黃土地區基坑開挖對邊坡穩定性的影響分析

梁瀟文 張福龍

(陜西鐵路工程職業技術學院，陜西 渭南 714000)

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黃土地區基坑開挖對邊坡穩定性的影響分析

梁瀟文 張福龍

(陜西鐵路工程職業技術學院，陜西 渭南 714000)

采用大型模型試驗和結構有限元分析軟件ANSYS，分析了某邊坡的穩定性，在模型箱中埋入土壓力盒，測定邊坡開挖前后土體應力的變化情況，并通過殺死單元的方式模擬了基坑開挖過程，得到邊坡開挖前后位移以及應力變化，經實驗和數值模擬比較表明，基坑開挖過程既是卸載的過程同時也破壞了土體原有結構的穩定性。

邊坡，有限元模型，基坑，應力

0 引言

目前邊坡在施工開挖的過程中很容易造成滑坡，特別是對于深挖路塹高邊坡，邊坡開挖對邊坡的穩定性有較大的影響，目前，更多的研究集中在邊坡開挖之后，土體因載荷變化而引起的穩定性問題，研究表明邊坡開挖后土體自身是一個卸載過程，很容易引起滑坡，并已成為影響邊坡穩定性的重要因素之一，本文結合蘭州市城市規劃展覽館基坑開挖工程，通過大型載荷試驗和大型結構有限元軟件ANSYS對邊坡進行分析，在模型箱中埋入土壓力盒，測定邊坡開挖前后土體應力的變化情況，同時通過大型結構有限元軟件ANSYS模擬開挖前后土體應力和位移的變化情況，分析邊坡開挖后土坡的穩定性，研究結果對同類型工程有一定的指導和借鑒意義。

1 工程概況

蘭州市城市規劃展覽館場地位于蘭州市城關區北濱河路南側，東臨蘭州市自然能源研究所，南臨黃河。建設用地總面積約17畝，總建筑面積約15 000 m2。基坑面積約4 900 m2。擬建物地上5層，地下1層，該場地較開闊，南側地面高程在1 513.59 m～1 513.90 m之間，高差0.31 m，場地中部及北側地面高程在1 515.13 m～1 516.13 m之間，高差1.00 m。地貌單元屬黃河北岸河漫灘及Ⅰ級階地交匯部位。據相關方介紹及現場勘查，該基坑南側緊鄰黃河，在河堤人行道下方有一道天然氣管線，埋深約1.5 m，該管線在基坑開挖前將移至本次開挖基坑北側，新管線距基坑上口線約3.3 m，埋深約1.5 m；東側基坑上口線距離馬路約25 m，有一條東西向管線垂直基坑邊線，埋深約1 m，管徑約1 m；北側基坑上口線距離馬路約6.7 m，此外據現場勘查，分別有一條給水管線(埋深約1.7 m，管徑約0.5 m)和一條排水管線(埋深約5 m，管徑約1 m)與坑壁平行，緊靠北側地下車庫；基坑西側場地較簡單，無建筑物，但是上述管線均由東向西穿過，不排除基坑場地內埋有管線的可能。

2 模型試驗

2.1 試驗裝置

根據相似比要求，模型試驗與工程實體應該滿足尺寸相似、荷載相似以及邊界條件相似的原理，本文模型實驗相似比取1∶10，其余條件與實際工程條件保持一致，試驗裝置主要分兩部分介紹，第一部分是模型箱，試驗采用長200 cm寬100 cm高100 cm的自制模型箱,見圖1,第二部分是模型試驗土體，試驗選用的土體為蘭州市城市規劃展覽館場地的原狀粘土，具體模型試驗土體的物理參數見表1。

表1 模型試驗土體的物理力學參數

2.2 模型測試內容說明

模型土壓力測試，當被測結構物內土應力發生變化時，土壓力計感應板同步感受應力的變化，感應板將會產生變形，變形傳遞給振弦轉變成振弦應力的變化，從而改變振弦的振動頻率,土體從上到下分別在0.1 m,0.3 m,0.5 m,0.7 m,0.9 m處埋入土壓力盒，通過導線連接到靜態應變儀上來測試模擬開挖前后各層土壓力的變化值。

2.3 模型試驗結果分析

通過埋入土中的土壓力盒測定水平土壓力值，從圖2數據可以看出開挖前水平應力大致呈線性狀態，土中水平應力呈均勻增大，而開挖后水平方向的應力有所增大，這是因為邊坡開挖后應力釋放的結果，同時從圖3可以看出靠近坡頂的位置應力增加比較明顯，這是應力集中的表現。

