基坑邊坡開挖過程變形特性分析

冉益銘 王炳元 李勇斐

（重慶科技學院建筑工程學院，重慶 401331）

0 引言

中國是一個多山的國家，隨著人口越來越多，可供使用的土地變得越來越少，所以人們把目光逐漸放到山地以及地下空間，這自然而然就會形成許多邊坡[1]。

邊坡就是地質構造或人為開挖形成的臨空面。在其漫長的生成年代里，坡體中除了自重應力外，隨著地形地貌、地質環境的改變，地質構造產生的構造應力也不相同。同時，由于地下水位變化、地表水下滲、人類工程活動的影響，邊坡的應力狀態也在不斷地改變。所以，邊坡穩定是我們應該重點關注的一個問題。

為了讓邊坡處于一種安全穩定的狀態，需要對其采用一些支護措施，對于高度較高的邊坡，樁板擋墻為一種常用的支護方式。即使采取了支護措施，但在一些如降雨、地震等不確定條件的影響下，邊坡也并不是完全處于安全狀態的，所以邊坡變形是值得重點關注的對象[2]。本文就基坑邊坡開挖過程的變形特性進行分析。

1 工程概況

本工程為重慶某建筑基坑邊坡，因地形較為復雜，對邊坡進行分段支護，本文以長度約為80m，坡高約8m的一段邊坡為對象，對典型剖面進行數值模擬分析。

1.1 地層構造

從地勘報告可知，擬建場地的地層巖土分布如下∶

（1）素填土：場地內大范圍填土呈雜色，主要由粉質黏土夾砂巖、泥巖碎塊石、碎屑組成，松散～稍密，稍濕，碎塊石含量約為30%～80%，粒徑一般為10～300mm，局部最大塊徑可達1.5m，均勻性較差，架空結構明顯，為原經緯大道施工時機械隨意拋填，回填時間為3～8年，局部區域存在新近素填土，為擬建場地北側建筑施工時機械隨意回填，回填時間為1～3年。本次鉆探揭露厚度0.30（XK40）～10.90m（XK25），場地覆蓋層分布范圍廣、厚度差異大。

（2）粉質黏土：紫紅色，黃褐色，無搖振反應，切面稍有光澤，呈可塑狀，為中等壓縮性土，干強度中等，韌性中等。該層在場地零星揭露，主要分布在場地南側的斜坡中部平臺地段[3]，揭露厚度0.50m～2.00m（XK17），發現此區域10年前曾培育過樹苗，后樹木被移除后，當地菜農剔除大部分塊石后種菜。

（3）泥巖：紫紅色、暗紫色，主要由黏土礦物等組成，泥質結構，厚層狀構造，局部砂質含量較重，鉆孔揭露單層厚0.50m（PK8）～29.24m（XK39），為擬建場地主要巖層，該層與砂巖呈互層或夾層，局部呈透鏡體出現。該層廣泛分布于場地區域，為本場地主要巖性。

場地內基巖頂面埋深0.00（BZY109）～9.70m(XK3)，基巖面標高范圍196.95m（XK3）～261.69m（BZY109），基巖面標高差異大，基巖面坡度約0～65°，與地形基本一致呈南高北低之勢。基巖面差異大主要是由于人類工程活動的影響：擬建場地南側經緯大道施工過程中，曾沿現狀高邊坡傾倒部分開挖碎塊石，導致現狀邊坡覆蓋層厚度增大，且局部區域存在大量塊石；擬建場地南側高邊坡，依山建房，多處存在人工切坡現象；擬建場地中部第二階平臺(XK20附近)，為原玻璃廠遺址，拆遷后回填土層種植樹木，后樹木移植后作為菜地使用（使用年限約8年）。

1.2 水文地質條件

擬建場地西北側有一人工湖泊—天地湖，人工湖距離場地紅線最近約100.00m。該天地湖水位常年穩定，水位設計標高約194.50m，勘察期水位為194.30m。天地湖在修建期間在湖底部采用了防滲水和隔水措施，但由于湖水長時間對湖底侵蝕，曾有漏水現象發生，后經過修繕處理已不滲漏。擬建場地距離天地湖較遠，擬建物最低標高為201.40m，場地與天地湖間隔較遠，天地湖地下水對擬建場地影響小。

