基坑邊坡開挖過(guò)程變形特性分析

冉益銘 王炳元 李勇斐

（重慶科技學(xué)院建筑工程學(xué)院，重慶 401331）

0 引言

中國(guó)是一個(gè)多山的國(guó)家，隨著人口越來(lái)越多，可供使用的土地變得越來(lái)越少，所以人們把目光逐漸放到山地以及地下空間，這自然而然就會(huì)形成許多邊坡[1]。

邊坡就是地質(zhì)構(gòu)造或人為開挖形成的臨空面。在其漫長(zhǎng)的生成年代里，坡體中除了自重應(yīng)力外，隨著地形地貌、地質(zhì)環(huán)境的改變，地質(zhì)構(gòu)造產(chǎn)生的構(gòu)造應(yīng)力也不相同。同時(shí)，由于地下水位變化、地表水下滲、人類工程活動(dòng)的影響，邊坡的應(yīng)力狀態(tài)也在不斷地改變。所以，邊坡穩(wěn)定是我們應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注的一個(gè)問(wèn)題。

為了讓邊坡處于一種安全穩(wěn)定的狀態(tài)，需要對(duì)其采用一些支護(hù)措施，對(duì)于高度較高的邊坡，樁板擋墻為一種常用的支護(hù)方式。即使采取了支護(hù)措施，但在一些如降雨、地震等不確定條件的影響下，邊坡也并不是完全處于安全狀態(tài)的，所以邊坡變形是值得重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象[2]。本文就基坑邊坡開挖過(guò)程的變形特性進(jìn)行分析。

1 工程概況

本工程為重慶某建筑基坑邊坡，因地形較為復(fù)雜，對(duì)邊坡進(jìn)行分段支護(hù)，本文以長(zhǎng)度約為80m，坡高約8m的一段邊坡為對(duì)象，對(duì)典型剖面進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

1.1 地層構(gòu)造

從地勘報(bào)告可知，擬建場(chǎng)地的地層巖土分布如下∶

（1）素填土：場(chǎng)地內(nèi)大范圍填土呈雜色，主要由粉質(zhì)黏土夾砂巖、泥巖碎塊石、碎屑組成，松散～稍密，稍濕，碎塊石含量約為30%～80%，粒徑一般為10～300mm，局部最大塊徑可達(dá)1.5m，均勻性較差，架空結(jié)構(gòu)明顯，為原經(jīng)緯大道施工時(shí)機(jī)械隨意拋填，回填時(shí)間為3～8年，局部區(qū)域存在新近素填土，為擬建場(chǎng)地北側(cè)建筑施工時(shí)機(jī)械隨意回填，回填時(shí)間為1～3年。本次鉆探揭露厚度0.30（XK40）～10.90m（XK25），場(chǎng)地覆蓋層分布范圍廣、厚度差異大。

（2）粉質(zhì)黏土：紫紅色，黃褐色，無(wú)搖振反應(yīng)，切面稍有光澤，呈可塑狀，為中等壓縮性土，干強(qiáng)度中等，韌性中等。該層在場(chǎng)地零星揭露，主要分布在場(chǎng)地南側(cè)的斜坡中部平臺(tái)地段[3]，揭露厚度0.50m～2.00m（XK17），發(fā)現(xiàn)此區(qū)域10年前曾培育過(guò)樹苗，后樹木被移除后，當(dāng)?shù)夭宿r(nóng)剔除大部分塊石后種菜。

（3）泥巖：紫紅色、暗紫色，主要由黏土礦物等組成，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，厚層狀構(gòu)造，局部砂質(zhì)含量較重，鉆孔揭露單層厚0.50m（PK8）～29.24m（XK39），為擬建場(chǎng)地主要巖層，該層與砂巖呈互層或夾層，局部呈透鏡體出現(xiàn)。該層廣泛分布于場(chǎng)地區(qū)域，為本場(chǎng)地主要巖性。

