某基坑邊坡失穩原因分析及支護設計

戴 文 龍

(常州市軌道交通發展有限公司，江蘇 常州 213000)

隨著城市建設速度的加快，基坑支護工程日益增多，建設規模也越來越大，所遇到的工程問題和涉及的方面日益廣泛。近年來，由于各種復雜的原因，我國基坑工程事故發生率較高，其中大多數為深基坑工程事故，在高地下水軟土地區更為嚴重。基坑工程事故給人民生命財產造成很大損失，而且會危及到周圍的建筑物、地下管線道路等的安全，產生惡劣的社會影響。這就對深基坑開挖與支護提出了更高、更嚴格的要求；同時基坑工程的區域性、不確定性、個體差異性及復雜性、時空性等特點[1]，導致了基坑設計施工的模糊性和不確定性。

深基坑工程是一項臨時性工程，過于考慮安全問題會導致投資過多而造成浪費，相反，過于強調經濟效益又可能導致基坑失穩破壞，在這兩方面已有不少的教訓[2]。因此，正確、合理地選擇深基坑的支護形式與結構是確保深基礎安全、快速、優質和經濟施工的關鍵，對已失穩基坑進行加固設計更應慎重。本文從一典型的泵站基坑邊坡開挖失穩實例入手，結合PLAXIS 2D有限元軟件Phi-c折減法分析其失穩原因，提出了失穩邊坡開挖支護設計方案，以供巖土工程設計人員參考。

1 基坑邊坡開挖失穩分析

1.1 工程概況

某污水提升泵站場地總體屬崗地前緣～坳溝地貌單元。原基坑開挖設計采用放坡法。現場挖土機開挖的棄土直接堆在東側和南側坑頂，坡面采用塑料薄膜局部簡易護面。開挖至設計標高后基坑南側出現較大面積滑塌，并伴有流砂現象。后緊急回填并卸去坑頂堆土，從而使基坑暫時穩定。失穩回填后的基坑上口長寬約60 m×55 m，下口長寬約25 m×30 m，坑深約6 m。現西南側高壓線塔塔基距坑頂邊僅10 m左右，如需繼續施工，必須采取有效的支護和開挖方案。場地土的物理性質指標如表1所示。

表1 土的物理性質指標

1.2 邊坡失穩原因分析

PLAXIS是一個專門用于巖土工程變形和穩定性分析的有限元計算程序。通過簡單的輸入過程可以生成復雜的有限元模型，而強大的輸出功能可以提供詳盡的計算結果。本文采用PLAXIS的Phi-c折減法對失穩南側邊坡進行安全性分析，分析其失穩原因。

1.2.1PLAXIS 2D有限元計算參數選取

巖土層物理力學參數按表2選取。模型邊界條件：左、右兩側固定水平位移，底部邊界固定水平和豎直位移；左、右側兩側及底部為滲流邊界和固結邊界。建模如圖1所示。具體開挖步驟：1)開挖第一層；2)開挖第二層；3)降水至該層層底，開挖第三層；4)降水至該層層底，開挖第四層；5)降水至該層層底，開挖第五層。計算分析時考慮坑頂有無堆土兩種情況。

表2 土層物理參數表

1.2.2有限元計算結果分析

1)考慮坑頂無堆土的情況。

開挖至坑底后的總位移如圖2所示。分析可以得出：隨著基坑的開挖，坑底位移逐漸增大，而且坡腳首先出現塑性區；由于卸荷回彈，坑底出現隆起現象；邊坡可能出現圓弧滑動，而且將先從坑底滑出，這與現場情況是一致的；對第五步進行Phi/c分析，得出:Fs=1.058，可見原設計偏不安全，而且這是在坡頂沒有堆土的情況下，實際情況或多或少是有堆載的。

2)考慮坑頂5 m范圍內有2 m高棄土堆土的情況。

考慮坑頂堆土時邊坡發生失穩時的總位移如圖3所示。為模擬現場堆土情況，假設坑頂堆載呈三角形分布，分析計算結果可得出：計算至第二步時，土體發生破壞，土體從坡底滑出；土體滑動面呈圓弧狀，與常見滑動面形狀相符；從云圖中可以看出，坡腳最易失穩，這與現場情況是一致的。

對比情況1)和2)可以發現：坑頂堆土對邊坡穩定性影響很大。進一步計算研究可以發現，坑頂堆載越大，邊坡越早失穩，且塑性區范圍越大，并有失穩滑動面上移趨勢，所以坑頂要盡量避免棄土堆載，如不可避免，需進行穩定性驗算分析。