3 數值模擬

3.1 有限元模型的建立

結合實例建立平面有限元模型，如圖4所示，模型尺寸：長2.0 m，寬1.0 m，坡度為1∶0.5；邊界條件：上部為自由邊界，左右兩側水平約束，下邊界水平與豎直方向同時約束，土體施加重力荷載。計算采用的物理力學參數見表1。

3.2 施工過程模擬

本次計算主要分析基坑開挖的過程，首先模擬土體在自重下的初始應力，然后再計算開挖后的土體應力，邊坡開挖后所施加的節點力見表2，即將需要開挖的部分單元“殺死”，然后進行迭代計算，通過ANSYS模擬可以很好的分析基坑開挖的過程，單元被殺死后，單元荷載將變為0。

表2 開挖后節點力

3.3 計算結果分析

1)開挖前后土體地層變形分析。由圖5可以看出土體在重力作用下的變形為0.19 mm，而開挖后土體變形為0.85 mm，總變形量反而增大，說明邊坡開挖對于土體是一個卸載的過程，使得土體開挖后變形增大。

2)開挖前后X方向位移變形分析。圖6分別表示土體邊坡開挖前后X方向的位移變化，X方向的位移由自重作用下的0.000 94 mm變為0.13 mm，說明開挖后X方向的位移增大，再次說明邊坡開挖對于邊坡來說是卸載的過程，導致邊坡位移增大。

3)開挖前后X方向應力分析。圖7分別表示土體邊坡開挖前后X方向應力的變化，應力由開挖前的-316.87 MPa變為7 852.22 MPa，直觀的說明了邊坡開挖是應力釋放的過程。

4 結語

根據模型試驗結果和數值模擬計算結果分析比較得到以下結論：

1)基坑開挖后的地層變形值大于開挖前的值，而且X方向的位移值還大于未開挖基坑的值,這說明基坑開挖對于邊坡相當于是一個卸載的過程，開挖后X方向的應力大于開挖前應力也說明了這一點。

2)從邊坡開挖過程仿真分析地層變形和位移結果可以看出：最大變形為0.85 mm,而X方向的最大位移為0.13 mm(開挖后的值)，在初始應力場下的位移為0.000 94 mm,所以最后X方向位移為0.129 mm,說明邊坡橫向位移很小，邊坡不會滑移，是穩定的。

3)從邊坡開挖后的地層變形圖可以看出土體向上聳起，這也是應力釋放的表現。

[1] 曹庭校.北京地鐵十號線某深基坑復合土釘墻支護與機理研究[D].北京:中國地質大學博士學位論文,2008.

[2] 俞 曉.深基坑開挖與支護的模型試驗與ANSYS分析研究[D].武漢：武漢理工大學博士學位論文,2005.

[3] Gassler G,Gudenhus G.Soil nailing-some Aspects of a New Technique.Proc,CSMEF,1981.

[4] G.Gassler,G.Gudehus:Soil Nailing-Some Aspects of New Technique[J].Proceedings of 10th ICS MF,1981,5(6):35.

[5] 李皓月,周川朋,劉相新.ANSYS工程計算應用教程[M].北京：中國鐵道出版社,2002.

[6] 李海深.復合型土釘支護工作性能的研究[D].長沙：湖南大學博士學位論文，2004.

[7] 張明聚.土釘支護工作性能的研究[D].北京:清華大學博士學位論文，2000.

[8] 邱 明.基坑復合土釘支護的三維有限元分析[D].北京:清華大學碩士學位論文,2001.

[9] 李廣信.高等土力學[M].北京：清華大學出版社,2004.

[10] 張旭輝.錨管樁復合土釘支護穩定性研究[D].杭州：浙江大學博士學位論文,2002.

[11] 熊傳祥，黃偉達．某軟土基坑復合土釘支護結構失穩分析與處理[J]．巖土力學，2004，25(2)：460-463.

Analysis on the impact of foundation excavation of loose region upon slope stability

Liang Xiaowen Zhang Fulong

(ShaanxiInstituteofTechnologyofProfessionofRailwayEngineering,Weinan714000，China)

A large scale model test and finite element analysis software ANSYS to analyze the stability of side slope, soil pressure box buried in the model box, the measurement of the change of the slope before and after excavation of soil stress, at the same time by killing the unit to simulate the excavation process. Get the slope before and after excavation displacement and stress change, through experiments and numerical simulation analysis and comparison can be seen in the excavation process is the unloading process also destroys the stability of soil structure.

slope, finite element model, foundation, stress

1009-6825(2017)13-0079-03

2017-02-26

梁瀟文(1986- )，女，助教

TU472

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