降雨条件下桩锚式基坑模型试验及数值分析

黄海江; 李进晓; 刘飞禹; 任宇

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2505409

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (25) :11011-11022 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2505409

建筑科学

降雨条件下桩锚式基坑模型试验及数值分析

黄海江 ¹ ,
李进晓 ² ,
刘飞禹 ¹^,^* ,
任宇 ²

作者信息 +

Model Test and Numerical Analysis of Pile-anchored Foundation Pit under Rainfall Condition

HUANG Hai-jiang ¹ ,
LI Jin-xiao ² ,
LIU Fei-yu ¹^,^* ,
REN Yu ²

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摘要

降雨引起的土质基坑内部渗流和土体力学性质劣化,是导致支护结构失稳或基坑整体变形的关键诱因。通过开展室内模型试验,运用数字图像相关技术(digital image correlation,DIC)对基坑土体位移场、外地表沉降、桩后土体位移及裂缝扩展动态进行分析;并基于计算流体力学-离散元(computational fluid dynamics-discrete element method,CFD-DEM)耦合分析方法,构建了考虑非饱和土水力学性质劣化的三维数值分析模型,通过融合宏观变形观测与细观力学分析,深入探究了土体滑移损失率、强力链网络及接触组构各向异性的动态演变规律。结果表明:在降雨入渗作用下,受桩锚结构的约束作用,基坑呈现渐进式失稳特性,其潜在滑裂面与水平面的夹角呈现先减小后增大的演变规律;随着降雨持续进行,支护结构效能逐渐衰减,桩后土体形成并向基坑内部滑移的楔形滑体规模持续扩大;土体滑移损失率随降雨历时显著增长;基坑土体颗粒的强力链数量、角度及组构各向异性的变化规律展现了基坑失稳破坏演化路径的动态变化。

Abstract

Rainfall-induced seepage and the deterioration of soil mechanical properties are key triggers for the instability of support structures or the overall deformation of excavations. Laboratory model tests were conducted, utilizing digital image correlation (DIC) to analyze the soil displacement field within the excavation, ground surface settlement, soil displacement behind retaining piles, and crack propagation dynamics. A three-dimensional numerical model that accounts for the hydro-mechanical degradation of unsaturated soils was developed using a coupled computational fluid dynamics-discrete element method (CFD-DEM). By integrating macroscopic deformation observations with meso-mechanical analysis, the dynamic evolution of the soil slip loss rate, force chain networks, and the anisotropy of contact fabric were investigated. The results show that under rainfall infiltration, and constrained by the pile-anchor system, the excavation exhibits progressive failure. The inclination of the potential slip surface relative to the horizontal plane initially decreases and then increases. As rainfall continues, the effectiveness of the support structure gradually attenuates, leading to the continuous expansion of a wedge-shaped sliding mass that develops behind the piles and moves into the excavation. The soil slip loss rate increases significantly with rainfall duration. Furthermore, variations in the quantity, orientation, and fabric anisotropy of strong force chains among soil particles elucidate the dynamic evolution of the excavation’s failure path.

Graphical abstract

关键词

降雨 / 基坑 / 桩锚 / 模型试验 / 数值分析

Key words

rainfall / foundation pit / pile anchor / model test / numerical analysis

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黄海江, 李进晓, 刘飞禹, 任宇. 降雨条件下桩锚式基坑模型试验及数值分析[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(25): 11011-11022 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2505409

HUANG Hai-jiang, LI Jin-xiao, LIU Fei-yu, REN Yu. Model Test and Numerical Analysis of Pile-anchored Foundation Pit under Rainfall Condition[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(25): 11011-11022 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2505409

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桩锚式基坑在工程建设中广泛应用,其稳定性受多种因素控制,降雨则是其中关键的外界诱因。降雨入渗导致土体基质吸力降低、强度衰减、自重增加,不仅威胁基坑整体稳定,还显著改变桩锚结构的受力状态与变形特性^[1]。在渗透性、强度及界面特性差异明显的复合地层中,降雨入渗易形成不均匀的含水率分布与基质吸力梯度,进一步加剧基坑力学响应的非线性与复杂性^[2-3]。