1.2.3失穩原因綜合分析

1)地基巖土層綜合評價。

勘探查明，場地淺部分布的①層素填土為近幾個月內人工堆填而成，物質組成較繁雜，未固結，強度低，工程地質性質差；②層為全新世沉積土體，土體強度低，工程地質性質差；③層為晚更新世沉積土層，土體強度屬中等～較高，工程地質性質較好；深部④層基巖為白堊系浦口組砂質泥巖，其中中等風化巖具一定強度，屬低強度巖石地基。

基坑開挖過程中，有流砂現象出現，這主要與②層土相對軟弱、粉粒含量較高、連續降雨等因素有關。基坑開挖至設計標高一段時即發生失穩事故，這是流砂和塑性變形持續發展綜合的結果。

2)巖土層開挖特性分析。

失穩回填基坑周邊重要建(構)筑物主要為高壓輸電塔及架空管道，其中架空管道緊鄰取土坑邊緣。按泵房設計底板標高現狀基坑仍需開挖4.5 m左右，主要涉及到①層及②層土體，均對坑壁穩定較為不利，其中①層填土物質組成總體較為繁雜，密實度差，極易滲水和坍塌；②層含水率較大，抗剪強度低，土體不均勻，多夾粉土，易受擾動，在地下水作用下易產生流土等現象，造成坑壁失穩[3]。

3)放坡坡率分析。

表3 土質邊坡坡度

DGJ32/J 12—2005南京地區建筑地基基礎設計規范中規定：當場地為一般黏性土或粉土且場地開闊，環境條件允許，經設計驗算滿足邊坡穩定性要求時，可采用局部或全深度的基坑放坡開挖方法。放坡坡度應根據穩定性驗算確定，初步設計時可按表3確定[4]。由此可見，原放坡開挖施工方案偏于不安全。

2 開挖支護設計

2.1 支護設計方案

基坑工程方案總體設計中的一個重要內容，就是根據相關規范標準，確定合理、便捷、安全經濟的基坑開挖方法，并在此基礎上作出圍護結構、支撐體系、地基加固和開挖施工等配套設計[5]。同時，支護結構的選型應考慮結構的空間效應和受力特點，采用有利支護結構材料受力性狀的形式，可根據基坑周邊環境、開挖深度、工程地質與水文地質、施工作業設備、施工季節及基坑側壁等級等條件選用合適的圍護體系。選用原則是安全、經濟、方便施工[6]。當然，如果場地地質條件許可，放坡開挖是最經濟的一種基坑施工方式。

考慮上述基坑支護方案選型方法和原則的同時，需結合以下實際情況：

1)原基坑邊坡已失穩，周邊土體已被擾動，導致土體強度降低，土壓力變大。故已不能采用原放坡開挖方案；

2)現場②層土為粉質黏土夾粉土，開挖易受擾動，且時逢降雨，坑底粉土滲透性較大，易產生流砂現象；

3)周邊環境較復雜，需確保安全。

綜合考慮地質條件、周邊工程經驗和施工工藝等因素[7]，建議采用排樁支護方案。最終決定采用單排懸臂鉆孔灌注樁+一道水泥土攪拌樁止水帷幕組合結構作為基坑的開挖圍護方案[8]。南坡典型設計剖面見圖4。

2.2 支護方案穩定性驗算

設計采用理正深基坑軟件對支護方案進行整體穩定驗算。計算結果列于表4，從驗算結果可以得出，所采用的支護方案能滿足規范要求。

表4 穩定性驗算結果

3 結論

失穩基坑工程的失穩原因分析和開挖支護設計具有重要意義，且直接影響到地下室基坑支護結構的安全和經濟性。本文從某一泵站基坑工程事故實例入手，結合PLAXIS有限元軟件，通過計算分析可得出如下結論，以供工程技術人員借鑒。

1)深基坑采用放坡開挖要慎重，應充分了解現場的工程地質和水文地質條件，選擇合適的坡率。

2)結合該泵站基坑的現場勘查資料和施工情況，初步分析其失穩原因與②層粉土土性、施工、降雨條件等因素有關。粉土地層在開挖過程中易產生流砂現象；施工過程中坑頂堆放棄土會嚴重影響邊坡的穩定性；降雨增加了土壓力并且降低了土的強度。

3)結合有限元進一步分析，可見施工期間坑頂堆土對邊坡穩定性影響很大，而且從位移云圖中可以看出位移模擬結果與現場塌方情況基本相符。

4)結合該泵站具體工程，經過比較和參考該地區類似工程經驗最終確定采用排樁+深層攪拌樁組合結構作為基坑開挖圍護和止水方案，采用集水明排法作為排水措施。該支護設計方案已取得了良好的效果，可為類似工程提供工程參考依據。