場(chǎng)地內(nèi)基巖頂面埋深0.00（BZY109）～9.70m(XK3)，基巖面標(biāo)高范圍196.95m（XK3）～261.69m（BZY109），基巖面標(biāo)高差異大，基巖面坡度約0～65°，與地形基本一致呈南高北低之勢(shì)?；鶐r面差異大主要是由于人類工程活動(dòng)的影響：擬建場(chǎng)地南側(cè)經(jīng)緯大道施工過(guò)程中，曾沿現(xiàn)狀高邊坡傾倒部分開挖碎塊石，導(dǎo)致現(xiàn)狀邊坡覆蓋層厚度增大，且局部區(qū)域存在大量塊石；擬建場(chǎng)地南側(cè)高邊坡，依山建房，多處存在人工切坡現(xiàn)象；擬建場(chǎng)地中部第二階平臺(tái)(XK20附近)，為原玻璃廠遺址，拆遷后回填土層種植樹木，后樹木移植后作為菜地使用（使用年限約8年）。

1.2 水文地質(zhì)條件

擬建場(chǎng)地西北側(cè)有一人工湖泊—天地湖，人工湖距離場(chǎng)地紅線最近約100.00m。該天地湖水位常年穩(wěn)定，水位設(shè)計(jì)標(biāo)高約194.50m，勘察期水位為194.30m。天地湖在修建期間在湖底部采用了防滲水和隔水措施，但由于湖水長(zhǎng)時(shí)間對(duì)湖底侵蝕，曾有漏水現(xiàn)象發(fā)生，后經(jīng)過(guò)修繕處理已不滲漏。擬建場(chǎng)地距離天地湖較遠(yuǎn)，擬建物最低標(biāo)高為201.40m，場(chǎng)地與天地湖間隔較遠(yuǎn)，天地湖地下水對(duì)擬建場(chǎng)地影響小。

場(chǎng)地內(nèi)地下水主要為大氣降水經(jīng)土層滲透補(bǔ)給，場(chǎng)地地下水受大氣降水影響較大，雨季地下水較豐富[4]?？辈炱陂g鉆孔中未測(cè)得地下水位，所有鉆孔均為干孔，說(shuō)明天地湖地表水對(duì)場(chǎng)地的影響小，場(chǎng)地內(nèi)地下水與天地湖地表水無(wú)水力聯(lián)系。場(chǎng)地地下水主要分布于原始低洼地帶，受季節(jié)及降雨影響較大，場(chǎng)地鉆探深度范圍內(nèi)地下水復(fù)雜程度簡(jiǎn)單，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況基本一致?？辈靺^(qū)地下水較貧乏，水文地質(zhì)條件總體簡(jiǎn)單。

1.3 支護(hù)方式

根據(jù)市政規(guī)劃，場(chǎng)地南東側(cè)建筑紅線與軌道交通9號(hào)線的保護(hù)線部分重疊，目前該段軌道交通正在進(jìn)行施工階段。根據(jù)設(shè)計(jì)意圖，軌道9號(hào)線在該段采用隧道穿越，擬建場(chǎng)地南東側(cè)紅線約8.80m為軌道交通九號(hào)線隧道出口段，設(shè)計(jì)標(biāo)高224.06～230.31m，硐高9.50m。擬建場(chǎng)地建筑紅線距離隧道保護(hù)結(jié)構(gòu)比較近，另外擬建場(chǎng)地在軌道保護(hù)線以內(nèi)邊坡覆蓋層較厚，開挖會(huì)對(duì)軌道穩(wěn)定性產(chǎn)生影響；建議軌道保護(hù)線以內(nèi)環(huán)境邊坡采用樁板擋墻，通過(guò)強(qiáng)支護(hù)減少對(duì)軌道交通九號(hào)線的影響。應(yīng)遵循先治理后開挖的原則，待混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，方可開挖邊坡[5]。該段邊坡應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)工作，實(shí)施運(yùn)行監(jiān)測(cè)和效果監(jiān)測(cè)，并結(jié)合日常巡視，如遇監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異?；颥F(xiàn)場(chǎng)邊坡變形破壞，應(yīng)及時(shí)查找原因并啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案。該段邊坡治理難度大、費(fèi)用高，但有效治理后，將對(duì)軌道交通九號(hào)線的影響較小。