模型试验因其可在室内重现基坑失稳破坏全过程,已成为研究该类问题的重要手段。Su等^[4]通过大型模型试验研究了桩锚支护结构在基坑工程中的受力特性和变形规律,研究发现,实测土压力小于Rankine土压力且呈非线性分布,建议在设计中谨慎使用传统土压力理论。程雪松等^[5]通过模型试验研究了局部超挖或超载作用下桩锚支护基坑的连续垮塌机制,研究结果表明,超挖和超载均会引发支护结构内力大幅上升和连续破坏。武崇福等^[6]结合模型试验与理论分析,深入探讨了桩锚支护体系中竖向土拱效应的形成机理及其对土压力分布的影响,提出了考虑竖向土拱效应的土压力计算方法。张泽蔚等^[7]通过离心模型试验研究了降水条件下抗滑桩-锚杆组合结构加固边坡的变形和破坏过程,发现锚杆抗滑桩能有效减小边坡位移,改变滑裂面特性,增强边坡稳定性。Xue等^[8]通过离心模型试验研究了桩锚支护系统在基坑开挖中的变形规律和锚索拉力变化,发现桩锚支护系统能显著减少支护桩的水平位移和土体变形,提高基坑稳定性。Wang等^[9]通过模型试验,系统研究了锚索抗滑桩加固堆积型滑坡的受力特性,分析了桩锚结构的内力分布和变形规律,揭示了锚索对抗滑桩变形的约束作用及其失效对结构稳定性的影响。原飞等^[10]通过离心振动台模型试验,研究了地震作用下锚索抗滑桩的动接触应力分布和锚索拉力变化,为优化锚索抗滑桩设计提供了依据。潘学刚等^[11]通过模型试验与数值模拟的耦合分析,发现施加预应力锚杆可显著降低基坑变形及桩身弯矩。以上研究在模型试验方面多集中于单一土质或常规工况下支护结构的受力变形规律,尚缺乏对降雨入渗引起的支护基坑整体变形演化的系统性试验研究。

数值模拟技术能够弥补室内试验的不足,能够更为深入的研究降雨对基坑的影响。Liu等^[12]通过计算流体力学-离散元(computational fluid dynamics-discrete element method,CFD-DEM)耦合方法研究了降雨引发的深基坑失稳问题,研究结果揭示了降雨量和降雨模式对基坑稳定性的显著影响,并提出了简化预测方法。Zhang等^[13]建立了三维数值模型,研究了降雨和开挖对非饱和土中支撑基坑的性能影响,发现降雨显著增加了支撑结构的位移,并改变了土压力分布。张小倩等^[14]结合数值模拟与现场实测,研究了降雨对非饱和残积土中基坑受力变形的影响机理,发现降雨入渗显著增加基坑变形,降低其稳定性。Wang等^[15]以青岛地铁鞍山路站深大基坑为例,通过流-固耦合数值模拟,揭示了强降雨下深大基坑的“浅层滑移-坑底回弹抑制”失稳机制。虽然以上研究探讨了降雨对支护基坑的影响,但缺乏从宏细观结合的角度对基坑的发展破坏过程进行分析。

综上所述,针对降雨入渗作用下桩锚支护基坑的变形破坏机制,现有的宏观与细观层次的定量研究尚显不足。为此,现采用宏细观协同的研究框架,综合运用数字图像相关(digital image correlation,DIC)技术与计算流体动力学-离散元(CFD-DEM)流固耦合数值模拟。具体而言,一方面通过室内模型试验与DIC技术,实现对土体位移场、裂缝扩展等宏观破坏规律与形态的精细化非接触式定量监测;另一方面,通过CFD-DEM模拟,首次从颗粒尺度揭示降雨过程中非饱和土水力劣化、颗粒间强力链网络演化及接触组构各向异性等细观力学机制的动态响应。这一多尺度方法不仅可以克服传统连续介质方法在模拟散体材料渐进破坏时的局限,更从本质上阐明宏观变形与细观力学机制之间的因果关联,从而深入揭示强降雨条件下桩锚支护基坑的变形演化规律与灾变机理,以期为工程实践提供理论与方法支撑。

