建筑荷載對基坑高邊坡穩定性影響研究

毛 偉，劉洋洋，王燦燦，方昌駿，趙映霞

（云南建投第七建設有限公司，云南昆明 650000）

0 引言

張陳蓉等[5]研究了板式支護體系基坑開挖對鄰近區域地下管線的變形影響，提出了保證管線正常使用的基坑允許側向變形與基坑開挖深度的關系；別小勇等[6]研究認為建筑物基礎對基坑周邊土體的變形形態有一定的影響；宮鶴等[7]研究了樁錨支護基坑緊鄰上蓋建筑的高邊坡的情況，認為施工過程及坑邊堆載對錨索使用壽命及邊坡變形有較大影響。陳穎輝等[8]研究了樁錨支護結構與周圍環境共同作用的分析模型。

1 工程概況

某擬建工程構建物為地下1F，地上1～23F，地下室底板標高1951.9m，坡頂消防環道標高1954.0m，擬建基坑占地面積11244.0m2。場地現已完成拆遷工作，平場至基坑底將于四周形成長304.8m、垂直高10.6~20m 的基坑邊坡。區域屬溶蝕-侵蝕底山地貌，高程在249~262m，高差24.8m；地勢南、西高，北東底，最高點出現于場地西側一平臺，高程262m，最低的出現于場地北西側房屋邊，高程249m。基坑范圍內地勢平坦，高程集中在250~254m 之間，高差4m。北側側與道路相臨，東側、西側、南側與已有建筑物相臨（淺基礎），基坑范圍內已完成拆遷工作。

2 數值模擬

2.1 基坑概況

該段邊坡為以土質為主，局部分布巖土混合邊坡?，F暫未開挖，擬開挖方向為174°，開挖后形成長65.2m，高10.6~16.2m 臨時性基坑邊坡。根據一組裂隙、邊坡坡向采取赤平投影分析人工巖質邊坡結構面的穩定性。邊坡構造及土層參數見表1、表2。

表1 基坑邊坡幾何參數

表2 各層土體主要參數

2.2 建立數值模擬模型

本文使用ABAQUS 有限元軟件分析建筑荷載對基坑邊坡穩定性的影響。ABAQUS 是大型通用軟件，針對巖土工程同樣具有非常強大的分析計算功能。以下是ABAQUS 運用于巖土工程所具備的優點：①可求解巖土非線性問題，包含豐富的巖土材料本構關系；②可模擬非均質材料，能較好地反映巖土體的各向異性；③可用于復雜邊界條件的求解；④擁有可視化界面，便于分析計算結果。

本文選取局部基坑邊坡進行二維模擬，既能充分考慮基坑邊坡的空間效應，又能減少計算工作量?；舆吰碌某叽缛?8.06m×34.8m。模型的底部固定其X 與Y 方向的位移，而模型的左右邊緣則限制其X 方向的位移?；由喜康慕ㄖ菧\基礎建筑，其基礎埋深不超過5m，無地下室。為簡化計算，荷載使用均布荷載模擬，其作用面為坑頂地表。模型的網格圖共有566 個節點和484 個單元。涉及的主要計算工況為：①初始地應力平衡；②模擬周圍建筑；③模擬基坑開挖及維護結構，包括擋墻和錨桿支護結構。

3 數值模擬結果分析

將土層參數代入有限元處理軟件，得出邊坡的總位移場云圖和總應力場云圖，如圖1~圖3 所示。

圖1 基坑邊坡總應力場云圖

圖3 基坑邊坡總位移場云圖

對比基坑邊坡應力場云圖可知，相比未添加坑頂建筑荷載，添加了坑頂建筑荷載的應力場有相應增加，但增加的幅度不明顯。這是影響基坑邊坡土體應力的主要因素是土體自身的重力，然后才是坑頂荷載。

從添加了建筑荷載的基坑邊坡的位移場可以看出水平位移的分布大致沿著坡面向里逐層遞減，最大水平位移出現正在坡頂附近。這是由于邊坡土體在自身重力和建筑荷載的共同作用下有向下滑移的趨勢，這種微小滑移自坡腳到坡頂產生疊加，因此最大水平位移出現在坡頂附近。從豎向位移和總位移圖可以看出，這兩種位移的最大值都出現在坑頂的邊界處，最大豎向位移達到41.19mm。這表明建筑荷載對豎向位移的影響最大，而這種影響體現在了坑頂地面沉降上。

圖2 建筑荷載下基坑邊坡總應力場云圖

在巖土工程實際施工中，施工之前的勘察工作和施工管理比較重要，若是勘察人員勘察不到位，并未全面勘察支護施工區域的水文條件和地質情況，或是工作人員在施工建設前并未全面分析影響基坑建設的因素，可能會造成施工方案設計不合理，將會直接影響后續基坑支護的穩定性。在巖土工程施工準備階段，因為勘察人員的工作失誤和工作疏忽、基坑勘察區域和實際施工建設存在不一致，會直接影響施工圖紙勘察測量數據的精準性和可靠性。