場地內地下水主要為大氣降水經土層滲透補給，場地地下水受大氣降水影響較大，雨季地下水較豐富[4]。勘察期間鉆孔中未測得地下水位，所有鉆孔均為干孔，說明天地湖地表水對場地的影響小，場地內地下水與天地湖地表水無水力聯系。場地地下水主要分布于原始低洼地帶，受季節及降雨影響較大，場地鉆探深度范圍內地下水復雜程度簡單，與現場實際情況基本一致。勘察區地下水較貧乏，水文地質條件總體簡單。

1.3 支護方式

根據市政規劃，場地南東側建筑紅線與軌道交通9號線的保護線部分重疊，目前該段軌道交通正在進行施工階段。根據設計意圖，軌道9號線在該段采用隧道穿越，擬建場地南東側紅線約8.80m為軌道交通九號線隧道出口段，設計標高224.06～230.31m，硐高9.50m。擬建場地建筑紅線距離隧道保護結構比較近，另外擬建場地在軌道保護線以內邊坡覆蓋層較厚，開挖會對軌道穩定性產生影響；建議軌道保護線以內環境邊坡采用樁板擋墻，通過強支護減少對軌道交通九號線的影響。應遵循先治理后開挖的原則，待混凝土強度達到設計要求后，方可開挖邊坡[5]。該段邊坡應加強監測工作，實施運行監測和效果監測，并結合日常巡視，如遇監測數據異常或現場邊坡變形破壞，應及時查找原因并啟動應急預案。該段邊坡治理難度大、費用高，但有效治理后，將對軌道交通九號線的影響較小。

1.4 地震效應影響

場地建設用地紅線范圍內無可液化土，不存在土層地震液化問題；按設計標高平場后，場地大部分區域覆蓋層厚度不大[6]，但是南東側區域擬建物外側、建筑紅線和在建軌道保護線重疊區域，覆蓋層較厚，在地震作用下場地內填土可能發生不均勻沉降，對建筑結構穩定不利，由于此區域邊坡開挖對軌道影響較大，建議不要擾動該區域，或者進行強支擋后開挖邊坡；場地部分地段基巖面坡度陡，且上覆土層厚度大，地震時可能產生滑坡，建議加強支擋。擬建場地整平后，部分基底基巖出露，部分地段土層厚度大，建筑設計時應注意建筑有效嵌固問題[7]。本段邊坡采用樁板擋墻進行支護，樁距4.00m，為圓形樁，樁長取兩倍開挖深度，樁徑為1.50m。

1.5 施工步驟及施工措施

先對排樁進行施工，待達到設計強度后，分四次進行開挖，每次2m。經現場工程地質調查和鉆探顯示，場區內未見崩塌、滑坡、泥石流、巖溶、地面沉降等不良地質作用。

場地素填土在樁基礎施工過程中可能發生局部塌陷或塌孔事故，應采取壓實和護壁措施，確保施工安全和成樁質量。

場地基坑邊坡較高，降雨期間施工易形成基坑（槽）積水，降低巖土體抗剪強度，可能存在邊坡坍塌的風險；擬建場地可能采用人工挖孔樁，人工挖孔樁施工過程中，可能存在高處墜落事故、物體打擊事故、坍塌事故、觸電事故等風險。

場地巖層膠結差異大，同種巖石力學強度變異性較大，現有勘探點密度所揭露的巖性和取樣試驗結果并不一定能完全代表整個場地，施工期間可能出現部分基礎持力層抗壓強度值低于設計值的情況。建議在基礎開挖時加強基坑驗槽及取樣試驗工作，當出現低于設計要求的試驗強度值時[8]，應同參建各方及時會商解決。

