復(fù)雜地質(zhì)條件下深基坑巖土邊坡穩(wěn)定性研究

楊 峰

(浙江化工工程地質(zhì)勘察院有限公司，浙江 杭州 311122)

深基坑是指工程地質(zhì)情況和周圍環(huán)境特別復(fù)雜，且深度低于5 m的工程挖掘深度稱為深基坑[1]。基坑工程是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，包含支護(hù)體系、施工以及土方挖掘施工部分[2]，在深基坑工程中，巖土工程的邊坡穩(wěn)定性是一個重要的研究方向。邊坡的穩(wěn)定性與工程的使用壽命、安全等均存在直接關(guān)聯(lián)[3]。復(fù)雜地質(zhì)指的是地層、巖性、構(gòu)造以及水文等內(nèi)容變化比較復(fù)雜的地質(zhì)[4]，該類地質(zhì)存在不同程度的變化，變化越大地質(zhì)越復(fù)雜；并且?guī)r層中存在深度變質(zhì)、顯著的巖相變化[5]，存在多成分的混入巖等，褶皺以及斷裂明顯。我國諸多地區(qū)均屬于復(fù)雜地質(zhì)，在該地質(zhì)條件下進(jìn)行相關(guān)作業(yè)、建設(shè)以及其他工程時，需重點考慮深坑基巖土邊坡穩(wěn)定性，以此可保證作業(yè)的安全、建筑的使用壽命[6]。

針對該地質(zhì)條件下深坑基巖土邊坡穩(wěn)定性，有關(guān)學(xué)者采用LASSO算法分析邊坡穩(wěn)定性[7]，還有學(xué)者基于關(guān)鍵塊體理論對巖體穩(wěn)定性展開相關(guān)分析[8]。上述方法均在一定程度上為深坑基巖土邊坡的穩(wěn)定的支護(hù)提供了依據(jù)。但是對于復(fù)雜地質(zhì)條件的分析和考量仍舊需要進(jìn)一步研究。本文以某地區(qū)的建設(shè)為例，針對復(fù)雜地質(zhì)條件展開相關(guān)研究和分析，在此基礎(chǔ)上研究深坑基的施工工藝以及支護(hù)體系，最后對其巖土邊坡穩(wěn)定性展開分析，為建設(shè)提供可靠、全面的數(shù)據(jù)依據(jù)。

1 工程地質(zhì)概況

1.1 地形地貌

研究區(qū)域的原始地形屬于洪積平原，地勢呈現(xiàn)由北向南逐漸降低，高程+15～+35 m，將二級階地作為勘察區(qū)域，勘察區(qū)域現(xiàn)場如圖1所示。

圖1 勘察區(qū)域現(xiàn)場Fig.1 Site map of survey area

該區(qū)域地勢較為平坦，地面標(biāo)高在+30.05～+30.65 m。采用鉆探方式獲取勘察場地的地質(zhì)樣本[9]，對其分析后發(fā)現(xiàn)該地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，存在褶皺和斷裂構(gòu)造，其地質(zhì)詳細(xì)情況如下所述。

(1)褶皺。該地區(qū)的褶皺地質(zhì)構(gòu)造由東向西，并且呈現(xiàn)開平向斜，以此為起點向東轉(zhuǎn)，接近東西方向，形成1條弧形彎曲，且呈現(xiàn)西北方向明顯突出，并且西北方向的地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度較高，巖層存在很大的傾角，甚至局部存在直立或者倒轉(zhuǎn)情況。

(2)斷裂。該地區(qū)的斷裂兩側(cè)的地貌情況存在明顯差異，斷裂東面為高夷平面，西面為傾斜平原。斷裂的東北區(qū)域呈現(xiàn)45°±5°的東北角度，朝北西方向傾斜，為高角度正斷層；斷裂的西南區(qū)域呈現(xiàn)28°±3°的北東角度，朝北西的方向傾斜，主要為平行的斷層，并且東方區(qū)域存在斷層分支。

1.2 工程概況

研究建筑工程的規(guī)劃占地面積3.6萬m2，建筑為4層樓體，均位于地下，基礎(chǔ)埋深30 m，北側(cè)建筑的東西方向總長約220 m，南側(cè)建筑的東西方向總長約191 m，南北寬度約160 m。該工程的東側(cè)進(jìn)行其他工程的建設(shè)，其基礎(chǔ)埋深為20 m，設(shè)有水泥粉煤灰碎石樁，距離研究工程槽邊45 m左右；南側(cè)地下存在電網(wǎng)、通信等多種線路，埋深均在3.2 m以內(nèi)；西側(cè)為地上3層百貨大樓，埋深約為8 m，距離研究工程槽邊38 m左右；北側(cè)為居民住宅小區(qū)，埋深情況不知，距離本文研究工程槽邊27 m左右。因此，本文研究工程在施工過程中，需關(guān)注周邊建筑的情況[10]，重點考慮東側(cè)的在建工程。

1.3 工程地質(zhì)條件

根據(jù)鉆探的巖土勘察報告得出，研究工程的深坑基開挖以及支護(hù)體系建立所涉及的土層包含6種，各土層的物理相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 土層的相關(guān)參數(shù)Tab.1 Related parameters of soil layer