1 模型试验

1.1 试验设备

试验系统主要由3部分构成,系统总体示意图如图1所示。主要由模型箱、降雨系统、图像采集系统;模型箱四周采用20 mm厚的高强透明有机玻璃制成,长×宽×高为1.0 m×0.5 m×0.5 m。箱体两侧设有水槽,水槽与箱室隔板为多孔隔板,在降雨过程中能排出多余雨水。

1.2 试验支护结构及土体参数

试验中锚索采用钢绞线模拟,其材质与实际工程中锚索材质一致。锚索材料选用直径为3 mm的钢绞线模拟,倾角为15°,锚索总长为400 mm,其中自由段长200 mm,锚固段长200 mm,锚固体采用M20水泥砂浆浇筑而成。锚索一端锚固在土体内,另一端通过夹片固定在桩身。支护桩采用硬质PVC空心圆管模拟,弹性模量为2 GPa,长度350 mm,截面边长30 mm,桩端嵌入土层50 mm,桩间采用冠梁连接。

模型试验分为上下两层土体,上层土体采用含砾砂土,下层土体采用含砾花岗岩残积土,砾石含量分别为10%与25%,砾石为中风化的花岗岩岩石。考虑模型尺寸的大小,为减小尺寸效应所带来的影响,剔除砾石直径20 mm以上的砾石,达到控制砾石的最大直径在基坑深度的0.1倍以内^[16-17]。通过筛分试验获得土体的试样级配曲线如图2所示。

由于基质吸力的存在,非饱和土的抗剪强度特性显著区别于饱和土和干土^[18-19],非饱和土的抗剪强度受含水率变化影响显著,表现出非线性力学行为。试验前对不同含水率的土体进行室内直剪试验,获取不同含水率的土体强度参数,为模型试验分析以及数值模拟提供依据。实验前配制含水率为0、5%、10%、20%的含砾砂土和含水率为13%、18%、23%、28%的含砾花岗岩残积土试样。每次试验设置同一含水率的4组试样,分别施加100、200、300 kPa的法向应力,通过重复试验计算得出不同含水率土体的力学参数如表1所示。试验及模拟所采用的土体指标参数如表2所示。

1.3 试验方案

考虑到模型边界效应的影响,模型填筑前在模型箱侧壁涂抹凡士林以减少模型与箱体之间的摩擦。模型桩与锚杆模拟装置的埋置方法选用先埋法,埋土时需严格控制桩间距以及桩的高度。采用分层填筑法填筑基坑,根据土体密度,计算出层高5 cm分层填筑时每层土体质量,逐层填筑,每层填筑后进行平整夯实。按100 cm×50 cm×5 cm土体体积分两次填筑10 cm厚基坑地层,后再在地层上填筑上层部分,共8层。填筑上层部分前,在桩土界面布置贴有透明薄膜的细铁丝网以模拟喷射混凝土面层,确保土体填筑过程中不会从桩间滑落,填筑过程采用挡板固定,避免填筑过程中桩的滑动移位,并在填筑完成后撤去挡板。模型高40 cm,宽100 cm,基坑深30 cm,填筑完成后的物理模型如图3所示。桩锚埋深及间距等布置如图4所示。参考国家气象的降水强度等级划分标准,确定降雨强度为120 mm/h。

