基于有限元的重慶某基坑邊坡破壞機(jī)理研究

萬財(cái)華，章 濤

（1.重慶中交置業(yè)有限公司，重慶 401320；2.重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶 400074）

1 工程概況

某基坑邊坡位于重慶市巴南區(qū)李家沱-魚洞組團(tuán)項(xiàng)目規(guī)劃用地范圍內(nèi)，該項(xiàng)目西臨萬達(dá)廣場(chǎng)和巴南區(qū)政府，北臨旭輝城。擬建場(chǎng)地建筑面積214 000m2。由6棟高層建筑（1～6號(hào)樓）、27棟多層住宅（7～33號(hào)樓）、1所幼兒園（34號(hào)樓）、地下車庫、配套用房及商業(yè)網(wǎng)點(diǎn)組成。場(chǎng)地平場(chǎng)后，場(chǎng)地東側(cè)與高速路位置存在4.5～26.0m高的環(huán)境邊坡，該段邊坡總長(zhǎng)度約413m。

2 工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

場(chǎng)地總體地形呈東高西低，地形坡角10°～20°，局部地段因工程建設(shè)形成填挖方邊坡，邊坡坡角30°～60°。地面高程為212.000～255.000m，相對(duì)高差約43m。場(chǎng)地最高點(diǎn)位于場(chǎng)地東側(cè)ZY293的用地紅線邊，高程約261.430m；最低點(diǎn)位于場(chǎng)地西南角的已建德普外國(guó)語學(xué)校5F教學(xué)樓處，高程約210.900m。

場(chǎng)地西北側(cè)的ZY1及ZY9鉆孔區(qū)域因德普外國(guó)語學(xué)校多功能廳的修建，在該建筑東側(cè)（即本次勘察用地紅線邊）形成最大高度約19m的挖方巖質(zhì)邊坡，坡角45°～55°，該邊坡已采取錨噴支護(hù)處理。而在場(chǎng)地內(nèi)分布較多的前期施工單位現(xiàn)場(chǎng)辦公區(qū)及農(nóng)民工宿舍，本次勘察的外業(yè)工作期間已逐步拆遷。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，場(chǎng)地內(nèi)無斷層及構(gòu)造破碎帶通過。場(chǎng)地構(gòu)造上位于川東南弧形構(gòu)造帶的宣漢—重慶平行褶皺束的南延部分，地質(zhì)構(gòu)造上位于南溫泉背斜西翼，巖層呈單斜產(chǎn)出。

在場(chǎng)地基巖露頭區(qū)測(cè)得巖層產(chǎn)狀260°～272°∠65°～72°（優(yōu)勢(shì)產(chǎn)狀：265°∠68°），層面結(jié)合程度差，屬軟弱結(jié)構(gòu)面。經(jīng)地質(zhì)調(diào)查及資料收集，場(chǎng)地基巖構(gòu)造裂隙較發(fā)育。在基巖露頭上測(cè)得兩組構(gòu)造裂隙，其特征敘述如下。

1）裂隙J1 產(chǎn)狀10°～30°∠30°～48°（優(yōu)勢(shì)產(chǎn)狀：20°∠38°），裂隙延伸長(zhǎng)度1～4m，間距0.2～0.6m，裂隙張開1～3mm，裂面平直，泥質(zhì)充填，結(jié)合程度很差，屬軟弱結(jié)構(gòu)面。

2）裂隙J2 產(chǎn)狀188°～215°∠50°～77°（優(yōu)勢(shì)產(chǎn)狀：205°∠72°），裂隙延伸長(zhǎng)度0.3～2.0m，間距1～4m。裂隙張開1～3mm，泥質(zhì)充填，裂面較平緩，結(jié)合程度很差，屬軟弱結(jié)構(gòu)面。

2.3 地層及巖性

1）素填土（Q4ml）碎塊石多呈次棱角狀，含量20%～25%，粒徑一般20～330mm，局部達(dá)800mm。結(jié)構(gòu)松散～稍密狀態(tài)，稍濕，為機(jī)械無序堆填，堆填時(shí)間2～3年。鉆探揭示層厚0.40～31.30m（ZY299）。