1.4 深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)

深坑基開挖后，需選擇合適的支護(hù)結(jié)構(gòu)保證其穩(wěn)定性，支護(hù)結(jié)構(gòu)的選擇和使用需結(jié)合工程的實際情況、周邊環(huán)境、建設(shè)荷載以及地質(zhì)條件、安全等級等多種因素完成[11]。常用的支護(hù)形式有樁錨和樁撐支護(hù)以及地下連續(xù)墻等，不同的支護(hù)結(jié)構(gòu)的建設(shè)周期和成本也存在明顯差異[12]，結(jié)合實際工程情況以及周邊建設(shè)荷載情況，在保證安全的基礎(chǔ)上，降低支護(hù)結(jié)構(gòu)的建設(shè)成本。因此，本文選取了樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 深坑基的支護(hù)結(jié)構(gòu)Fig.2 Supporting structure of deep pit foundation

支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠在深基坑成形初期，控制邊坡上巖土層[13]；當(dāng)深坑基在成形后期時，巖土邊坡受到施工車輛的運行以及施工產(chǎn)生振動影響，其穩(wěn)定性會受到影響[14]。本文結(jié)合該情況，在設(shè)計支護(hù)結(jié)構(gòu)時，向邊坡巖土中植入錨桿，且依據(jù)錨固作用完成[15]，以此對不同土層實行整體緊縮，通過錨桿的預(yù)應(yīng)力作用，增加各個土層之間的摩擦力[16]，提升邊坡的穩(wěn)定性；并且?guī)r土各層之間的剪力可由錨桿承擔(dān)，極大限度地約束邊坡土層之間的分離變形，以此保證邊坡在周期性荷載下的穩(wěn)定性。

Mmax和σmax分別表示變形彎矩拉應(yīng)力，且為最大值；復(fù)雜地質(zhì)條件下深基坑巖土邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)的Mmax和σmax計算公式為：

(1)

式中,H為應(yīng)力；G為荷載，為垂直；k為支護(hù)結(jié)構(gòu)的跨度；E為彈性模量；I為慣性矩；m1、m2均為描述巖土滲透性的常量，為固定值；λ為抗彎系數(shù)，對應(yīng)支護(hù)結(jié)構(gòu)；θ為夾角，對應(yīng)錨桿和邊坡面之間。

1.5 巖土邊坡穩(wěn)定性計算

依據(jù)該地區(qū)復(fù)雜地質(zhì)情況以及工程的地質(zhì)巖土層的分布情況[17]，并考慮Mmax和σmax，采用傳遞系數(shù)法并結(jié)合理正巖土軟件完成巖土深基坑邊坡穩(wěn)定性計算，其計算公式為[18]：

(2)

式中，γs為邊坡穩(wěn)定系數(shù)，該值大于1.2時，表明邊坡穩(wěn)定性較好，低于該值為邊坡存在不穩(wěn)定性；Wi為重力；αi和βi均為夾角，前者對應(yīng)滑動和水平2個面之間，后者對應(yīng)坡面和水平2個面之間；Ri為抗滑動能力；φi為內(nèi)摩擦角；φi為傳遞系數(shù)；Ti和Qi均為分力，前者對應(yīng)滑動方向，后者對應(yīng)法向；Ci為黏聚力；Li為滑動坡面長度；i為第i段巖土邊坡。

1.6 邊坡剪切應(yīng)力分析

有限元分析法是一種能夠計算工程實際問題的方法，能夠完成真實環(huán)境的模擬，其采用數(shù)學(xué)近似方法完成。本文采用該方法對復(fù)雜地質(zhì)條件深基坑巖土邊坡受到外界環(huán)境作用后[19]產(chǎn)生的最大振動受力以及穩(wěn)定性實行模擬，并通過該方法中的分析軟件完成邊坡模型構(gòu)建，且該模型按照巖土邊坡實際幾何尺寸完成[20-23]。模型構(gòu)建完成后，需實行網(wǎng)格劃分，采用有限元方法中的八節(jié)點四邊形積分單元完成。網(wǎng)格劃分情況如圖3所示。

圖3 深基坑巖土邊坡模型網(wǎng)格劃分Fig.3 Grid division of geotechnical slope model of deep foundation pit

網(wǎng)格劃分后，設(shè)定約束條件，將水平位移和垂直位移分別限制在模型的左右和底部邊界。除此之外，采用理想彈塑性本構(gòu)模型完成巖土體的約束，且該模型需滿足破壞準(zhǔn)則和非關(guān)聯(lián)流動法則。

