巖土施工中基坑邊坡失穩(wěn)及加固處理技術(shù)研究

摘 要：本研究深入探討巖土施工中基坑邊坡失穩(wěn)及加固處理技術(shù)，分析了基坑邊坡失穩(wěn)的主要類型、影響因素和力學(xué)機(jī)制，詳細(xì)介紹了土釘墻、錨桿支護(hù)和深層攪拌樁等常用加固處理技術(shù)，并探討了復(fù)合土釘墻和預(yù)應(yīng)力管樁支護(hù)等新型技術(shù)，闡述了加固技術(shù)的選擇原則和應(yīng)用方法，通過(guò)數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和典型案例分析評(píng)估加固效果。展望智能監(jiān)測(cè)、新材料應(yīng)用和綠色環(huán)保等創(chuàng)新技術(shù)，為未來(lái)研究方向提供參考，旨在提高基坑工程的安全性、效率和可持續(xù)性。

關(guān)鍵詞：基坑邊坡；失穩(wěn)機(jī)理；加固技術(shù)；效果評(píng)估；創(chuàng)新應(yīng)用

引言

隨著城市化進(jìn)程加速和地下空間深度開(kāi)發(fā)，基坑工程規(guī)模不斷擴(kuò)大，深度持續(xù)增加，給巖土工程帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。在此背景下，研究基坑邊坡失穩(wěn)機(jī)理和加固處理技術(shù)，對(duì)確保工程安全、提高施工效率和降低成本具有重要意義。本文將系統(tǒng)探討這一領(lǐng)域的關(guān)鍵問(wèn)題和創(chuàng)新方向。

一、基坑邊坡失穩(wěn)機(jī)理分析

（一）基坑邊坡失穩(wěn)的主要類型

基坑邊坡失穩(wěn)類型多樣，其復(fù)雜性源于地質(zhì)條件、施工方法和環(huán)境因素的交互作用。滑動(dòng)型失穩(wěn)最為常見(jiàn)，包括圓弧滑動(dòng)、平面滑動(dòng)和復(fù)合滑動(dòng)。圓弧滑動(dòng)多發(fā)生于均質(zhì)土體中，滑動(dòng)面呈弧形；平面滑動(dòng)常見(jiàn)于分層地質(zhì)，沿軟弱夾層發(fā)展；復(fù)合滑動(dòng)則兼具兩者特征。傾倒型失穩(wěn)常見(jiàn)于巖質(zhì)邊坡或樁板支護(hù)結(jié)構(gòu)中，表現(xiàn)為整體或局部的傾覆。滲流型失穩(wěn)由地下水運(yùn)動(dòng)引發(fā)，包括管涌、流砂和底鼓等[1]。開(kāi)裂型失穩(wěn)多發(fā)生于黏性土中，受干濕循環(huán)影響。混合型失穩(wěn)則綜合了多種失穩(wěn)機(jī)制。此外，還存在突涌型和膨脹型失穩(wěn)。深入理解這些類型的形成機(jī)理和演化過(guò)程，對(duì)制定針對(duì)性的防治措施至關(guān)重要，需要綜合考慮地質(zhì)特征、水文條件和施工工藝等因素。

（二）影響基坑邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素

巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)、層理結(jié)構(gòu)和斷裂分布直接決定了邊坡的內(nèi)在穩(wěn)定性。地下水動(dòng)態(tài)尤為關(guān)鍵，其滲流作用不僅改變土體強(qiáng)度，還可能引發(fā)水力劈裂。施工因素中，開(kāi)挖方式、支護(hù)結(jié)構(gòu)選型和施工順序?qū)吰路€(wěn)定性有顯著影響。尤其是分層開(kāi)挖和預(yù)應(yīng)力錨索的應(yīng)用，能有效控制變形。荷載條件包括靜態(tài)荷載和動(dòng)態(tài)荷載，如周邊建筑物、交通振動(dòng)等，都可能誘發(fā)失穩(wěn)。此外，時(shí)間效應(yīng)不容忽視，長(zhǎng)期蠕變變形累積可導(dǎo)致漸進(jìn)性破壞。環(huán)境因素如凍融循環(huán)、化學(xué)侵蝕也會(huì)影響邊坡穩(wěn)定性。綜合考慮這些因素的耦合作用，才能準(zhǔn)確評(píng)估邊坡穩(wěn)定性并制定合理的加固方案。

