滑坡地帶深基坑開挖有限元數值分析——以重慶萬州萬達廣場工程為例

張繼川，石立國，張茅

（中國建筑第二工程局有限公司西南分公司，重慶 400021）

0 引言

深基坑開挖不僅要保證基坑本身的安全與穩定，而且還要有效地控制由于基坑施工引起的變形及其對周圍環境的影響，研究深基坑開挖變形規律及其控制技術，對于深基坑的設計施工具有重要的指導意義[1-2]。

西部山區土地資源貧乏，人們為了合理地利用土地資源經常在邊坡上修筑各類建筑物與構筑物。在斜坡體上開挖深基坑的力學原理較為復雜，在設計計算過程中不但需要考慮基坑自身的穩定問題，還需要考慮基坑開挖對滑坡體的影響，對于滑坡地帶的深基坑開挖技術在國內外研究資料較少[3]。

目前對深基坑穩定性計算常常采用極限平衡法與有限元法[4]。極限平衡法計算簡單，但不能計算基坑的位移，不能考慮施工的整個過程，因此常常用于簡單基坑的計算。近年來，考慮支護結構和土體共同作用的二維、三維有限元分析[5]也被廣泛采用。陸新征[6]考慮支護結構和土體之間的相互作用，對基坑進行了施工全過程的三維有限元彈塑性分析和模擬。沈磊[7]總結模擬施工開挖全過程的三維有限元分析模型，分析總結了長峰商城超大深基坑逆作法施工地下連續墻水平變形和基坑周邊地表土體沉降特征。

本文以重慶市萬州區和平廣場滑坡地帶深基坑開挖工程為例，結合有限元數值模擬方法，采用ABAQUS有限元軟件，研究了滑坡地帶深基坑開挖變形控制理論及其加固方法。計算結果表明:抗滑樁及抗滑鍵加固可以有效地減弱上部結構的沉降及滑動效應，能減小基坑開挖對整體結構土層以及支護樁產生的內力變化效應，也能減少抗滑樁產生的內力及位移變化效應。

1 滑坡地帶深基坑開挖數值模擬

1.1 問題描述

重慶萬州萬達廣場工程位于重慶市萬州區和平廣場滑坡堆積體內的南部，地處長江左岸與其一級支流苧溪河交匯處，為長江三峽工程庫區重點勘察防治的“四大滑坡”之一，屬三峽庫區列入規劃必須治理的地質災害體。

擬建場地位于重慶市萬州區和平廣場馮家院片區，處于重慶市萬州區和平廣場滑坡堆積體內的南部（見圖1）。和平廣場堆積體是以崩滑堆積為主，坡積、河流沖積為輔混合形成的。堆積體呈橫長型，前緣高程108～147m，后緣高程210～215m，橫長2.5km，面積105萬m2，總體積1950萬m3。 該滑坡體上建筑物密集，荷載較大。本文利用ABAQUS數值分析軟件，研究了滑坡地帶深基坑開挖的力學響應，分析了滑坡體上深基坑開挖對坡面建筑物的影響及其加固措施，從而提出基于變形可控的滑坡地帶深基坑開挖及其治理方法。

圖1 基坑施工總體規劃圖

1.2 變形體物質組成差異

根據地質勘查，變形體物質組成差異如下:

上部人工填土厚度0.8～4.10m；下部粉質粘土為崩坡積土滑坡堆積層，塊、碎石含量較高，其厚度2.46～27.20m；基巖為砂質泥巖、砂泥巖互層。

1.3 模型材料參數

實體部件包括基巖、土體、擋墻和混凝土支護樁及抗滑樁。其中基巖、混凝土擋墻，混凝土支護樁和抗滑樁定義為彈性材料；土體不僅考慮其彈性形變，還需考慮土體本身的內摩擦角及粘聚力，故同時考慮彈性及摩爾—庫侖模型。

基巖:密度2200kg/m3，楊氏彈性模量E=200MPa，泊松比0.25。

混凝土材料:密度2400kg/m3，楊氏彈性模量E=300MPa，泊松比0.2。

土體:密度1950kg/m3，楊氏彈性模量E=20MPa，泊松比0.25。 粘聚力c=20kPa，內摩擦角20°。

1.4 有限元模型

依據地形地貌圖，采取典型剖面，借助ABAQUS有限元軟件，建立有限元模型，其中:土體、基巖和擋土墻、樁部件均采用Hex-Structure的網格劃分，單元類型采用C3D8I（8節點六面體線性非協調模式單元），線性非協調模式單元只在中心存在一個積分點，通過外插值和平均后得到節點應力。