1.4 地震效應(yīng)影響

場(chǎng)地建設(shè)用地紅線范圍內(nèi)無(wú)可液化土，不存在土層地震液化問(wèn)題；按設(shè)計(jì)標(biāo)高平場(chǎng)后，場(chǎng)地大部分區(qū)域覆蓋層厚度不大[6]，但是南東側(cè)區(qū)域擬建物外側(cè)、建筑紅線和在建軌道保護(hù)線重疊區(qū)域，覆蓋層較厚，在地震作用下場(chǎng)地內(nèi)填土可能發(fā)生不均勻沉降，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定不利，由于此區(qū)域邊坡開挖對(duì)軌道影響較大，建議不要擾動(dòng)該區(qū)域，或者進(jìn)行強(qiáng)支擋后開挖邊坡；場(chǎng)地部分地段基巖面坡度陡，且上覆土層厚度大，地震時(shí)可能產(chǎn)生滑坡，建議加強(qiáng)支擋。擬建場(chǎng)地整平后，部分基底基巖出露，部分地段土層厚度大，建筑設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意建筑有效嵌固問(wèn)題[7]。本段邊坡采用樁板擋墻進(jìn)行支護(hù)，樁距4.00m，為圓形樁，樁長(zhǎng)取兩倍開挖深度，樁徑為1.50m。

1.5 施工步驟及施工措施

先對(duì)排樁進(jìn)行施工，待達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，分四次進(jìn)行開挖，每次2m。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查和鉆探顯示，場(chǎng)區(qū)內(nèi)未見崩塌、滑坡、泥石流、巖溶、地面沉降等不良地質(zhì)作用。

場(chǎng)地素填土在樁基礎(chǔ)施工過(guò)程中可能發(fā)生局部塌陷或塌孔事故，應(yīng)采取壓實(shí)和護(hù)壁措施，確保施工安全和成樁質(zhì)量。

場(chǎng)地基坑邊坡較高，降雨期間施工易形成基坑（槽）積水，降低巖土體抗剪強(qiáng)度，可能存在邊坡坍塌的風(fēng)險(xiǎn)；擬建場(chǎng)地可能采用人工挖孔樁，人工挖孔樁施工過(guò)程中，可能存在高處墜落事故、物體打擊事故、坍塌事故、觸電事故等風(fēng)險(xiǎn)。

場(chǎng)地巖層膠結(jié)差異大，同種巖石力學(xué)強(qiáng)度變異性較大，現(xiàn)有勘探點(diǎn)密度所揭露的巖性和取樣試驗(yàn)結(jié)果并不一定能完全代表整個(gè)場(chǎng)地，施工期間可能出現(xiàn)部分基礎(chǔ)持力層抗壓強(qiáng)度值低于設(shè)計(jì)值的情況。建議在基礎(chǔ)開挖時(shí)加強(qiáng)基坑驗(yàn)槽及取樣試驗(yàn)工作，當(dāng)出現(xiàn)低于設(shè)計(jì)要求的試驗(yàn)強(qiáng)度值時(shí)[8]，應(yīng)同參建各方及時(shí)會(huì)商解決。

1.6 參數(shù)選取

結(jié)合巖土室內(nèi)試驗(yàn)及經(jīng)驗(yàn)取值，各巖土層及支擋結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 材料參數(shù)

2 有限元模擬及結(jié)果分析

2.1 有限元模型的建立

本項(xiàng)目用有限元分析軟件對(duì)基坑邊坡開挖過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，基本假定如下：

（1）巖土體采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型，支護(hù)結(jié)構(gòu)采用彈性本構(gòu)；

（2）采用平面應(yīng)變單元對(duì)巖土體進(jìn)行模擬，用梁?jiǎn)卧獙?duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬[9]；