（三）基坑邊坡失穩(wěn)的力學(xué)機(jī)制

基坑邊坡失穩(wěn)的力學(xué)機(jī)制涉及復(fù)雜的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系演化。開(kāi)挖過(guò)程中，應(yīng)力重分布導(dǎo)致卸荷區(qū)域應(yīng)力路徑發(fā)生顯著變化，可能觸發(fā)局部塑性區(qū)的擴(kuò)展。在臨界狀態(tài)理論框架下，土體強(qiáng)度與應(yīng)力狀態(tài)和變形歷史密切相關(guān)。邊坡失穩(wěn)往往始于微觀裂隙的萌生和擴(kuò)展，通過(guò)應(yīng)力集中效應(yīng)逐步形成宏觀破壞面。非飽和土力學(xué)理論揭示了基質(zhì)吸力對(duì)土體強(qiáng)度的貢獻(xiàn)，解釋了降雨入滲引發(fā)的強(qiáng)度衰減機(jī)制[2]。流變理論闡明了長(zhǎng)期荷載下土體強(qiáng)度的時(shí)效性退化過(guò)程。考慮土—水—?dú)舛嘞嘟橘|(zhì)相互作用，邊坡失穩(wěn)可被視為一個(gè)非線性、非平衡的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程。利用斷裂力學(xué)和損傷力學(xué)理論，可更精確地描述裂隙擴(kuò)展和材料劣化對(duì)失穩(wěn)的貢獻(xiàn)。此外，熱—水—力—化多場(chǎng)耦合效應(yīng)在某些特殊地質(zhì)條件下也不容忽視。

二、基坑邊坡加固處理技術(shù)分析

（一）常用加固處理技術(shù)概述

常用技術(shù)包括土釘墻、錨桿支護(hù)和深層攪拌樁等。土釘墻技術(shù)通過(guò)在土體中安裝帶托板的鋼筋，利用土釘與土體的相互作用提高邊坡整體穩(wěn)定性。該技術(shù)適用于土質(zhì)邊坡，具有變形協(xié)調(diào)性好、施工靈活的特點(diǎn)。錨桿支護(hù)則在土體或巖體中安裝預(yù)應(yīng)力鋼筋或鋼絞線，通過(guò)錨固力控制邊坡變形。錨桿支護(hù)可有效提高邊坡抗滑能力，尤其適合巖質(zhì)邊坡。深層攪拌樁技術(shù)采用專用設(shè)備將固化材料與原位土體混合，形成高強(qiáng)度的復(fù)合地基，從而增強(qiáng)邊坡整體穩(wěn)定性。該技術(shù)適用于軟土地基，可大幅提高土體強(qiáng)度和剛度。三種技術(shù)各有特點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際條件合理選用。綜合應(yīng)用多種技術(shù)，可發(fā)揮組合效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的加固效果。

（二）新型加固處理技術(shù)探討

為突破瓶頸，研究人員開(kāi)發(fā)了一系列新型加固技術(shù)。復(fù)合土釘墻技術(shù)在傳統(tǒng)土釘墻基礎(chǔ)上，采用預(yù)應(yīng)力錨索或玻璃纖維筋作為拉筋，大幅提高了土釘受拉性能，擴(kuò)大了土釘墻的適用范圍。預(yù)應(yīng)力管樁支護(hù)技術(shù)則創(chuàng)新性地將預(yù)應(yīng)力引入基坑支護(hù)體系，通過(guò)施加預(yù)應(yīng)力補(bǔ)償樁基周圍土體的應(yīng)力損失，主動(dòng)約束邊坡變形[3]。相比傳統(tǒng)鋼管樁，預(yù)應(yīng)力管樁剛度更大，變形控制效果更佳。此外，噴錨網(wǎng)格梁技術(shù)、地下連續(xù)墻錨桿技術(shù)、 SMW工法等一系列新技術(shù)也為基坑工程提供了新思路。新技術(shù)的問(wèn)世豐富了基坑加固處理手段，但同時(shí)也對(duì)設(shè)計(jì)和施工提出了更高要求，需要在大量工程實(shí)踐中不斷優(yōu)化完善。

