某工程基坑邊坡數(shù)值模擬

林永國，莊勝奇

(福建漳龍建投集團有限公司，福建漳州 363000)

在基坑工程施工中周邊環(huán)境簡單，開挖深度較淺時，為了節(jié)約成本、施工簡便，目前經(jīng)常會采用放坡開挖的方式，但是在軟土地區(qū)樁基已經(jīng)施工的情況下，基坑無支護放坡開挖易引起邊坡失穩(wěn)[1]，又由于軟土地區(qū)土應(yīng)力在超過土體強度之前就有很大的塑性變形，邊坡中土體應(yīng)力過大，土體發(fā)生滑動破壞，從而導(dǎo)致周圍建筑樁基以及基坑底部樁基偏移、破壞[2]。

谷文昌干部學(xué)院一期建筑基坑采用無支護放坡開挖的可能性，以及對樁基存在的影響，本文采用Matlab編程的Bishop法和強度折減法，研究基坑穩(wěn)定性。仿真結(jié)果同時與施工過程進行相互驗證表明：基坑放坡施工可能引起邊坡失穩(wěn)，并導(dǎo)致靜壓樁Z軸失穩(wěn)，亦會加大邊坡失穩(wěn)的概率，必須對邊坡采取支護措施。

1 邊坡風(fēng)險分析

1.1 工程概況

谷文昌干部學(xué)院一期工程地下室1層，基礎(chǔ)設(shè)計等級為乙級，樁基設(shè)計為乙級。采用預(yù)制方樁基礎(chǔ)(共計1 037根)，樁端設(shè)計持力層為“散體狀強風(fēng)化花崗巖層”。樁截面500 mm×500 mm和400 mm×400 mm兩種，樁長預(yù)估為14～28 m?？垢≡O(shè)計水位為黃海高程4.8 m。

設(shè)計總樁數(shù)1 037根，其中抗壓樁780根，樁型號：AZH50(AJZH50)，單樁豎向抗壓極限承載力標準值4000KN，樁端持力層為散體狀強風(fēng)化花崗巖(5)，樁端進入持力層深度不小于2.0D；抗壓兼抗拔樁161根，樁型號：AZH50(AJZH50)，單樁豎向抗壓極限承載力標準值4 000 kN，單樁抗拔極限承載力標準值960 kN，樁端持力層為散體狀強風(fēng)化花崗巖(5)，樁端進入持力層深度不小于2.0D；抗壓樁96根，樁型號：AZH40(AJZH40)，單樁豎向抗壓極限承載力標準值2 600 kN，樁端持力層為散體狀強風(fēng)化花崗巖(5)，樁端進入持力層深度不小于2.0D。基坑土壁以素填土層為主，還有局部淤泥層，應(yīng)充分考慮土體的時空效應(yīng)及蠕變性主要地質(zhì)情況見表1。

1.2 基坑邊坡分析

條分法和簡化Bishop法等是基坑邊坡安全性計算中較常采用的計算方法[1-3]。隨著商用軟件的推廣，技術(shù)人員傾向于采用可自動求解最小安全系數(shù)及臨界滑裂面強度折減法[5-7]，具有無須提前假定滑裂面的優(yōu)勢。

表1 場地土主要土質(zhì)參數(shù)

土體采用摩爾庫倫模型，平面應(yīng)變單元模擬，樁基采用線彈性樁單元模擬，整體有限元網(wǎng)格劃分見圖1。

圖1 模型網(wǎng)格劃分

本文采用Matlab編程，將土體參數(shù)的不確定性采用隨機有限元的方法嵌入到簡化Bishop法中，計算結(jié)果與商用有限元的強度折減法計算結(jié)果進行對比，繪制見表2。

表2 場地邊坡安全系數(shù)

從計算對比分析可見當基坑邊坡開挖1 m時，滑動面最小安全系數(shù)約為1.81～1.86，其中建筑物樁基部分落于淺層滑動面內(nèi)，全部落于深層滑動面內(nèi)，由于場地土體中分布有局部淤泥層，易導(dǎo)致樁基滑動偏移；當開挖完成時，滑動面中最小安全系數(shù)已經(jīng)在1左右，基坑臨邊在滑動破壞臨界狀態(tài)，此時深層滑動起到?jīng)Q定性作用，滑動應(yīng)變見圖2。

圖2 基坑邊坡最大剪切應(yīng)變

由圖2分析可知，采用Matlab編程的簡化Bishop法計算得到的深層滑動數(shù)據(jù)與強度折減法仿真結(jié)果近似，說明本分析反映了場地土體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，同時驗證了考慮土體參數(shù)變異性編程計算的可靠性。

2 樁基偏移的仿真模擬

2.1 仿真模型

基坑施工易導(dǎo)致先施工樁基的偏移變形，進而引起樁基斷裂等施工質(zhì)量問題。為了分析基坑開挖引起的邊坡滑動問題，進行有限元仿真模擬。

2.2 樁基偏移分析

圖3(a)為基坑開挖完成，周圍土體的水平變形圖。從圖中可以看出，坑底土體向坑內(nèi)方向水平偏移-54 mm。由此可見：基坑若采用放坡開挖，可能導(dǎo)致坑內(nèi)土體較大的偏移變形，并對周圍樁基造成影響。圖3(b)樁基因土體偏移引起的附加彎矩。由樁身彎矩可看出基坑邊坡采用無支護放坡開挖，邊坡土體向基坑方向滑移，土體的偏移，導(dǎo)致樁基的受力狀態(tài)發(fā)生變化，可能造成樁基出現(xiàn)偏移斷裂等質(zhì)量問題發(fā)生。

3 技術(shù)措施

根據(jù)以上分析，基坑支護采用噴錨支護，地下室邊坡設(shè)計采用噴錨支護、坡度1∶0.6～1∶1。坡面采用內(nèi)掛φ6.5@250×250鋼筋網(wǎng)并噴射C20混凝土厚80 mm進行護面，設(shè)長度1 000 mm插筋，φ14@2000×2000梅花形布置，并設(shè)長度1 000 mm，φ100PVC泄水管，間距2000×2000梅花形布置，入土部分打φ6@50麻花眼，外包兩層無紡?fù)凉げ迹鈨A3 %。

開挖方式：分三層開挖，第一層開挖深度2.0 m，第二層開挖深度1.4 m，第三層開挖深度1.0 m，最后留0.2 m人工撿底。如圖4所示。裝載機留坡道并為下層作好道路墊實工作。作好護壁工作面的修整、交叉配合工作。在基坑邊緣線5.0 m以外，對護壁不產(chǎn)生大的影響的情況下，可連續(xù)開挖下一層。待周邊噴錨完成后，清理周邊，向下挖掘。

(a)土水平位移

圖4 基坑開挖示意(單位：mm)

最后由反鏟挖掘機依留設(shè)坡道的反序收出土坡道。開挖工作面溝槽土方時，機械行走路線須與支護施工配合，盡量不影響支護結(jié)構(gòu)。

4 結(jié) 論

綜上所述，應(yīng)用Matlab編程與有限元仿真對谷文昌干部學(xué)院一期工程基坑施工進行分析，得出如下結(jié)論：

在土質(zhì)不均狀況下，基坑開挖必須重視邊坡支護施工，基坑周邊存在淺層和深層滑動同時出現(xiàn)的可能，同時引起樁基破壞，必須對邊坡采取支護措施。