FLAC3D基于強度折減法在深基坑開挖邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用

王中達，孟慶輝，李建博

（1.青島市勘察測繪研究院，山東 青島 266032；2.青島巖土工程技術(shù)研究中心，山東 青島 266032）

1 地質(zhì)巖體分析

在建某長江大橋重力式錨碇基坑位于長江北岸的丘陵坡地上，開挖形成的基坑邊坡坡度為1∶0.75～1∶0.3，場地地質(zhì)條件復(fù)雜多變，上覆10.9m～25.2m的黏土、卵石土、細砂等第四系松散土層，下伏J3p粉砂質(zhì)泥巖。北側(cè)邊坡第四系下部，與基巖交界處局部分布飽和細砂層，第四系土層開挖后，基坑邊坡易沿基覆界面的軟弱細砂層發(fā)生滑塌。因此本次以最危險的北側(cè)基坑高邊坡為研究對象，取第四系開挖后工況進行分析，圖1為典型斷面。本文擬采用FLAC3D基于強度折減法對基坑邊坡穩(wěn)定性做出評價。

圖1 基坑邊坡典型斷面圖單位：m

FLAC3D是近年在巖土領(lǐng)域應(yīng)用較廣泛的顯式有限差分數(shù)值程序[1，2]，該軟件采用強度折減法求取邊坡的安全系數(shù)用于評價邊坡的穩(wěn)定性，能對邊坡穩(wěn)定安全度進行定量分析，并能通過各種變量詳細了解開挖后坡體內(nèi)力的變化，較直接的得到邊坡穩(wěn)定的情況。

2 巖體邊坡的穩(wěn)定性

本文通過FLAC3D重點分析研究北側(cè)邊坡第四系挖除后形成第1和第2級土層邊坡的穩(wěn)定性[3]。土坡開挖后，基于強度折減法所求安全系數(shù)大于規(guī)定值，邊坡整體仍暫時處于平衡狀態(tài)。圖2是剪切應(yīng)變圖，開挖后剪切應(yīng)變值在細砂層位置是最大的。圖3為開挖后邊坡橫向位移圖，開挖后邊坡由于卸荷作用，其水平向位移從坡面向坡體內(nèi)發(fā)展傳遞，最大位移值位于坡腳處，其值為2.6cm，也就是土巖交界處的飽和粉細砂層區(qū)域。基坑開挖后坡腳處土層本身為軟弱飽和砂層，邊坡坡腳是受力薄弱點，尤其土方超挖不及時支護容易發(fā)生基坑垮塌事故，基坑設(shè)計及施工都應(yīng)該予以加強和重視。

從圖4可以看出發(fā)生剪切屈服的計算單元主要分布在從坡腳飽和細砂層向上發(fā)展的兩條集中帶，其中向坡體內(nèi)部發(fā)展的下部那條幾乎貫通，坡頂紅色單元為發(fā)生張拉變形破壞的區(qū)域，另外上部一條塑性帶是從坡腳沿坡面發(fā)展，且并未貫通至坡頂。從該圖可以看出該軟件可以比較直觀的根據(jù)屈服單元的分布范圍及走向位置判定邊坡的潛在滑移面，所以，在支護設(shè)計時尤其確定錨桿長度時應(yīng)重點考慮這兩處可能發(fā)生滑動破壞的位置。圖5為邊坡處于極限平衡狀態(tài)時的剪切應(yīng)變情況，從第2級邊坡底部飽和砂層處是基坑的薄弱位置，從該位置沿基巖面易形成圓弧形滑面。

圖2 開挖后邊坡剪切應(yīng)變增量云圖

圖3 開挖后邊坡水平方向位移云圖

圖4 開挖后坡體塑性區(qū)分布圖

圖5 極限狀態(tài)坡體剪切應(yīng)變增量云圖

運用強度折減法FLAC3D最終計算坡體安全穩(wěn)定系數(shù)為1.1，坡體暫時達到平衡狀態(tài)，但由于本文未考慮實際施工過程中影響邊坡穩(wěn)定的降雨、爆破振動等不利因素，因此安全度不足，開挖后坡體是趨于不穩(wěn)定的，應(yīng)及時支護，防止超挖。根據(jù)該基坑實際施工時的跟蹤調(diào)查，基坑開挖至第4級邊坡時，基巖采用爆破開挖，第2級坡腳飽和細砂層發(fā)生局部坍塌，與連續(xù)降雨砂層含水量高及持續(xù)爆破振動效應(yīng)有關(guān)，另外框架梁未及時澆筑，錨桿對于坡面土體變形的控制作用無法發(fā)揮。圖5為邊坡處于極限平衡狀態(tài)時的剪切應(yīng)變情況，從第2級邊坡底部飽和砂層處是基坑的薄弱位置，從該位置沿基巖面易形成圓弧形滑面。

3 結(jié)語

本文采用FLAC3D軟件以北側(cè)第四系土層開挖邊坡為計算模型，得到以下結(jié)論：基坑北側(cè)邊坡分兩級開挖第四系至基巖后未支護狀態(tài)下的天然土坡暫時處于穩(wěn)定狀態(tài)（且未考慮其他不利因素），但土巖交界處（飽和細砂層分布區(qū)域）第2級坡腳處水平位移較大，在基坑支護設(shè)計時應(yīng)格外重視從細砂層向上發(fā)育的兩條潛在滑面。