（三）加固處理技術(shù)的選擇原則與應(yīng)用

基坑邊坡加固處理技術(shù)的選擇應(yīng)遵循因地制宜、經(jīng)濟(jì)合理的原則，全面考慮工程地質(zhì)條件、基坑開(kāi)挖深度、周邊環(huán)境、施工工期等因素。對(duì)于土質(zhì)地層、開(kāi)挖深度較淺的基坑，宜優(yōu)先采用土釘墻等撓性支護(hù)；對(duì)于巖質(zhì)地層、開(kāi)挖深度較大的基坑，可采用錨桿或預(yù)應(yīng)力管樁等剛性支護(hù)。針對(duì)飽和軟黏土等特殊地層，深層攪拌樁技術(shù)具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。對(duì)于復(fù)雜環(huán)境下的深基坑，還需考慮采用新型加固技術(shù)。深基坑的支護(hù)體系往往由多道支護(hù)結(jié)構(gòu)組成，應(yīng)綜合考慮不同加固技術(shù)在空間、時(shí)間上的匹配性，優(yōu)化施工順序，最大限度發(fā)揮體系效應(yīng)。加固設(shè)計(jì)還應(yīng)滿足抗震、耐久性要求。施工過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格質(zhì)量控制，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)量測(cè)，及時(shí)優(yōu)化調(diào)整支護(hù)參數(shù)。

三、基坑邊坡加固效果評(píng)估

（一）評(píng)估方法概述

基坑邊坡加固效果評(píng)估是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要綜合運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)和技術(shù)手段。評(píng)估方法主要包括理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等。理論分析基于巖土力學(xué)原理，結(jié)合加固機(jī)理，定性判斷加固效果。數(shù)值模擬通過(guò)有限元、離散元等數(shù)值方法，定量預(yù)測(cè)加固前后應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的變化，為方案優(yōu)化提供依據(jù)。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)則采用多種傳感器實(shí)時(shí)采集邊坡變形、應(yīng)力、孔隙水壓力等參數(shù)，直觀反映加固效果。合理選擇評(píng)估方法，科學(xué)設(shè)計(jì)評(píng)估方案，客觀解讀評(píng)估結(jié)果，是準(zhǔn)確評(píng)判加固效果的關(guān)鍵。評(píng)估過(guò)程應(yīng)貫穿加固全周期，形成事前預(yù)測(cè)、事中控制、事后評(píng)價(jià)的完整閉環(huán)。

（二）數(shù)值模擬分析

數(shù)值模擬是評(píng)估基坑邊坡加固效果的重要手段。通過(guò)建立符合工程實(shí)際的邊坡-支護(hù)數(shù)值模型，可系統(tǒng)分析土體、支護(hù)結(jié)構(gòu)、加固體之間的相互作用，揭示加固機(jī)理。數(shù)值模擬需要科學(xué)選擇本構(gòu)模型，準(zhǔn)確描述土體和加固材料的力學(xué)行為；合理設(shè)置初始條件和邊界條件，真實(shí)再現(xiàn)原位應(yīng)力狀態(tài)；嚴(yán)謹(jǐn)定義加筋-土體界面特性，模擬加固機(jī)制。在模擬過(guò)程中，應(yīng)開(kāi)展靈敏度分析，識(shí)別影響加固效果的關(guān)鍵參數(shù)[4]。模擬結(jié)果應(yīng)與理論分析、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證，確保可靠性。數(shù)值模擬可優(yōu)化加固設(shè)計(jì)參數(shù)，指導(dǎo)施工控制，預(yù)測(cè)長(zhǎng)期性能。但模擬結(jié)果易受參數(shù)選取和邊界條件影響，在應(yīng)用時(shí)需審慎判斷。