2 模型试验结果及分析

2.1 土体变形及破坏模式分析

图5展示了降雨入渗条件下基坑破坏的动态发展过程。可知基坑滑移面的发展具有多阶段的特性,3个不同时刻的滑移面与水平之间的夹角分别为73.1°、62.2°、68.8°,表现为先减小后增大的趋势。在复合地层条件下,降雨达到30 min时,基坑上部地层因软化效应产生应力集中率先发生局部开裂破坏。这种顶部起始的破坏模式与纯土质边坡通常始于坡脚的破坏模式存在显著差异^[20]。得益于桩锚支护体系的约束作用,基坑整体变形得到有效控制,未发生整体失稳或连续贯通破坏。随着降雨时间的增加,浸润锋面不断向地层深部扩展,降雨60 min后,破裂面侵入下部地层,引发支护结构与周边土体协同滑移,最终导致基坑渐进式失稳。在降雨60~120 min时段内,浸润锋面持续下移导致深层土体基质吸力损失,滑移区域范围逐步扩大,但受桩锚与土体间的协调变形机制,破坏体始终维持典型楔形滑裂面形态。结合表1的室内试验结果,土体含水率的增加导致土体抗剪强度的降低,而降雨所导致的浸润锋面变化具有显著的时空特性,这也共同导致了基坑滑移面的发展具有多阶段的特性。同时基坑的破坏始终保持为楔形体滑动,与纯土坡的圆弧形滑动破坏模型有显著区别。

如图5(c)所示,在持续降雨作用下,土体与支护结构均产生显著大变形,并向基坑内侧倾斜,呈现出典型的桩-土协同的整体滑移破坏形态。该形态与魏星等^[21]对成都地区基坑常见降雨破坏类型的系统归纳中,第二类“土体整体滑移”的典型现场照片所记录的破坏形态相一致。此类破坏的核心宏观力学机制,即土体失稳后推动支护桩产生整体性位移,与本文试验观察到的现象完全吻合。这种一致性表明,本文模型试验成功地捕捉并再现了实际工程中的关键破坏模式,从而验证了试验方案的合理性与结果的可靠性。

2.2 基坑土体位移场分析

为研究非饱和混合地层桩锚式基坑变形破坏随降雨时间增加的变形破坏演化机制,通过采用数字图像相关DIC技术,以初始时刻照片为参考进行图像分析,根据不同时刻土体变形及侧面裂缝发展状况,对试验过程中的关键时刻进行数字图像处理分析,得到相应时刻的位移云图。选取降雨时间在15、30、60、120 min时的工况进行分析,图6为降雨各阶段的水平与竖直方向的位移场,与试验采集数据比对,可知位移大小与变化趋势结果基本吻合。在T = 15 min时,土体的位移变化相对较小,最大水平与竖向位移均小于2 mm。主要表现为基坑顶部土体向坑内发生轻微水平位移及不均匀沉降。该现象主要受强降雨入渗作用影响,导致上层填土饱和软化,抗剪强度显著降低。同时,持续降水会形成地表径流,加剧坡面冲刷并带走细颗粒,进一步削弱土体结构性。

随着降雨时间的增加,在T = 30 min时,土体的位移变化出现增加,对基坑土体的影响程度与影响范围逐渐增大。在此阶段,土体的渐进破坏特征开始显现,具体表现为:上地层含砾砂土层由于抗剪强度持续弱化,逐步形成潜在滑动面;降雨入渗导致的孔隙水压力增加,有效应力减少,裂缝的发展开始诱发局部小规模的滑移失稳;此时临近坑内的土体整体水平位移在2~3.5 mm,小于土体在竖向的2.5~4.0 mm位移,这是由于锚索对桩体的挠度变形的影响,使得桩下部的水平位移增大,为土体向下滑动提供了更多空间。

当降雨时长达到T = 60 min时,土体位移显著增加,滑裂面贯通上覆含砾砂土层并向下延伸至含砾花岗岩残积土地层,形成三角形滑体。当降雨时间增至T = 120 min时,竖向和水平最大位移分别增大50%与29%,土体向基坑内侧进一步滑移,但支护体系仍然具备一定的约束作用,使得滑移体的几何形态仍保持稳定。值得注意的是,三角形滑体面积有所增大,滑移面与竖直方向之间的夹角也同样增大。

2.3 地表沉降分析

图7为基坑外地表土体沉降分布情况,降雨入渗所引起的基坑外地表土体沉降分布曲线呈三角形分布特征,这与在其他常规工况下的悬臂支护结构所产生的规律相类似^[22]。距离围护桩的距离越近,地表的沉降值越大;随降雨历时增加,沉降曲线与竖直方向的夹角越大,地表的沉降程度也就越大。地表沉降在降雨30~60 min期间的增长率最大,地表最大沉降值增大了22.6 mm,60~120 min次之,降雨前30 min增长最为缓慢。