如果施工企業在基坑支護的支撐強度與保護力度不到位，將直接影響工程的整體施工質量。若是施工人員沒有在施工準備期間完成好擋水設計工作和薄膜覆蓋操作，雨水滲透到基坑內，也會導致基坑支護結構失穩。

為提升巖土工程的地質穩定性，增加基坑邊坡的加固作用，工作人員可以對影響地質情況的因素展開分析，從而有針對性地解決影響地質結果穩定性的問題。首先工作人員應該先對基坑邊坡的土壤結構進行分析，如果土壤中包括很多砂性巖土，其滲透力比較強、地質結果不穩定，比較松軟。因此在施工前需要對砂性巖土開展排水處理，減少地下水對砂性巖土穩定性的影響。若淤泥軟土比較多，其含水量較高，施工人員在開展排水處理時，需要降低土壤的含水量。其次，管理人員應該結合巖土的構成情況制定一個適宜性較強的排水方案。例如：在處理砂性巖土時，工作人員可以使用連續墻以及多級放坡的方式，可以有效避免巖土出現土質流失，從而達到加固土質結構的目的。

取坑頂表面最左側的一點為觀測對象，其時間與豎向位移的關系如圖4 所示。

圖4 時間與豎向位移關系

從圖4 中可以看出隨著時間的推移，豎向位移呈線性增加，而且增加的速度越來越快。其原因是土層被擾動的緣故。一開始受力土體結構性較好，強度更高，而當位移發展到一定程度的時候土體的結構性被破壞了一部分，強度較小，所以后期土體的豎向位移發展較快。

圖5 為基坑深層水平位移與深度的關系圖。

圖5 土體深層水平位移

從圖5 可知，深層水平位移隨著深度先呈線性增加，增加至一定值后隨之穩定，出現峰值。隨后隨和深度的增加水平位移越來越小。這與實測數據相符合。對比兩個剖面的水平位移可以知道雖然邊界附近的剖面也有相同的趨勢，但是靠近邊界剖面的水平位移明顯小于坡頂剖面，影響因素有兩個：①由于邊坡應力分布的規律，越靠近邊坡的應力水平越高，在建筑荷載和自身重力荷載的作用下應力得到釋放，導致土體位移沿著水平方向發展；②而邊界附近的剖面由于臨近模型邊界，限制了X 方向的位移，土體應力釋放比較小，導致土體位移的發展只能沿著縱向，因此水平位移的發展受到限制。

圖6 為不同建筑荷載情況下坡頂剖面豎向位移隨深度發展的情況。從圖6 不難看出，臨近建筑物對基坑邊坡的豎向位移的影響是顯著的。當沒有建筑荷載的情況下，隨著深度增加，豎向位移線性增加，然后這種趨勢隨著深度的增加趨于平緩，最后甚至出現了回彈，從8m 深度的7~10m 深度回彈到了5mm。這與水平位移的發展呈現出相似性。

圖6 建筑荷載對土體豎向位移的影響

從圖6 不難看出臨近荷載可以有效促進土體豎向位移的發展，而且這種增加效應隨著其距離坑邊越小越強。峰值從無荷載的7mm 左右增加到了近11mm。回彈量也從5mm 增大到了10mm。

4 結論

本文在某錨桿支護基坑工程實例的基礎上，結合數值分析了基坑周圍分別存在建筑物時基坑與建筑物的相互影響，主要有以下結論。

（1）錨桿支撐的基坑邊坡里，影響基坑邊坡土體應力水平的主要因素是土體自身的重力，然后是坑頂的建筑荷載。建筑荷載對應力的影響與建筑的基礎類型、建筑荷載的大小還有建筑與基坑的距離相關。同時土的種類和地下水條件也有影響，如果基坑在有粉土、粉砂分布的地層條件下作業，基坑圍護設計時應進行基坑抗滲流破壞的計算。

（2）建筑荷載的存在對基坑邊坡的豎向位移影響最大，對水平位移影響最小，這是因為建筑荷載的存在增加了邊坡土體的豎向應力，而對水平應力增加較少。建筑荷載作為一種豎向的荷載作用在坑頂上，會讓土體內部的豎向應力顯著增加。由于土體水平位移的限制，水平應力會有一定的上升，從而增加邊坡土體整體的應力水平。隨著建筑荷載的增加，土體應力水平持續增加，到達一定程度后土體將會發生剪切破壞，并且邊坡沿著一定的角度發生滑坡。因此在較小建筑荷載的臨近開挖邊坡，或者設計基坑開挖的邊界離建筑邊界5m 以上對基坑的安全有更大的貢獻。

（3）建筑荷載的存在會破壞下部土體的結構性，使土體的強度減小，從而進一步使豎向位移增加，造成土體失穩破壞。

（4）基坑鄰近建筑物的沉降值受鄰近建筑物位置、荷載影響較大，最大沉降始終發生在靠近基坑開挖線一側；鄰近建筑物距離基坑邊界1m 時，基坑邊坡的坡頂最大沉降值是沒有建筑荷載時的2 倍，因此錨桿基坑鄰近建筑物時比較危險。