深基坑施工失穩(wěn)控制分析與模擬

王聯(lián)明

（河南省宏大建設(shè)工程有限公司 河南新鄉(xiāng) 453400）

深基坑施工失穩(wěn)控制分析與模擬

王聯(lián)明

（河南省宏大建設(shè)工程有限公司 河南新鄉(xiāng) 453400）

由于深基坑施工的穩(wěn)定性問(wèn)題造成的事故不斷增多，研究深基坑的施工穩(wěn)定性問(wèn)題，數(shù)值模擬是一個(gè)理想的方法，通過(guò)利用大型數(shù)值分析處理Plaxis軟件和FLAC3D軟件，建立適當(dāng)?shù)哪Ｐ停捎脤?duì)比分析的方法，探討降水的滲流和外荷載對(duì)深基坑施工中穩(wěn)定性的影響。

深基坑施工；失穩(wěn)控制；模擬

1 深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞形式

深基坑支護(hù)體系的破壞可分為強(qiáng)度破壞和失穩(wěn)破壞，前者多數(shù)是因?yàn)橹ёo(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部原因造成的，而后者多數(shù)是由外界不利因素導(dǎo)致。

1.1 非重力式支護(hù)結(jié)構(gòu)

1.1.1 墻后土體整體滑動(dòng)失穩(wěn)

其滑動(dòng)面位于坡腳或坡腳以下，當(dāng)圍護(hù)樁入土深度太小時(shí)會(huì)引起圓弧式滑動(dòng)，如圖1（a）所示。破壞的主要原因：①地基土十分軟弱；②深基坑開(kāi)挖過(guò)深或者地面堆載過(guò)重；③錨桿錨固長(zhǎng)度不足。

1.1.2 傾覆破壞，坑底隆起

深基坑內(nèi)土體開(kāi)挖過(guò)程中伴隨應(yīng)力釋放，開(kāi)挖完畢時(shí)應(yīng)力釋放會(huì)致使深基坑底部土體隆起。

由于該破壞極易發(fā)生在軟弱地基土和過(guò)大開(kāi)挖深度等情況下，可采取加深墻體入土深度和加固深基坑土的措施來(lái)防止，如圖1（b）所示。

1.1.3 管涌或流沙

該破壞形式多發(fā)生于深基坑坑底土層為無(wú)粘性土的情況下，并且深基坑內(nèi)外的水位存在較大差數(shù)，如圖1（c）所示。

圖1 支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞形式

1.2 重力式支護(hù)結(jié)構(gòu)

（1）傾覆破壞：土壓力作用下，如果水泥土擋墻截面較小或者質(zhì)量不夠大，支護(hù)結(jié)構(gòu)極易產(chǎn)生整體傾覆失穩(wěn)。

（2）滑移破壞：多發(fā)生于水泥土擋墻與土之間的抗滑力較小，不足以抵抗墻后推力的情況下。重力式支護(hù)結(jié)構(gòu)還有其他破壞形式，如土體整體的滑動(dòng)失穩(wěn)、坑底隆起、管涌或流沙，與非重力式支護(hù)結(jié)構(gòu)相似。

2 深基坑施工失穩(wěn)破壞分析

2.1 建立計(jì)算模型

強(qiáng)度折減法最早廣泛應(yīng)用于數(shù)值模擬處理邊坡穩(wěn)定問(wèn)題，將邊坡安全系數(shù)定義為邊坡剛好達(dá)到臨界破壞時(shí)，地層強(qiáng)度折減的程度。強(qiáng)度折減法在FLAC3D中可采用fish編程逐步減低材料的強(qiáng)度參數(shù)，直到出現(xiàn)破壞。選取研究對(duì)象為均質(zhì)地層的深基坑開(kāi)挖，深基坑開(kāi)挖深度為16.0m，開(kāi)挖坡角分別取 90°，60°和 45°。地層參數(shù)密度 18.5kN/m3，彈性模量10MPa，泊松比0.3，內(nèi)粘聚力40kPa，內(nèi)摩擦角 17°，抗拉強(qiáng)度10kPa，采用M-C模型模擬計(jì)算。

2.2 深基坑失穩(wěn)判斷依據(jù)

借用FLAC模擬位移量變分析深基坑坡體的變化狀態(tài)，通過(guò)模擬塑性區(qū)的發(fā)展?fàn)顟B(tài)進(jìn)行分析深基坑的穩(wěn)定性。將深基坑失穩(wěn)看作是塑性區(qū)從發(fā)展、擴(kuò)大直到貫通的過(guò)程。

在對(duì)深基坑穩(wěn)定性進(jìn)行分析時(shí)采用強(qiáng)度折減法，滑動(dòng)面的位置可以根據(jù)剪應(yīng)變分布的區(qū)域和塑性區(qū)的分布等大致得到。深基坑失穩(wěn)破壞時(shí)會(huì)發(fā)生剪切變形，剪切變形一旦出現(xiàn)，主要集中于局部變形區(qū)域內(nèi)，區(qū)域外的變形則相當(dāng)于卸載后的缸體運(yùn)動(dòng)，此種情況下，滑坡體將沿著某一滑動(dòng)面移動(dòng)，繼而造成深基坑失穩(wěn)破壞。