2.4 桩后土体水平位移分析

图8为桩后土体水平位移曲线图,在第一阶段(0~30 min)桩后土体水平位移变化幅度较小,此阶段锚杆对桩顶水平侧向位移约束作用始终保持较强作用。降雨至第二阶段(30~60 min),桩后土体的位移显著增大,这是由于降雨开始渗透进入深层土体,基坑深层土体逐渐由非饱和转向饱和;同时,土体含水率升高一方面削弱了锚杆-土体界面的抗拔力,降低了锚杆对桩顶的约束效能;另一方面增大了土体施加于支护桩的侧向压力。在此综合作用下,桩身下部向基坑内侧的倾斜速率加快,其约束深层土体的能力减弱,容土能力增强,桩-锚-土系统逐渐调整并趋向形成新的耦合变形平衡状态。第三阶段(60~120 min),土体进入滑移后平衡阶段,桩后土体位移增速放缓并趋于稳定。这表明桩-锚-土三者之间已基本建立起动态平衡的力学体系,是系统协同作用达到相对稳定阶段的表现。

2.5 裂纹发展分析

基坑外地表裂缝的时程发展情况反映了基坑稳定性变化的动态过程,通过数字图像相关(DIC)技术对基坑外地表裂纹进行定量化分析,这对研究基坑变形破坏的时空演变特征具有重要意义^[23],从而能够有效进一步揭示基坑变形破坏机制。图9为数字图像分析结果对比图,可知,通过数字图像处理技术获取的裂缝骨架提取结果和裂缝网络分布特征,能够清晰呈现基坑表面裂隙的空间展布形态与连通特性。该分析结果可进一步用于定量表征裂缝网络面积、长度和最大宽度等关键参数。

采用式(1)~式(3)所示指标表征各个降雨时刻的基坑顶面的裂缝发展情况。

(1)${\mathit{R}}_{\mathrm{a}}=\frac{{\mathit{A}}_{\mathrm{c}}}{{\mathit{A}}_{\mathrm{s}}}$

(2)${\mathit{\rho }}_{\mathrm{L}}=\frac{{\mathit{L}}_{\mathrm{c}}}{{\mathit{A}}_{\mathrm{s}}}$

(3)${\mathit{R}}_{\mathrm{r}}=\frac{{\mathit{D}}_{\mathrm{m}}}{{\mathit{L}}_{\mathrm{m}}}$

式中:R_a、ρ_L、R_r分别为基坑表面的裂缝率、裂缝长度密度和裂缝宽度率;A_c、A_s、L_c、D_m、L_m分别为裂缝像素面积、基坑外地表像素面积、总裂缝像素长度、最大裂缝像素宽度、基坑外地表宽度。

图10为降雨过程中基坑外地表的裂缝指标时变图。可知,随着降雨时间的增加,基坑外地表的裂缝发展呈三阶段(①、②、③)变化。在第一阶段,裂缝率R_a与裂缝长度密度ρ_L缓慢增加,分别达到了1.08%与1.25%。进入快速发展阶段后,裂缝长度与面积迅速增大,最终形成完全的贯通裂缝。进入第三阶段后,裂缝率与裂缝长度密度继续稳定增长,分别达到8.2%与9.6%。而裂缝宽度率R_r呈现先增大后减小的趋势,在形成贯通裂缝前缓慢增长至0.54%,而第三阶段受持续降雨而导致的基坑整体的楔形体滑块持续滑移在表面形成多道长短裂缝,使得裂缝宽度率R_r降低至0.37%。裂缝率、裂缝长度密度及裂缝宽度率的演变特征,清晰地反映了在降雨入渗作用下,基坑外地表从初始微裂缝发育,经历贯通破坏,最终向碎裂化的发展过程。

