考慮隨機(jī)性的深基坑土質(zhì)邊坡安全評(píng)價(jià)

周桓竹 尉遲衍春

(1.青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院，山東 青島 266033； 2.東營(yíng)市建設(shè)工程施工圖審查中心,山東 東營(yíng) 257000)

深基坑屬于建筑工程中的重大危險(xiǎn)源工程，邊坡處理不當(dāng)時(shí)極易發(fā)生安全事故。對(duì)深基坑邊坡進(jìn)行安全系數(shù)驗(yàn)算，確定合理支護(hù)方案顯得尤為重要。陳祖煜[1]院士通過(guò)通用條分法，自動(dòng)搜索臨界滑裂面的方法進(jìn)行土壓力計(jì)算、風(fēng)險(xiǎn)分析以及三維分析；鄭穎人院士等人[2]從工程治理的角度詳細(xì)闡述了邊坡與滑坡產(chǎn)生的機(jī)理、病害類(lèi)型與處置方法；王玲[3]利用GEO-SLOPE軟件中的SLOPE/W模塊計(jì)算某土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)及確定最危險(xiǎn)滑動(dòng)面。2014年5月，孝感安陸市某市政工程管道溝槽邊坡發(fā)生嚴(yán)重二次坍塌事故。由此可見(jiàn)，邊坡安全問(wèn)題不容忽視。本文以極限平衡理論為依據(jù)，利用Slide軟件對(duì)邊坡進(jìn)行分析計(jì)算，驗(yàn)證方案合理性。

1 相關(guān)理論和軟件概述

1.1 極限平衡理論

邊坡穩(wěn)定分析領(lǐng)域中最常用的一種方法就是極限平衡法，以摩爾—庫(kù)侖抗剪強(qiáng)度理論為基礎(chǔ)，將邊坡滑動(dòng)體劃分為若干垂直土條，建立作用在這些垂直土條上的力的平衡方程，求解安全系數(shù)，此法也稱為條分法。從早期的瑞典法到適用于圓弧滑裂面的Bishop法，再到適用于任意形狀、全面滿足靜力平衡條件的Morgenstern Price法，其理論體系趨于嚴(yán)密，極限平衡法目前已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)具有完整理論體系的、成熟的分析方法[4]。

由于邊坡穩(wěn)定問(wèn)題中存在諸多靜不定問(wèn)題，極限平衡法將其轉(zhuǎn)變?yōu)殪o定可解，雖然使問(wèn)題的嚴(yán)密性受損，但對(duì)穩(wěn)定性計(jì)算的精度影響并非很大，因此，它使分析計(jì)算工作大為簡(jiǎn)化。

1.2 軟件概述

Slide是加拿大RocScience公司的產(chǎn)品，該軟件使用垂直條塊極限平衡分析方法來(lái)分析滑動(dòng)面的穩(wěn)定性，可分析單條滑面，也可使用自動(dòng)搜索方法來(lái)搜尋給定邊坡的臨界滑動(dòng)面。集成了Bishop，Janbu，Spencer，GLE/M-P和其他一些方法；可考慮多種材料模型：各向異性、非線性摩爾—庫(kù)侖等；可進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性概率分析；可查看任意一條或全部已搜索到的潛在滑動(dòng)面，可對(duì)任意滑面顯示詳細(xì)計(jì)算信息；集成了有限元法，穩(wěn)態(tài)地下水建模、分析和數(shù)據(jù)解釋程序。

2 工程概況

2.1 工程簡(jiǎn)介

此項(xiàng)目為孝感市東城新區(qū)20 km2范圍內(nèi)的新建市政基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目，“五橫九縱”共14條道路。管道工程是基坑開(kāi)挖施工的主要內(nèi)容，其中雨水管等埋深較淺，不大于4 m，使用明槽開(kāi)挖方式施工，自然放坡，無(wú)支撐結(jié)構(gòu)。乾坤大道污水管埋深較深，使用頂管施工工藝。

