建模过程中此粉土区域降雨入渗流量以降雨强度为准。影响深度范围内各土层厚度如表5。

由图5～7模拟结果可见，降雨入渗也遵循着由表及里的活塞式渗透规律，但强透水层的存在使得降雨与地下水位连通时间点提前（约8h），降雨5天后放坡部分饱和区域较第I类大，孔隙水压力极值点出现在坡脚区域。图8滑动模拟结果显示边坡安全系数陡降时间点提前至10h。

5、第III类地层土数值模拟结果

市区西部和西北部区域部分土层含有淤泥质层，淤泥质层土性强度差，极易发生边坡失稳，如表6所示。但淤泥质土渗透性质较差，受降雨影响效果偏低。图9～11是此类土层的数值模拟结果。

6、对比分析降雨影响放坡稳定性效果

如前所述，边坡安全系数的降低是由边坡内部孔隙水压力（含水率）的增大引起的，孔隙水压力的变化规律将直接影响边坡的稳定性，图13～14给出了第II类边坡不同位置处孔隙水压力变化情况。

由上图可见，边坡不同位置处孔压变化趋势有很大的不同：坡面处（点A）孔压值匀速增大；斜坡内部（点B）由于无法得到雨水的入渗补充，所以孔隙水压力值保持不变；坡脚处（点C）孔压值不断增大且在某一时刻陡增，是由于坡脚处降雨入渗浸润锋与地下水连通造成的，孔压值的陡增是边坡整体安全系数陡降的直接诱因。

不同的边坡土质其坡面入渗条件以及坡内渗流情况有很大的差异，这势必会造成地下水与入渗水连通时刻的不统一：对于含粉土层的边坡，其坡面入渗条件好，雨水更为顺畅的入渗使得第II类边坡较早的发生孔压剧增；对于含淤泥层边坡，由于淤泥层的不透水性，使得雨水排出通道的阻塞从而利于坡内雨水的储存，亦会在较早时刻实现与地下水位的连通；对于第I类边坡，其入渗量小，渗流排出速度快，相较于其他两类土孔压变化速率更为缓慢。三类土位置C处孔压变化曲线如下图15所示。

由上述分析以及三类土孔压值、安全系数F值的变化规律可知，含粉土层第II类边坡极易受降雨影响而发生破坏，第III类次之，第I类最稳定。雨季施工过程中，必须对第II、III类尤其是第III类地层放坡做护坡处理。

四、放坡受降雨影响工程实例

本节内容分别选取了天津津南区与河东区放坡开挖实际工程实例，借以说明粉土层边坡稳定性对降雨的敏感度以及护坡的重要性。

1、基坑放坡有护坡处理实例

津南区葛沽镇基坑放坡开挖，本工程大范围基坑深度不超过5m，分两级放坡；第一级坑深2米，坡度系数1.2；平台宽2米；第二级坑深2.85米，坡度系数1.5。场地坑深范围内分布有淤泥质土层，透水性较差，周边场地条件较开阔，故采用放坡采用结合大口井外降水方案。根据勘察报告，土层分布情况如表7：

从勘察报告可知，放坡开挖影响地层范围内包括⑥3粉土层，由数值模拟结论可知含粉土层区域稳定性容易受降雨影响。在放坡设计过程中，如图8所示，为消除降雨的影响，在放坡部分和基坑底部均有50mm厚的网喷混凝土护坡，此举大大加强了雨季施工的安全性，施工期间未发生渗水、失稳等突发状况。下图16为现场边坡护坡处理施工效果图。

2、未网喷混凝土坡脚侵蚀实例

河北区香兰嘉园项目基坑支护设计，基坑开挖7.5米，分两级开挖，第一级坡高3.75米，坡度系数1.0；平台宽2.0米；第二级坡高3.75米，坡度系数1.0；修建区域穿越东南区粉土层带，开挖深度范围内含④2、⑥3粉土层且厚度较大，各土层厚度分布如下表8所示：

此工程坡度系数大，且在4.4～9.4米深度范围内含有很厚的粉土层，遇到降雨情况极易发生强度陡降甚至发生破坏。本工程放坡部分夏季施工期间没有采用护坡处理，施工时遇到降雨，由于雨水的坡面冲刷与坡内渗透作用，部分坡面坡脚被侵蚀严重，严重影响了边坡的稳定性，如图17所示，施工期间采用了应急处理才防止了事故的发生。为防止类似事件，对含粉土层较厚的边坡必须做护坡处理。

四、结论与建议

1、天津市区范围内浅层土层可分为三种基本类型：市区东南部第I类土浅层土土性良好，以微透水或不透水的粉质黏土层为主；市区东南部地区含有两条粉土层带，此区域第II类浅层土土以粉质粘土与粉土互层为特征；市区西北部以及天津滨海区第III类土成因与东南部区域大相径庭，古河道堆积普遍，浅层含有淤泥层，基坑开挖安全系数极低。天津市区降雨主要集中在6～9月，常见持续24小时以上降雨强度约5.5mm/h。

2、通过数值模拟结果可知，边坡在降雨过程中坡面不同位置处孔隙水压力变化呈现不同的特征，坡脚及坑底处孔压值由于入渗雨水与坑底地下水的连通会出现陡增时刻，造成边坡整体安全系数急剧降低。模拟结果显示三类土安全系数陡降时间点并不统一：第I类土在50h左右，第III类土在20h左右，第II类土在8h左右。

3、由模拟结果可知，降雨发生后坡脚部分与基坑底部首先连通而达到饱和，饱和区域土体易收到扰动而发生破坏，因此放坡后可在坡脚部分设置抗滑结构或内部排水设备。对于第II、III类土坡必须进行护坡处理。

4、本文主要讨论了降雨历时对放坡的影响，但不能忽视高雨强、短历时暴雨的作用，此类降雨会造成坡面冲刷严重从而改变坡面渗透性与结构性，造成雨水入渗的增大或直接破坏坡面结构，工程中应采用适当的水土保持措施。

参考文献

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[9] DB29-191-2009《天津市地基土层序划分技术规程》

作者简介：

刘秀凤，女，天津市勘察院岩土设计公司中级工程师，职务：公司总工。

文谦，男，天津市勘察院岩土设计公司高级工程师，职务：室主任。

苏越，男，天津市勘察院岩土设计公司助工，职务：技术人员。