基坑邊坡穩(wěn)定性分析及治理研究

賈會法，賈超杰

（1.中鐵五局集團(tuán)建筑工程有限責(zé)任公司，貴州 貴陽 550081；2.貴州金山水工環(huán)巖土工程有限公司，貴州 貴陽 550000）

我國西南地區(qū)海拔高，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地層分布范圍廣，巖溶發(fā)育，巖體結(jié)構(gòu)破碎，風(fēng)化程度大，邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象常有發(fā)生。研究深基坑邊坡在開挖過程中所產(chǎn)生的一系列問題，如變形破壞機(jī)理及規(guī)律、穩(wěn)定性分析、支護(hù)設(shè)計等具有重要意義。李懷珍［1］、徐興良［2］以實際工程為例，運用數(shù)值模擬軟件對各類復(fù)雜邊坡的開挖和支護(hù)進(jìn)行了模擬分析，得到了支護(hù)前后結(jié)構(gòu)的變形和受力數(shù)據(jù)，并驗證了數(shù)值分析的可靠性。目前比較常見的邊坡加固方法主要包括支護(hù)方法和防護(hù)方法兩大類，支護(hù)方法包括錨固技術(shù)、抗滑樁支護(hù)、抗滑擋土墻、灌漿加固、削方減載、錨桿（錨索）框架地梁等，防護(hù)方法包括綠色生態(tài)防護(hù)、工程防護(hù)、綜合防護(hù)、排水措施等［3－4］。經(jīng)過近些年的實踐，在邊坡設(shè)計中，總結(jié)出繞避、排水、支擋、減重、反壓等治理原則和方法。

1 研究區(qū)概況

神奇制藥沙文生產(chǎn)研發(fā)基地5＃綜合樓項目基坑邊線幾何圖形是一個開敞的近似矩形。由于原始地形是西高東低，在西側(cè)、北側(cè)、南側(cè)、東側(cè)四周形成邊坡，其中西側(cè)北側(cè)比較高，東側(cè)南側(cè)比較低，通過排樁、錨索、格構(gòu)等加固治理措施，確?；舆吰碌姆€(wěn)定和安全。本文基于對該基坑邊坡的數(shù)值模擬，分析得到支護(hù)前后各云圖的變化特征，以期為類似邊坡治理工程的研究和評價提供科學(xué)依據(jù)。

研究區(qū)地勢起伏較平緩，屬于溶蝕谷地地貌。區(qū)內(nèi)無較大斷層發(fā)育，地層分布連續(xù)，巖土構(gòu)成自上而下為：雜填土（Qml），第四系殘坡積可塑紅黏土層（Qel＋dl）、三疊系中統(tǒng)松子坎組（T2s）泥質(zhì)白云巖組成?；鶐r有兩組節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖層為薄至中厚層狀，層面風(fēng)化較強(qiáng)，發(fā)育有泥化夾層，結(jié)構(gòu)面類型為軟弱結(jié)構(gòu)面。

2 基坑邊坡穩(wěn)定性評價

2.1 基坑邊坡特征概述

AB段邊坡為總長58 m，坡向90°，高10 m的巖質(zhì)邊坡。BC段邊坡總長40 m，坡向180°，高8～10 m高的巖質(zhì)邊坡。坡體由素填土、泥質(zhì)白云巖組成，邊坡為永久性邊坡。

2.2 定性評價

研究區(qū)有兩組節(jié)理裂隙比較發(fā)育，第一組節(jié)理產(chǎn)狀：150°∠70°，間隔0.7～0.9 m，延伸長度0.4～0.6 m；第二組節(jié)理產(chǎn)狀：60°∠65°，間隔0.5～0.8 m，延伸長度0.7～1.1 m，結(jié)合程度差。將巖體切割成碎裂狀、散體狀，通過對兩組節(jié)理裂隙的赤平極射投影分析，兩組節(jié)理裂隙組合破裂面中有多組組合破裂面與坡面一致或近似一致，形成巖質(zhì)邊坡區(qū)巖體可能沿這些組合破裂面產(chǎn)生滑移、崩塌。

2.3 定量評價

邊坡的穩(wěn)定性評價是依據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB50330—2013）第5.3.1中邊坡穩(wěn)定性評價狀態(tài)進(jìn)行劃分，計算結(jié)果見表1。

表1 邊坡穩(wěn)定性評價匯總表

通過對AB、BC段邊坡計算分析，由于兩段邊坡均為巖土質(zhì)混合邊坡，在現(xiàn)狀條件下，采用最不利圓弧滑動、外傾結(jié)構(gòu)面平面滑動的計算方法，兩段邊坡均處于不穩(wěn)定狀態(tài)，邊坡為永久性邊坡，邊坡使用年限與相鄰建筑物一致，邊坡在長期雨水及風(fēng)化的作用下局部塊石墜落，應(yīng)進(jìn)行支護(hù)。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 模型建立