3 数值模型建立及结果分析

由于支护基坑的变形破坏涉及渐进式失稳或局部剪切破坏,传统的连续介质力学方法(如有限元法或有限差分法)在模拟土体这类散体材料时存在明显局限性。这类方法难以准确表征土颗粒间的离散性、非均质性以及复杂的接触力学行为(如摩擦、咬合作用),更无法从细观尺度阐述土体颗粒的运移规律与支护结构变形的相互作用机制。

为此,采用计算流体动力学-离散元耦合方法(CFD-DEM),从多尺度耦合机制出发,量化分析降雨入渗作用下水土相互作用对桩土协调变形,导致支护基坑变形破坏的影响。该方法可从细观角度动态揭示短时间强降雨对支护基坑的内在破坏机理。

3.1 数值模型建立

3.1.1 数值耦合方法及原理

研究降雨对非饱和砂土支护基坑的影响,采用以三维Richards方程作为饱和-非饱和渗流的控制方程^[24],表达式为

(4)$\begin{array}{l}\frac{\partial }{\partial \mathit{x}}\left[{\mathit{K}}_{\mathit{x}}\left(\mathit{h}\right)\frac{\partial \mathit{\varphi }}{\partial \mathit{x}}\right]+\frac{\partial }{\partial \mathit{y}}\left[{\mathit{K}}_{\mathit{y}}\left(\mathit{h}\right)\frac{\partial \mathit{\varphi }}{\partial \mathit{y}}\right]+\\ \mathit{　}\mathit{　}\frac{\partial }{\partial \mathit{z}}\left[{\mathit{K}}_{\mathit{z}}\left(\mathit{h}\right)\left(\frac{\partial \mathit{\varphi }}{\partial \mathit{z}}\right)\right]=\mathit{C}\left(\mathit{\theta }\right)\frac{\partial \mathit{\varphi }}{\partial \mathit{t}}\end{array}$

式(4)中:$\mathit{\varphi }$为总水头,$\mathit{\varphi }=\mathit{z}+\mathit{h}$,z为位置势,h为基质势,m;K_x(h)、K_y(h)、K_z(h)分别为x、y和z方向的渗透系数,m/s;C(θ)=$\partial \mathit{\theta }/\partial \mathit{h}$为容水度函数,m^-1,由土壤水分特征曲线(θ-h曲线)确定;t为时间,s。

基于有限体积法(finite volume method,FVM)与离散元法(discrete element method,DEM)的耦合框架,建立了三维饱和-非饱和渗流数值模型。式(4)中的Richards方程可以视为由体积含水率θ与总水头$\mathit{\varphi }$为控制变量的方程,求解需要进一步结合土体的水土特征曲线(soil-water characteristic curve,SWCC)建立θ与$\mathit{\varphi }$之间的关系。为此,水土特征曲线及渗透系数由Van Genuchten-Mualem模型^[25]确定,并在数值求解过程中根据式(5)与式(6)进行模型计算,模拟过程中所用的相关参数如表2所示。

(5)$\mathit{\theta }\left(\mathit{\varphi }\right)=\left\{\begin{array}{ll}{\mathit{\theta }}_{\mathrm{r}}+\frac{{\mathit{\theta }}_{\mathrm{s}}-{\mathit{\theta }}_{\mathrm{r}}}{[1+{\left(\mathit{\alpha }\left|\mathit{\varphi }\right|\right)}^{\mathit{n}}{]}^{\mathit{m}}},& \mathit{h}<0\\ {\mathit{\theta }}_{\mathrm{s}},& \mathit{h}\ge 0\end{array}\right.$

(6)$\mathit{K}\left(\mathit{\varphi }\right)=\left\{\begin{array}{ll}{\mathit{K}}_{\mathrm{s}}\frac{\{1-{\left(\mathit{\alpha }\left|\mathit{\varphi }\right|\right)}^{\mathit{n}-1}[1+{\left(\mathit{\alpha }\left|\mathit{\varphi }\right|\right)}^{\mathit{n}}{]}^{-\mathit{m}}{\}}^{2}}{[1+{\left(\mathit{\alpha }\left|\mathit{\varphi }\right|\right)}^{\mathit{n}}{]}^{\mathit{m}/2}},& \mathit{h}<0\\ {\mathit{K}}_{\mathrm{s}},& \mathit{h}\ge 0\end{array}\right.$