（三）現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與反饋分析

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)是評(píng)估基坑邊坡加固效果的直接手段。監(jiān)測(cè)項(xiàng)目一般包括地表沉降、深層位移、支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力、土體分層沉降等。監(jiān)測(cè)斷面應(yīng)布設(shè)在有代表性的關(guān)鍵部位，監(jiān)測(cè)頻率應(yīng)根據(jù)施工進(jìn)度和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化情況動(dòng)態(tài)調(diào)整。獲取的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)及時(shí)處理分析，綜合判斷加固體的工作狀態(tài)及邊坡穩(wěn)定性趨勢(shì)。當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常或超出預(yù)警值時(shí)，須及時(shí)采取應(yīng)急措施，確保工程安全。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的反饋分析對(duì)優(yōu)化加固設(shè)計(jì)、指導(dǎo)施工控制至關(guān)重要。需結(jié)合地質(zhì)條件變化、施工擾動(dòng)等因素，客觀分析數(shù)據(jù)變化原因，評(píng)判加固效果，預(yù)測(cè)發(fā)展趨勢(shì)。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)貫穿設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)全過(guò)程，是動(dòng)態(tài)評(píng)估加固效果的可靠依據(jù)。

（四）典型工程案例分析

某深基坑工程場(chǎng)地為飽和軟土，采用土釘墻結(jié)合內(nèi)支撐體系加固。基坑開(kāi)挖深度18m，通過(guò)三維數(shù)值模擬分析，優(yōu)化確定了土釘長(zhǎng)度、間距、傾角等參數(shù)。在基坑四周布設(shè)了 30個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各項(xiàng)數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，基坑開(kāi)挖過(guò)程中，土釘軸力隨深度增加呈非線性分布，與模擬結(jié)果吻合良好。土釘應(yīng)力水平約為抗拔極限承載力的35%，安全儲(chǔ)備充足。基坑側(cè)壁水平位移控制在18mm以內(nèi)，滿足規(guī)范要求。通過(guò)融合數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)手段，客觀評(píng)估了土釘墻加固體系的工作性能，確保了工程安全。該項(xiàng)目為特殊地層條件下土釘墻加固設(shè)計(jì)和效果評(píng)估提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

四、創(chuàng)新型加固處理技術(shù)與未來(lái)展望

（一）智能監(jiān)測(cè)與預(yù)警技術(shù)

傳統(tǒng)人工監(jiān)測(cè)方式效率低、可靠性差，難以滿足日益復(fù)雜的工程需求。物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)的發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)基坑邊坡智能監(jiān)測(cè)提供了新途徑。集成多源異構(gòu)傳感器、自組織協(xié)同通信、邊云協(xié)同計(jì)算等技術(shù)，構(gòu)建全天候、全方位、全周期的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可大幅提升監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、及時(shí)性和完整性[5]。深度學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘等人工智能技術(shù)則賦予海量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以新的價(jià)值，通過(guò)智能分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，及早發(fā)現(xiàn)邊坡失穩(wěn)征兆，構(gòu)建多層級(jí)預(yù)警模型，為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和應(yīng)急決策提供科學(xué)依據(jù)。未來(lái)，智能監(jiān)測(cè)與預(yù)警技術(shù)將成為保障基坑邊坡安全的利器。