（3）建模時(shí)豎向距離取開挖深度的3倍，水平范圍選取開挖深度的2.5倍；

網(wǎng)格劃分后形成820個(gè)單元和786個(gè)節(jié)點(diǎn)，原始模型以及施工完成后模型如圖1、圖2所示。

圖1 邊坡施工前模型

圖2 邊坡施工完成后模型

2.2 施工工況模擬

基坑邊坡施工為順作法分層開挖，施工工況如下：

（1）工況一：添加邊界條件，添加自重，位移清零。

（2）工況二：施工排樁，長(zhǎng)度為16.00m，樁徑1.50m，梁?jiǎn)卧獙傩栽O(shè)置樁間距4.00m。

（3）工況三：開挖第一層土體至-2.00m。

（4）工況四：開挖第二層土體至-4.00m。

（5）工況五：開挖第三層土體至-6.00m。

（6）工況六：開挖第四層土體至-8.00m。

對(duì)每個(gè)開挖工況進(jìn)行應(yīng)力分析。

2.3 結(jié)果分析

開挖完成后，邊坡的水平位移云圖如圖3所示。

圖3 施工完成后排樁水平位移云圖

由圖3可見最大水平位移發(fā)生在坡頂，為29mm，邊坡位移控制為工程的一個(gè)重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象[10]，繪制各工況下排樁的水平位移曲線，如圖4所示。

圖4 各開挖步排樁水平位移曲線

隨著基坑開挖，不同開挖步下排樁的水平位移變化趨勢(shì)大致相同[11]，樁身最大水平位移均出現(xiàn)在樁頂。各開挖步下樁體最大水平位移與最大值增量如表2所示。

表2 樁體最大水平位移及其增量

由表2可知，在基坑開挖時(shí)，樁體水平位移逐步增大，但是樁體水平位移最大值增量卻先增大后減小，第四步增量較小的原因可能是第四步開挖到達(dá)巖層，由表2分析得出在基坑開挖時(shí)，在開挖深度較大時(shí)應(yīng)該控制土石方開挖深度或采取相應(yīng)措施控制變形[12]。

對(duì)基坑邊坡地表沉降圖分析可知，在基坑開挖過(guò)程中，隨著開挖步的進(jìn)行，基坑周邊地表沉降值逐漸增大[13]。對(duì)單一開挖步地表沉降曲線進(jìn)行分析，總體上來(lái)看，基坑邊坡地表沉降值與距坡頂邊線距離呈反比，但在距坡頂較近處出現(xiàn)反彎趨勢(shì)，開挖完成后基坑邊坡坡頂?shù)乇碜畲蟪两抵禐?2.12mm。

擬建場(chǎng)地按地下車庫(kù)設(shè)計(jì)標(biāo)高開挖后，形成基坑邊坡，場(chǎng)地周邊按環(huán)境標(biāo)高平場(chǎng)形成環(huán)境邊坡。工程施工期間主要的地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)為基坑邊坡和環(huán)境邊坡的穩(wěn)定性，挖方巖質(zhì)邊坡開挖后將改變自然斜坡原有的穩(wěn)定性，巖質(zhì)邊坡可能會(huì)沿外傾結(jié)構(gòu)面發(fā)生傾倒破壞。挖方土質(zhì)邊坡和填方邊坡填筑后坡角變陡，填土內(nèi)聚力小，自穩(wěn)能力差，易產(chǎn)生土體內(nèi)部圓弧滑動(dòng)破壞[14]。若施工過(guò)程中邊坡失穩(wěn)將造成人員傷亡、設(shè)備損毀、建（構(gòu)）筑物的破壞等經(jīng)濟(jì)損失，造成的后果嚴(yán)重。

施工過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格按《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB50330-2013）及勘察設(shè)計(jì)要求進(jìn)行邊坡支護(hù)的施工。邊坡施工建議采用分段跳槽、自上而下、及時(shí)支護(hù)的逆作法施工，邊坡工程宜采用動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，信息施工法，并在施工過(guò)程中和邊坡完成后，加強(qiáng)邊坡變形監(jiān)測(cè)工作。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文利用數(shù)值模擬軟件對(duì)重慶市某建筑基坑邊坡開挖過(guò)程進(jìn)行二維有限元模擬，邊坡采用先支護(hù)后開挖的施工方式[15]。對(duì)邊坡開挖過(guò)程的變形特性進(jìn)行分析，得出結(jié)論如下：

（1）在開挖過(guò)程中，排樁最大水平位移始終發(fā)生在樁頂，樁頂水平位移隨開挖過(guò)程逐步增大。

（2）隨著基坑邊坡開挖，坡頂土體的沉降值隨開挖的進(jìn)行而增大，對(duì)于單次開挖步，基坑邊坡地表沉降值與距坡頂邊線距離呈反比，但在距坡頂較近處出現(xiàn)反彎趨勢(shì)。