2.3 深基坑失穩(wěn)破壞影響因素分析

影響深基坑失穩(wěn)破壞的主要影響因素有：地層強(qiáng)度、支護(hù)強(qiáng)度、開(kāi)挖方案和外部環(huán)境影響（如降雨、外部突加荷載等）。采用數(shù)值模擬，對(duì)幾個(gè)較為突出的影響因素進(jìn)行分析。

粘聚力的影響：

模擬計(jì)算內(nèi)粘聚力變化區(qū)間為 [4.0kPa，36.0kPa]，當(dāng)內(nèi)粘聚力變化時(shí)，安全系數(shù)變化的百分比為6.33%。

不同粘聚力深基坑滑動(dòng)面失穩(wěn)范圍與粘聚力呈反比關(guān)系，當(dāng)粘聚力降低時(shí)，深基坑失穩(wěn)由小面積滑動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榇竺娣e失穩(wěn)，滑動(dòng)面呈現(xiàn)出越來(lái)越陡局勢(shì)，失穩(wěn)范圍也越來(lái)越大。

3 控制措施

（1）分級(jí)開(kāi)挖土方，對(duì)經(jīng)過(guò)論證的施工方案要求嚴(yán)格執(zhí)行，正式施工時(shí)開(kāi)挖坡度放大到1：1.0，施工開(kāi)挖過(guò)程中，監(jiān)理組隨時(shí)采用坡度儀對(duì)邊坡進(jìn)行檢查；邊坡滑動(dòng)面以內(nèi)不得附加荷載，土方嚴(yán)禁堆放與距邊坡5m范圍內(nèi)，盡量減少震動(dòng)對(duì)邊坡穩(wěn)定的擾動(dòng)。

（2）施工中采用兩級(jí)井點(diǎn)降水，每級(jí)井管間距1.0m，井點(diǎn)管長(zhǎng)5m，分級(jí)開(kāi)挖平臺(tái)寬0.5m，可以有效利用井點(diǎn)管的支護(hù)作用，兩級(jí)井點(diǎn)安裝時(shí)呈間位分布（二級(jí)井點(diǎn)管位于一級(jí)井點(diǎn)管之間），可以有效分散土體壓力，一定程度上保證了邊坡土體的穩(wěn)定。

（3）人員配置，施工期間，監(jiān)理單位和施工單位分配專有的安全巡查人員對(duì)井點(diǎn)運(yùn)行狀況和邊坡土體進(jìn)行密切關(guān)注，如發(fā)現(xiàn)井點(diǎn)運(yùn)行異常和邊坡土體不穩(wěn)及時(shí)通知監(jiān)理組和現(xiàn)場(chǎng)施工人員進(jìn)行應(yīng)急處理，并第一時(shí)間通知槽底作業(yè)工人撤離。

（4）設(shè)備配置，主要是應(yīng)急發(fā)電設(shè)備，溝槽開(kāi)挖及槽底施工期間停電對(duì)溝槽邊坡影響很大，停電引起的地下水位上升和回流會(huì)導(dǎo)致土體中的含水量升高，因存在與滑動(dòng)方向一致的滲透力而產(chǎn)生流沙現(xiàn)象，從而導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)，因此施工期間必須保證井點(diǎn)有足夠的電力供應(yīng)，臨時(shí)發(fā)電設(shè)備是必不可少的。

（5）準(zhǔn)備必要的短木樁和沙袋，在平基澆筑和管道安裝過(guò)程中，振動(dòng)是難免的，為了安全起見(jiàn)，我們要求施工單位施工前在坡腳處打下木樁并在木樁與坡面之間堆載沙袋，以確保坡腳土體的穩(wěn)定。

（6）防止水患對(duì)邊坡的影響，增加臨時(shí)排水設(shè)施，基坑邊界周圍地面應(yīng)設(shè)置臨時(shí)排水溝，應(yīng)避免井點(diǎn)設(shè)備漏水、雨水進(jìn)入坑內(nèi)，以及地下管道漏水對(duì)邊坡的沖刷。如發(fā)現(xiàn)上述水患，監(jiān)理工程師應(yīng)要求施工單位及時(shí)采取措施，防止邊坡含水量過(guò)大引起邊坡失穩(wěn)。

4 結(jié)語(yǔ)

在實(shí)際施工過(guò)程中，在理論驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，建議要充分考慮土體特征及其力學(xué)性質(zhì)，并考慮施工過(guò)程的可能遇到的斷電、暴雨等突發(fā)情況，對(duì)開(kāi)挖斷面的坡比進(jìn)行調(diào)整放大，增加施工的安全系數(shù)，此外考慮到監(jiān)理和施工單位在邊坡穩(wěn)定設(shè)計(jì)方面必然存在嚴(yán)重的技術(shù)不足現(xiàn)象，因此建設(shè)單位有必要也有責(zé)任對(duì)涉及深基坑施工的工程進(jìn)行專業(yè)的設(shè)計(jì)委托，以減少施工風(fēng)險(xiǎn)。

TU753

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1004-7344（2016）11-0277-01

2016-3-26