1.6 參數選取

結合巖土室內試驗及經驗取值，各巖土層及支擋結構參數見表1。

表1 材料參數

2 有限元模擬及結果分析

2.1 有限元模型的建立

本項目用有限元分析軟件對基坑邊坡開挖過程進行數值模擬分析，基本假定如下：

（1）巖土體采用摩爾-庫倫本構模型，支護結構采用彈性本構；

（2）采用平面應變單元對巖土體進行模擬，用梁單元對支護結構進行模擬[9]；

（3）建模時豎向距離取開挖深度的3倍，水平范圍選取開挖深度的2.5倍；

網格劃分后形成820個單元和786個節點，原始模型以及施工完成后模型如圖1、圖2所示。

圖1 邊坡施工前模型

圖2 邊坡施工完成后模型

2.2 施工工況模擬

基坑邊坡施工為順作法分層開挖，施工工況如下：

（1）工況一：添加邊界條件，添加自重，位移清零。

（2）工況二：施工排樁，長度為16.00m，樁徑1.50m，梁單元屬性設置樁間距4.00m。

（3）工況三：開挖第一層土體至-2.00m。

（4）工況四：開挖第二層土體至-4.00m。

（5）工況五：開挖第三層土體至-6.00m。

（6）工況六：開挖第四層土體至-8.00m。

對每個開挖工況進行應力分析。

2.3 結果分析

開挖完成后，邊坡的水平位移云圖如圖3所示。

圖3 施工完成后排樁水平位移云圖

由圖3可見最大水平位移發生在坡頂，為29mm，邊坡位移控制為工程的一個重點關注對象[10]，繪制各工況下排樁的水平位移曲線，如圖4所示。

圖4 各開挖步排樁水平位移曲線

隨著基坑開挖，不同開挖步下排樁的水平位移變化趨勢大致相同[11]，樁身最大水平位移均出現在樁頂。各開挖步下樁體最大水平位移與最大值增量如表2所示。

表2 樁體最大水平位移及其增量

由表2可知，在基坑開挖時，樁體水平位移逐步增大，但是樁體水平位移最大值增量卻先增大后減小，第四步增量較小的原因可能是第四步開挖到達巖層，由表2分析得出在基坑開挖時，在開挖深度較大時應該控制土石方開挖深度或采取相應措施控制變形[12]。

對基坑邊坡地表沉降圖分析可知，在基坑開挖過程中，隨著開挖步的進行，基坑周邊地表沉降值逐漸增大[13]。對單一開挖步地表沉降曲線進行分析，總體上來看，基坑邊坡地表沉降值與距坡頂邊線距離呈反比，但在距坡頂較近處出現反彎趨勢，開挖完成后基坑邊坡坡頂地表最大沉降值為12.12mm。

擬建場地按地下車庫設計標高開挖后，形成基坑邊坡，場地周邊按環境標高平場形成環境邊坡。工程施工期間主要的地質風險為基坑邊坡和環境邊坡的穩定性，挖方巖質邊坡開挖后將改變自然斜坡原有的穩定性，巖質邊坡可能會沿外傾結構面發生傾倒破壞。挖方土質邊坡和填方邊坡填筑后坡角變陡，填土內聚力小，自穩能力差，易產生土體內部圓弧滑動破壞[14]。若施工過程中邊坡失穩將造成人員傷亡、設備損毀、建（構）筑物的破壞等經濟損失，造成的后果嚴重。

施工過程中應嚴格按《建筑邊坡工程技術規范》（GB50330-2013）及勘察設計要求進行邊坡支護的施工。邊坡施工建議采用分段跳槽、自上而下、及時支護的逆作法施工，邊坡工程宜采用動態設計，信息施工法，并在施工過程中和邊坡完成后，加強邊坡變形監測工作。

3 結束語

本文利用數值模擬軟件對重慶市某建筑基坑邊坡開挖過程進行二維有限元模擬，邊坡采用先支護后開挖的施工方式[15]。對邊坡開挖過程的變形特性進行分析，得出結論如下：

（1）在開挖過程中，排樁最大水平位移始終發生在樁頂，樁頂水平位移隨開挖過程逐步增大。

（2）隨著基坑邊坡開挖，坡頂土體的沉降值隨開挖的進行而增大，對于單次開挖步，基坑邊坡地表沉降值與距坡頂邊線距離呈反比，但在距坡頂較近處出現反彎趨勢。