2）粉質(zhì)黏土（Q4el+dl）黃色、褐黃色、黃灰色為主，多呈可塑狀，場(chǎng)地中部低洼地帶及現(xiàn)狀水塘區(qū)域的表層0～1.50m呈軟塑。含少許強(qiáng)風(fēng)化砂巖、泥巖碎粒，粒徑5～20mm。切面稍有光澤，韌性中等，干強(qiáng)度中等，無搖振反應(yīng)，為殘坡積成因。鉆探揭示層厚 0.30～6.50m（ZY43）。

3）砂巖（Ss）灰黃色、褐灰色、灰色，中細(xì)粒結(jié)構(gòu)，厚層狀構(gòu)造。主要礦物成分石英、長(zhǎng)石，次為云母及暗色礦物，鈣泥質(zhì)膠結(jié)。該層零星分布于場(chǎng)地內(nèi)，根據(jù)本次勘察鉆探揭示，其單層厚度薄，一般1～3m或以薄層狀間夾于泥巖及頁巖中。

4）頁巖（Sh）黃褐色、深灰、灰黑色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄層狀構(gòu)造，主要由黏土礦物組成，局部可見薄層黑色介殼灰?guī)r伴生，無規(guī)律。

5）泥巖（Ms）黃褐色、紫紅～紅褐色、局部呈灰色，主要礦物成分為黏土礦物，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，中～厚層狀構(gòu)造，局部含砂質(zhì)較重。

3 Midas GTS NX簡(jiǎn)介

Midas是韓國(guó)POSCO集團(tuán)在1989年開發(fā)的產(chǎn)品，Midas GTS NX是Midas系列軟件中針對(duì)巖土領(lǐng)域研發(fā)的通用有限元分析軟件，該軟件前處理功能強(qiáng)大，建模方便快速，且支持靜力、動(dòng)力、滲流、應(yīng)力-滲流耦合、固結(jié)、施工階段、邊坡穩(wěn)定等多種分析類型，適用于地鐵、隧道、邊坡、基坑、樁基、水工、礦山等各種實(shí)際工程的準(zhǔn)確建模與分析，并提供多種專業(yè)化建模助手和數(shù)據(jù)庫[1-4]。Midas GTS NX建模分析求解及后處理過程如圖1所示。

圖1 Midas GTS NX數(shù)值分析過程

Midas GTS NX與其他巖土數(shù)值模擬軟件相比，該軟件的二維、三維建模過程更直觀、快速，具有可視化建模界面，能快速準(zhǔn)確生成自動(dòng)網(wǎng)格，具有各種專業(yè)的巖土分析模塊和強(qiáng)大的后處理功能。Midas GTS NX提供了豐富巖土本構(gòu)模型，如彈性、莫爾-庫倫、鄧肯-張、德魯克-普拉格、霍克-布朗、修正摩爾-庫倫、劍橋、特雷斯卡等模型[5-6]。

4 邊坡三維數(shù)值模擬

4.1 模型建立

建立該項(xiàng)目邊坡工點(diǎn)模型，概化邊坡地質(zhì)計(jì)算模型，如圖2所示。

圖2 三維計(jì)算模型

三維模型采用Midas GTS NX建模進(jìn)行分析。模型總共有20 786個(gè)節(jié)點(diǎn)，共29 103個(gè)單元。根據(jù)實(shí)際地形和概化情況，將模型分為3部分，最上部分為泥巖層，下部為砂巖層，最下部為基巖層。巖層參數(shù)如表1所示。巖土體模型采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型，單元類型為平面應(yīng)變，考慮路塹邊坡開挖工況。

表1 巖層參數(shù)