2.2 地質(zhì)情況

該區(qū)域?qū)儆趬艒徠皆?，地?shì)變化大，高差可達(dá)13 m，地層自上而下為：①耕表土，以粘性土為主，含少量植物根系；②粉質(zhì)粘土，含少量高嶺土團(tuán)塊，均勻性較好；③粘土，含少量鐵錳質(zhì)氧化物及高嶺土成分，均勻性較好；④粉質(zhì)粘土，含少量鐵錳質(zhì)結(jié)核及條帶狀高嶺土，均勻性較好。各土層物理力學(xué)指標(biāo)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 基坑邊坡材料參數(shù)

2.3 邊坡情況

以乾坤大道某樁號(hào)處8 m深基坑作為算例。該基坑邊坡設(shè)為二級(jí)邊坡，坡比為1∶0.75，坡腳向上4 m垂直高度的地方設(shè)1.5 m寬的平臺(tái)。邊坡幾何形狀見(jiàn)圖1。溝槽內(nèi)開(kāi)挖的土方需臨時(shí)堆放在坡頂兩側(cè)，管道安裝結(jié)束進(jìn)行回填。堆土距離溝槽邊緣1 m,堆土寬度為6 m，土堆對(duì)邊坡的荷載按照均布荷載30 kN/m2計(jì)算。由于該區(qū)地下水位低，因此不考慮水流滲透對(duì)邊坡的影響。

3 安全系數(shù)驗(yàn)算

在參數(shù)面板中輸入邊界坐標(biāo)、地層坐標(biāo)，定義地層參數(shù)(見(jiàn)圖2)，外部荷載，滑動(dòng)面剖面線選擇圓弧(如圖3所示)滑動(dòng)面方向(見(jiàn)圖4)，考慮基坑土層內(nèi)摩擦角與粘聚力的隨機(jī)性，軟件搜索出最危險(xiǎn)滑動(dòng)面，并計(jì)算出安全系數(shù)，如圖5所示，得到安全系數(shù)為1.554。

4 結(jié)果分析

根據(jù)建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范[5]，對(duì)于二級(jí)邊坡土質(zhì)邊坡安全系數(shù)大于1.30即表明邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，因此該邊坡的坡面設(shè)置方案是合理的。除此之外，本文創(chuàng)新點(diǎn)在于考慮了土層內(nèi)摩擦角與粘聚力的變異性，并用正態(tài)隨機(jī)變量模擬了這種變異性，并將其反映到了危險(xiǎn)滑動(dòng)面搜索上，由圖5可見(jiàn)，除了臨界滑動(dòng)面以外，在不同高程處均有危險(xiǎn)滑動(dòng)面通過(guò)，這些不同的危險(xiǎn)滑動(dòng)面對(duì)于基坑邊坡的支護(hù)設(shè)計(jì)極其重要?？梢?jiàn)此隨機(jī)性對(duì)于危險(xiǎn)滑動(dòng)面的分布存在顯著影響，需要引起工程人員的高度重視。

5 結(jié)語(yǔ)

利用Slide軟件計(jì)算邊坡穩(wěn)定性，能夠極大提高工作效率。本文創(chuàng)新性的從考慮基坑土層內(nèi)摩擦角與粘聚力的隨機(jī)性出發(fā)，使用軟件搜索出最危險(xiǎn)滑動(dòng)面，并計(jì)算出安全系數(shù)。利用垂直條塊極限平衡分析方法來(lái)分析滑動(dòng)面的穩(wěn)定性，大幅度提高計(jì)算準(zhǔn)確性，能夠反映邊坡的力學(xué)特征。另外實(shí)際工程施工中，邊坡受雨水滲透因素影響較為明顯，應(yīng)嚴(yán)格控制坡頂堆載高度及范圍，及時(shí)做好基坑邊坡防排水和監(jiān)測(cè)工作。一旦發(fā)現(xiàn)隱患，可立即解除。