（二）新材料在加固中的應(yīng)用

傳統(tǒng)鋼材、水泥已難以滿足日益苛刻的性能要求，亟需開(kāi)發(fā)高強(qiáng)、耐久、環(huán)保的新型加固材料。形狀記憶合金因其超彈性、自復(fù)位特性，在主動(dòng)補(bǔ)償邊坡變形方面展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。工程纖維復(fù)合材料密度低、強(qiáng)度高、耐腐蝕性好，可顯著提升加固結(jié)構(gòu)的受力性能。智能混凝土通過(guò)摻入納米材料、自愈合添加劑等，實(shí)現(xiàn)力學(xué)性能和耐久性的跨越提升。新型膠凝材料無(wú)需外加熱源即可快速固化，大幅縮短施工工期。隧道襯砌、加固錨桿等領(lǐng)域已出現(xiàn)新材料的創(chuàng)新應(yīng)用。深入研究新材料的力學(xué)性質(zhì)、工作機(jī)理、設(shè)計(jì)方法，加快成果轉(zhuǎn)化步伐，將為基坑邊坡加固注入新的活力。

（三）綠色環(huán)保加固技術(shù)發(fā)展

傳統(tǒng)加固施工易造成環(huán)境污染、能源浪費(fèi)、生態(tài)破壞等問(wèn)題，急需開(kāi)發(fā)節(jié)能減排、循環(huán)利用的綠色加固技術(shù)。非開(kāi)挖加固技術(shù)通過(guò)旋噴、高壓旋噴、凍結(jié)等方式，實(shí)現(xiàn)低擾動(dòng)、少污染施工。植被加固技術(shù)利用植物根系的加筋效應(yīng)，提高邊坡穩(wěn)定性，且具有景觀美化功能。微生物固化技術(shù)通過(guò)調(diào)控微生物活性，誘導(dǎo)碳酸鈣、鐵錳氧化物沉淀，提高土體性能，施工過(guò)程污染小、成本低。開(kāi)發(fā)可回收、低碳環(huán)保的新型支護(hù)結(jié)構(gòu)和錨固體系，推廣清潔能源應(yīng)用，減少現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)，是踐行綠色施工理念的有效途徑。綠色環(huán)保已成為評(píng)判基坑邊坡加固技術(shù)先進(jìn)性的重要維度。

（四）未來(lái)研究方向

基坑邊坡加固處理技術(shù)仍存在諸多亟待突破的科學(xué)難題，拓展基礎(chǔ)理論研究，創(chuàng)新工程應(yīng)用技術(shù)，是未來(lái)的重點(diǎn)方向。土-結(jié)構(gòu)相互作用機(jī)制的探索有助于揭示加固機(jī)理，發(fā)展非線性耦合理論。多尺度分析方法可建立宏細(xì)觀力學(xué)性質(zhì)間的聯(lián)系，優(yōu)化材料設(shè)計(jì)。智能優(yōu)化算法、高性能計(jì)算技術(shù)將極大提升加固方案的設(shè)計(jì)水平。BIM、物聯(lián)網(wǎng)、AI等新技術(shù)與傳統(tǒng)加固施工的深度融合，將開(kāi)創(chuàng)數(shù)字化加固新模式。開(kāi)發(fā)原位試驗(yàn)、健康診斷等新方法，推進(jìn)基于性能的設(shè)計(jì)理念，是提升加固質(zhì)量的必由之路。力學(xué)、材料、信息、生態(tài)等多學(xué)科交叉融合，揭示復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下的邊坡失穩(wěn)機(jī)理，創(chuàng)新智能綠色的加固新技術(shù)，將是未來(lái)基坑邊坡加固領(lǐng)域的主攻方向。

結(jié)語(yǔ)

本研究全面探討了基坑邊坡失穩(wěn)及加固處理技術(shù)，從理論分析到實(shí)踐應(yīng)用，為工程實(shí)施提供了有力支撐。未來(lái)，基坑工程將朝著更加智能、環(huán)保和高效的方向發(fā)展。建議加強(qiáng)智能監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)研發(fā)，深入探索新材料在加固中的應(yīng)用，推進(jìn)綠色環(huán)保加固技術(shù)創(chuàng)新。同時(shí)，應(yīng)注重理論與實(shí)踐結(jié)合，完善加固效果評(píng)估體系，提高數(shù)值模擬精度和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)可靠性。通過(guò)持續(xù)創(chuàng)新和技術(shù)突破，為巖土工程的可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

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