三維計(jì)算模型的網(wǎng)格劃分是根據(jù)尺寸以往項(xiàng)目數(shù)值計(jì)算經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行確定的，表層泥巖層單元長(zhǎng)度控制在3m，下部砂巖層單元長(zhǎng)度控制在4m，最下部基巖層單元長(zhǎng)度控制在5m。

4.2 計(jì)算模型結(jié)果分析

從沿模型邊坡長(zhǎng)度方向的位移云圖可得到路塹邊坡開挖坡面處有較大位移，在頂部泥巖層與下部砂巖層交界的層間結(jié)構(gòu)面位移尤其較大。

從邊坡豎向位移云圖可得到開挖坡面坡頂處和坡腳處是發(fā)生豎向位移最集中的位置，其中坡頂處坡體向下發(fā)生較大位移，而在坡腳位置處坡體出現(xiàn)豎向向上的分量位移，由于坡體在坡腳位置滑移剪出所產(chǎn)生的向上的分量位移。

從邊坡坡體等效塑性應(yīng)變?cè)茍D可知，邊坡在開挖位置的坡腳至坡頂出現(xiàn)貫通的圓弧帶狀塑性區(qū)域，并在開挖坡面處位置塑性應(yīng)變達(dá)到最大。塑性區(qū)在坡腳以上位置幾乎平行于邊坡開挖面，在坡腳及以下位置平行于層狀結(jié)構(gòu)面。塑性區(qū)在坡體后緣貫通至坡頂形成拉裂。

綜上，該坡體發(fā)生塑性屈服區(qū)位置與實(shí)際挖方邊坡現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)一致。

5 破壞機(jī)理

1）該段坡體由于坡腳處人工開挖切斷原有巖層，從而使自然坡度發(fā)生變化，破壞了原來的平衡，產(chǎn)生了大量的臨空面，致使坡腳產(chǎn)生應(yīng)力集中，根據(jù)文獻(xiàn)[7]可求出該段邊坡應(yīng)力集中段長(zhǎng)度約40m。

2）由于重慶地區(qū)降雨量豐富，炭質(zhì)泥巖受水的作用，泥巖軟化效應(yīng)明顯，層間抗剪強(qiáng)度降低，強(qiáng)度由峰值強(qiáng)度迅速降低至殘余強(qiáng)度。當(dāng)上覆巖體的下滑力大于實(shí)際抗滑力時(shí)，坡頂產(chǎn)生張拉裂縫，邊坡前段發(fā)生滑移-拉裂破壞。前段坡體破壞后，后段坡體前緣卸荷臨空，再次發(fā)生應(yīng)力集中，若邊坡下滑力大于實(shí)際抗剪阻力時(shí)，后段將發(fā)生破壞；若邊坡下滑力等于或小于實(shí)際抗滑力時(shí)，邊坡應(yīng)力重新調(diào)整，暫時(shí)保持穩(wěn)定，但暴雨、地震等外在因素下，邊坡還會(huì)繼續(xù)破壞。

研究表明，這類邊坡的變形破壞，其進(jìn)程主要取決于滑移面即炭質(zhì)泥巖的產(chǎn)狀和性質(zhì)。如果巖層傾角大于其內(nèi)摩擦角，一旦該滑移面被揭露臨空，后緣拉裂面一出現(xiàn)即迅速破壞。

6 結(jié)語

1）對(duì)重慶某基坑邊坡進(jìn)行有限元分析得到：塑性區(qū)在坡腳以上位置幾乎平行于邊坡開挖面，在坡腳及以下位置平行于層狀結(jié)構(gòu)面；開挖坡面坡頂處和坡腳處是發(fā)生豎向位移最為集中的位置，其中坡頂處坡體向下發(fā)生較大位移，而在坡腳位置處坡體出現(xiàn)豎向向上的分量位移。

2）研究表明：炭質(zhì)泥巖的軟化作用及路塹挖方卸載是導(dǎo)致坡體破壞的2個(gè)主要原因，其中炭質(zhì)泥巖的易滑特征起主導(dǎo)作用，工程建設(shè)中應(yīng)多加重視。