與以往的差分分析方法相比，F(xiàn)LAC3D 6.00軟件既可以對連續(xù)介質(zhì)進(jìn)行大變形分析，還可以模擬巖體沿某一軟弱面產(chǎn)生的滑動變形。該軟件還能依據(jù)不同的材料特性，利用相應(yīng)的本構(gòu)模型，較為真實地反映材料的動態(tài)行為，常用于分析計算一般巖土體的應(yīng)力和變形情況。

研究區(qū)所建立的模型尺寸為125 m×90 m×45 m（長、寬、高）。從應(yīng)力分布的一般規(guī)律來講，具有擴(kuò)散效應(yīng)，即距離力的作用較淺的土層一般變形也會越明顯，較遠(yuǎn)的土層受力較小，形變也越小。在對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時，基坑附近處網(wǎng)格較密集，模型邊緣較遠(yuǎn)處網(wǎng)格較稀疏。此次計算過程中，模型共產(chǎn)生9 967個Node（單元）節(jié)點，15 545個Grid（網(wǎng)格）單元，2 910個Cable（錨索）單元，840個Beam（梁）單元，280個Pile（樁）單元，開挖分兩級開挖：第一階為開挖土質(zhì)邊坡，深度為0～5 m；第二階為開挖巖質(zhì)邊坡，深度為5～11 m，支護(hù)系統(tǒng)總覽模型圖如圖1所示。

圖1 基坑支護(hù)系統(tǒng)總覽模型圖

3.2 基坑位移計算及應(yīng)力分析

基坑的開挖會引起周圍土體的應(yīng)力擾動，應(yīng)力狀態(tài)分布發(fā)生變化。邊坡失穩(wěn)原因為破壞其原巖應(yīng)力，F(xiàn)LAC3D 6.00可形象地模擬出基坑內(nèi)部應(yīng)力的變化。支護(hù)效應(yīng)產(chǎn)生的原因在于支護(hù)力在主動作用下坡體內(nèi)應(yīng)力的重新分布。由圖2可知，經(jīng)過支護(hù)加固后，AB、BC段邊坡由于錨索的抗拉拔作用使得支護(hù)結(jié)構(gòu)附近土體基本處于受拉狀態(tài)，且其他部位也沒有出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中或突變現(xiàn)象，由此可見，支護(hù)結(jié)構(gòu)起到了抗滑加固的穩(wěn)定作用，邊坡經(jīng)支護(hù)加固后處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖2 基坑邊坡總覽位移云圖

3.3 塑性區(qū)分析

塑性區(qū)分布狀況是反映基坑邊坡穩(wěn)定性最直觀的特征指標(biāo)。模型單元在塑性狀態(tài)下可體現(xiàn)出拉伸破壞狀態(tài)或剪切破壞狀態(tài)，可通過分析塑性區(qū)來評價邊坡穩(wěn)定性。支護(hù)前，AB段邊坡的剪切破壞對邊坡穩(wěn)定性影響最大；支護(hù)后，剪切破壞單元區(qū)域明顯減小，塑性區(qū)位于坡腳位置，整個塑性區(qū)沒有貫通，支護(hù)結(jié)構(gòu)起到了加固穩(wěn)定作用。BC段邊坡經(jīng)過支護(hù)后，塑性區(qū)位于土質(zhì)邊坡段，支護(hù)結(jié)構(gòu)起到抗滑加固的作用。由圖3可看出，支護(hù)結(jié)構(gòu)在限制基坑變形的作用上發(fā)揮了重要作用，支護(hù)效果顯著，達(dá)到了預(yù)期效果。

圖3 基坑邊坡總覽塑性區(qū)云圖

3.4 不平衡曲線分析

在數(shù)值分析中，最大不平衡力不可能為零，但是只要最大不平衡力與作用在體系上的外力相比小到可以忽略不計時，我們便認(rèn)為體系達(dá)到了平衡狀態(tài)。通過多次運算支護(hù)前不平衡力曲線，其計算結(jié)果不為0，則表明模擬的基坑邊坡會產(chǎn)生坍塌或塑性變形。由圖4所示，支護(hù)后的不平衡曲線收斂，運算結(jié)果趨近于0，表明經(jīng)支護(hù)加固后，邊坡達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4 支護(hù)后不平衡力曲線

4 結(jié)論

（1）通過FLAC3D 6.00軟件對深基坑邊坡建立模型，對開挖過程進(jìn)行數(shù)值模擬，通過支護(hù)前后對位移、應(yīng)力、塑性區(qū)及不平衡曲線進(jìn)行了分析。

（2）從不同的云圖可以明顯看出，在施加支護(hù)結(jié)構(gòu)后，基坑位移變形量都有明顯的減小，有效地限制了結(jié)構(gòu)的變形，其變形基本符合深基坑的變形規(guī)律。

（3）計算結(jié)果表明，軟件模擬值和分析的變形發(fā)展趨勢吻合。運用FLAC3D 6.00軟件模擬工程開挖、支護(hù)等具體過程的內(nèi)力變化及趨勢的預(yù)測是科學(xué)合理的，預(yù)測結(jié)果真實可靠，具有一定的參考價值。