式中:θ_s与θ_r为饱和和残余体积含水率;α、n、m为曲线拟合参数;K_s为饱和渗透系数。

3.1.2 DEM模型建立及流体网格划分

基于室内试验模型,建立相同尺寸的三维颗粒模型,三维模型可以更好地表示基坑滑移的动态过程,但它也涉及更高的计算负担。为此,采用粒径放大法^[26],最终生成108 058个Ball单元土体颗粒,桩锚及面层采用Rblock单元来进行模拟,最终数值模型如图11所示。

采用Gmesh生成了非结构化流体计算网格。全局基础尺寸设置为0.1 m,并在坡顶区域与桩土交界处分别进行了局部加密,尺寸分别为 0.027 m 与 0.023 m,以精确捕捉这些关键区域的渗流梯度和相互作用。最终模型共生成约1 380个不规则五面体网格单元。最后通过自编程序实现离散元软件中的流体网格建立及流体边界条件的设定,如图12所示。

3.2 细观参数标定

为建立土体的细观和宏观力学性质之间的联系,基于表1所获得的室内直剪试验结果建立了离散元数值直剪试验,采用试错法,通过不断调整土体间细观参数使数值试验结果与室内试验结果的抗剪强度相吻合。土体间采用线性滚动阻力黏结模型。得到不同工况下的土体抗剪强度结果如图13所示,数值结果与表1试验结果最大误差在2%以内,表明各工况下的土体细观间接触能够有效地反映土体的宏观力学行为,细观参数取值如表3所示。在降雨过程中,采用线性插值法,建立土体细观参数与含水率间的变化关系。

3.3 基坑位移及滑移损失率分析

图14为位移矢量的时变图,可知模拟的结果在位移的大小、方向以及破坏的形态上与试验结果具有高度的契合性。滑体为空间的楔形体,滑体区域随降雨时间的增加而增大,楔形滑体与水平之间的角度同样呈现先减小后增大的趋势。在桩土的协调变形作用下,整体表现为渐进式的破坏过程。

根据摩尔-库仑摩擦定律,当切向力大于摩擦力时,接触间会产生滑动。因此,为表征基坑整体的滑移程度,可以引入滑移损失率指标来量化基坑的滑移程度,定义滑移损失率S为滑移颗粒数目N_c^s与总颗粒数目N_c的比值,表达式为

(7)$\mathit{S}=\frac{{\mathit{N}}_{\mathrm{c}}^{\mathrm{s}}}{{\mathit{N}}_{\mathrm{c}}}$

由图15可知,30~60 min的第二阶段是基坑滑移的主要阶段,滑移损失率从1%快速增加至17.65%,并在120 min时增大至22.3%。这一现象与土体宏观变形特征存在显著关联性,土体水力条件的改变导致土颗粒间的抗剪强度显著衰减,这种剪切强度的劣化过程诱发土颗粒间产生相对滑动位移,最终表现为基坑整体滑移变形的快速发展。

3.4 力链特性分析

定义颗粒的绝对大主应力值大于颗粒平均绝对大主应力值的颗粒为高应力颗粒,高应力颗粒间的力传递形成的链状结构被称为强力链^[27],而由3个及以上的高应力颗粒所组成的强力链是基坑当中的主要受力骨架,组成力链的首尾颗粒的中心连接的直线方向为力链方向。

初始状态(降雨前):图16与图17数据显示,短长度强力链(3或4个力链)在数量上占据主导地位,同时力链角度分布高度集中于85°~115°,且在95°(接近竖直方向)出现显著峰值。这表明初始状态下基坑的细观力传递骨架不仅结构完整、分布均匀,且力链方向以近竖直向为主,符合稳定土体的典型受力特征。