1.5 邊界和荷載條件

1.5.1 接觸邊界條件

(1)位移約束條件:分別約束土體、基巖在縱橫斷面的縱向位移U1和橫向位移U3，約束基巖底面的三個方向位移U1、U2、U3。

(2)接觸邊界條件:巖石和土層之間施加接觸邊界條件，并采用罰函數接觸算法計算巖石與土層之間的相互作用。

1.5.2 荷載條件

(1)重力荷載:對整個模型結構施加重力，重力加速度為9.8m/s2。

(2)坡面附加荷載:采用均布荷載對坡面建筑物進行模擬，其荷載大小為200kN/m2。

1.6 計算工況

在開挖過程中采用分層、放坡開挖，開挖深度為20m，分為8層，每層開挖深度為2.5m，在開挖到10m時，在距支護樁8m的位置采用1:1的放坡開挖，如圖2。

圖2 滑坡帶深基坑開挖示意圖

在計算中，分別采用基坑支護樁加固；基坑支護樁+雙排抗滑樁加固；基坑支護樁+雙排抗滑樁+雙排抗滑鍵加固的方式分別進行計算，從而通過比較給出最優加固方式。

2 計算結果分析

2.1 Mises內力對比分析

平衡地應力后，開挖所造成的整體結構內力變化云圖如圖3所示。可知，開挖所造成的結構內力變化主要發生在上緣已建成的建筑物作用外荷載的區域內，尤其是最上部階梯狀土層范圍內。

圖3 支護樁工況基坑開挖滑坡體Mises內力云圖

圖4給出抗滑樁支護基坑開挖滑坡體Mises內力云圖可知，開挖所造成的結構內力變化主要發生在上緣已建成的建筑物作用外荷載的區域內，當采用抗滑樁支護時，抗滑樁可以有效地加固樁后滑坡體，相比于沒有抗滑樁加固的情況，整體結構內力變化值略微減小。

圖4 支護樁+抗滑樁工況基坑開挖滑坡體Mises內力云圖

由圖5可以看出，打入埋入式抗滑鍵以后，上部已建成建筑物所在處土體產生的內力變化相對于前面兩種情況有所減小，而抗滑鍵與基巖接觸部分會產生一定的應力集中效應。由此可知，抗滑鍵對整體結構的滑動起到了一定的抵抗作用。

圖5 支護樁+抗滑樁+抗滑鍵工況基坑開挖滑坡體Mises內力云圖

2.2 位移對比分析

圖6給出了3種工況下的支護樁頂水平位移與開挖深度的關系曲線，可以看出:隨著開挖深度的增加，支護樁頂水平位移逐漸增大，當開挖深度達到放坡開挖深度時（10m），支護樁頂水平位移增加緩慢，逐漸趨于平穩；三種工況下支護樁頂水平位移數量級發生改變，即支護樁加固工況支護樁頂水平位移為23cm，支護樁+抗滑樁工況支護樁頂水平位移為25mm，支護樁+抗滑樁+抗滑鍵工況支護樁頂水平位移為4mm。這說明經過抗滑樁和抗滑樁+抗滑鍵組合結構的加固，能有效控制支護樁頂水平位移。

圖6 三種工況下支護樁頂水平位移關系曲線

圖7給出了2種工況下的抗滑樁頂水平位移與開挖深度的關系曲線，可以看出:采用抗滑樁+抗滑鍵加固可以有效的減小抗滑樁頂水平位移，且2號樁頂位移大于1號樁頂位移。

圖7 抗滑樁頂水平位移關系曲線

圖8給出了3種工況下的坡面水平位移與距基坑距離的關系曲線，可以看出:隨著距基坑距離的增大，坡面水平位移逐漸減小，且經過抗滑樁和抗滑樁+抗滑鍵組合結構的加固，能有效控制基坑開挖時上坡面建構筑物的水平位移。抗滑樁+抗滑鍵組合結構的控制效果最優。

圖8 三種工況下距基坑距離-坡面水平位移關系曲線

3 結論

萬州萬達廣場深基坑開挖過程對上部已建成建筑物會產生一定的影響，為減弱上部結構的沉降及滑動效應，相應的進行了抗滑樁及抗滑鍵加固。

通過分析我們發現，對于整體結構內應力的變化主要集中在上部已建成建筑物所在點下部的土層內，由于該區域上部直接受到了外荷載作用，所以開挖產生的影響在該區域相對明顯。

土層產生的位移以沿著坡面的滑動為主，產生的沉降效應相對是次要的。滑動面呈滑弧狀，在距離開挖區50m范圍以內尤為明顯，而上層已建成建筑物的區域受到開挖產生的位移影響相對較小。

經過抗滑樁和抗滑樁+抗滑鍵組合結構的加固，能有效控制基坑開挖時上坡面建、構筑物的水平位移。抗滑樁+抗滑鍵組合結構的控制效果最優。

[1]Nagaraj T s，M K， Sridharan A.incremental loading device for stress path and strength testing of soils[J].Geoteehnieal Testing Joumal， 1981， 4(2)，:110-118.

[2]Balasubramaniam A S，Chaudhry A R.Deformation and streng the haraeteristies of soft Bangkok clay[J].Joumal of the Geoteehnieal Engineering Division， 1978，104(9):1153-1167.

[3]石立國，張茅，余德浩，等. 重慶萬州萬達項目滑坡地帶基坑開挖土體變形控制技術研究 [J].重慶建筑，2012(12):4-6.

[4]楊光華.深基坑支護結構的實用計算方法及其應用[M].地質出版社，2004.

[5]孫鈞，汪炳監.地下結構有限元法分析[M].上海:同濟大學出版社，1988.

[6]陸新征，宋二祥，吉林，等. 某特深基坑考慮支護結構與土體共同作用的三維有限元分析 [J].巖土工程學報，2003，25(4):488-491.

[7]沈磊，陸余年，岳建勇.超大深基坑變形特征的數值模擬及其實測分析 [J].地下空間與工程學報，2005，1(4):538-542.