降雨入渗前期(0~120 min):随着降雨持续,各类长度强力链的数量整体呈现先显著减少、之后缓慢回升的趋势。与之同时,力链角度分布概率的峰值(95°附近)也表现出先明显减小、随后逐渐增大的变化规律。这些同步演变的特征清晰地反映了降雨前期基坑滑移失稳的发展机制:强力链网络的整体断裂与弱化(数量减少),尤其是近竖直方向主承载链的破坏(95°峰值降低),直接导致骨架的整体承载能力急剧下降,从而引发土体结构的重组和宏观滑移的发生。在60 min发生显著宏观滑移后,土体颗粒重新调整排列,强力链网络开始重新交织并逐步形成一个新的、与滑移后形态相适应的细观骨架结构。

3.5 细观组构演化分析

为量化土体颗粒细观特性对其宏观力学响应的影响,采用Rothenburg等^[28]的傅里叶级数函数式(8)对法向接触力组构和切向接触力组构进行了拟合分析。

(8)$\left\{\begin{array}{l}{\mathit{f}}_{\mathrm{n}}\left(\mathit{\theta }\right)={\mathit{f}}_{0}\{1+{\mathit{a}}_{\mathrm{n}}\mathit{c}\mathit{o}\mathit{s}[2(\mathit{\theta }-{\mathit{\theta }}_{\mathrm{n}})]\\ {\mathit{f}}_{\mathrm{t}}\left(\mathit{\theta }\right)=-{\mathit{f}}_{0}{\mathit{a}}_{\mathrm{t}}\mathit{s}\mathit{i}\mathit{n}\left[2\right(\mathit{\theta }-{\mathit{\theta }}_{\mathrm{t}}\left)\right]\end{array}\right.$

式(8)中:θ为颗粒间接触法向的角度;f₀为所有颗粒间法向接触力平均值;θ_n、θ_t分别为颗粒间法向接触力和切向接触力各向异性分布主方向的角度;a_n、a_t分别为法向接触力和切向接触力分布的各向异性系数。

图18展示了基坑降雨入渗过程中不同时刻的接触力各向异性组构演变特征。分析结果表明:在基坑由稳定状态向滑动失稳发展的过程(0~60 min)中,法向接触力的主轴方向f_n(θ)由初始的90.18°(接近竖直方向)逐渐减小(即向水平方向偏离)至88.12°,同时法向接触力各向异性a_n系数增大至0.63,而切向接触力各向异性系数a_t则减小至 0.12,主轴方向偏离竖直方向的变化以及各向异性系数的显著变化,清晰地反映了降雨入渗作用下颗粒体系内部接触力网络由稳定分布向剪切滑移带形成的转变过程,是基坑从稳定状态向滑动失稳发展的动态响应过程。在60~120 min的降雨后期过程,法向接触力主轴向90°偏回,且法向接触力的各向异性系数减小,但基坑最终的法向接触力与切向接触力相比于初始状态仍然具有一定的差值,这种差异源于滑动面持续发展和桩土结构体系重塑所形成的新平衡状态,反映了基坑宏观形态的实质性改变。上述细观力学特性的演变过程,正是基坑宏观力学行为由稳定、经滑移失稳、最终趋于新平衡这一动态演化过程的直接体现。

4 结论

基于室内降雨模型试验与CFD-DEM耦合数值模拟,对桩锚支护基坑在降雨入渗条件下的响应机制进行了分析,主要结论如下。

(1)复合地层基坑在降雨入渗作用下发生渐进性破坏,形成楔形滑体并持续扩展。滑裂面最终贯穿下伏地层,导致基坑整体滑移失稳。

(2)随降雨历时增加,基坑土体裂缝率与裂缝长度密度分别增大至8.3%和9.2%,而裂缝宽度呈现先增大后减小的特征。

(3)土体滑移损失率随降雨历时持续增大至22.3%。同时,强力链数量及其力链角度分布概率分布峰值总体呈现先减小后增大的变化规律。

(4)降雨过程中,法向与切向接触力主轴与90°间的夹角大小及法向接触力各向异性系数均呈现先增大后减小的趋势;而切向接触力各向异性系数则呈先减后增趋势。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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基金资助

国家自然科学基金(52378355)

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2025-07-22	2026-09-08	2026-01-09
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2026-09-18

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