2 實驗結(jié)果分析

復(fù)雜地質(zhì)條件深基坑巖土邊坡穩(wěn)定性與支護(hù)結(jié)構(gòu)存在直接關(guān)聯(lián)，對支護(hù)結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)實行測試，分析其對邊坡力學(xué)性能參數(shù)的影響，獲取在不同內(nèi)摩擦角的情況下，隨著黏聚力的逐漸增加，邊坡力學(xué)性能的變化結(jié)果，見表2。分析表2中的數(shù)據(jù)可知，隨著支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)摩擦角的逐漸增加，邊坡力學(xué)性能呈現(xiàn)穩(wěn)定上升趨勢，摩擦角越大邊坡的力學(xué)參數(shù)也越大；并且在不同的黏聚力下，黏聚力越大，隨著內(nèi)摩擦角的逐漸增加，巖土邊坡力學(xué)參數(shù)的增加也越明顯。因此，支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)摩擦角和黏聚力的提升，能夠提升復(fù)雜地質(zhì)條件下深基坑巖土邊坡的力學(xué)性能，表示邊坡的穩(wěn)定性提升，則在選擇支護(hù)結(jié)構(gòu)時，可依據(jù)實際工程情況以及成本規(guī)劃，選擇內(nèi)摩擦角和黏聚力合適的支護(hù)材料，最大限度地保證巖土邊坡的穩(wěn)定性。

表2 邊坡力學(xué)性能的變化結(jié)果Tab.2 Change results of mechanical properties of slope

為直觀體現(xiàn)邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)對于深基坑巖土邊坡穩(wěn)定性的作用，對使用支護(hù)結(jié)構(gòu)后的支護(hù)范圍內(nèi)的巖土層位移情況實行監(jiān)測，獲取深基坑開挖初期至末期過程中，支護(hù)錨桿中間位置以及頂部巖土的位移監(jiān)測結(jié)果。每天獲取5次監(jiān)測數(shù)據(jù)，取5次結(jié)果的平均值，見表3。

表3 支護(hù)錨桿中間位置以及頂部巖土的位移結(jié)果Tab.3 Displacement results of middle position and top rock and soil of supporting bolt

分析表3中的數(shù)據(jù)可知，在長達(dá)45 d的監(jiān)測時間下，支護(hù)錨桿中間位置以及頂部巖土發(fā)生不同程度的位移。支護(hù)錨桿中間位置的位移在20～30 d內(nèi)，邊坡的位移發(fā)生明顯波動，最大位移量為2.2 mm，該現(xiàn)象是由于深基坑的開挖深度逐漸增加，產(chǎn)生的震動等因素造成邊坡發(fā)生一定的擾動，引起位移量的波動；當(dāng)超過30 d以后，巖土在錨桿的支護(hù)作用下，可保證巖土邊坡的穩(wěn)定，因而位移量又重新趨于平穩(wěn)。此外，支護(hù)錨桿頂部巖土的位移量相對較為平穩(wěn)，只在開挖初期的15 d內(nèi)發(fā)生較小的位移波動外，均處于較為平穩(wěn)狀態(tài)，因此，支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠提升復(fù)雜地質(zhì)條件深基坑巖土邊坡穩(wěn)定性。

為深入分析復(fù)雜地質(zhì)條件深基坑巖土邊坡穩(wěn)定性，結(jié)合該地區(qū)的地形地貌情況，在45°±5°的東北角度，朝北西方向傾斜以及在28°±3°的北東角，朝北西的方向傾斜的高角度正斷層和平行斷層2種斷層下，隨著深基坑開挖深度的逐漸增加時，2種工況的結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 高角度正斷層下邊坡穩(wěn)定系數(shù)的結(jié)果Fig.4 Results of slope stability coefficient under high-angle normal fault

圖5 平行斷層下邊坡穩(wěn)定系數(shù)的結(jié)果Fig.5 Results of slope stability coefficient under parallel faults

分析圖4和圖5可知，在2種斷層下，隨著開挖深度的逐漸增加，不同工況下的γs發(fā)生不同程度的波動變化。高角度正斷層下，2種工況下的γs均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢；平行斷層下，2種工況下的邊坡γs均呈現(xiàn)先上升后下降又上升的趨勢。依據(jù)變化曲線可知，降雨工況下，巖土的γs結(jié)果低于正常工況。

褶皺也是文中研究地區(qū)的一種地質(zhì)構(gòu)造，分析在該地質(zhì)構(gòu)造下，深基坑逐步開挖過程中，2種工況下，邊坡穩(wěn)定性變化情況，采用穩(wěn)定系數(shù)γs描述邊坡的穩(wěn)定性，結(jié)果如圖6所示。

圖6 褶皺區(qū)域下邊坡穩(wěn)定性變化情況Fig.6 Variation of slope stability under fold area

分析圖6可知，在褶皺地質(zhì)區(qū)域下，隨著深基坑開挖深度的逐漸增加，γs發(fā)生差異性的變化，其中開挖深度越深，γs的值越低；并且，降雨工況下的γs結(jié)果明顯低于正常工況的γs結(jié)果。該結(jié)果表明，復(fù)雜地質(zhì)情況會影響深基坑巖土邊坡穩(wěn)定性，同時，不同工況也會影響巖土邊坡穩(wěn)定性。

在支護(hù)結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)下，巖土邊坡位移場矢量結(jié)果和巖土邊坡剪應(yīng)力的變化結(jié)果，分別如圖7、圖8所示。

圖7 巖土邊坡位移場矢量結(jié)果Fig.7 Vector results of geotechnical slope displacement field

分析圖7和圖8結(jié)果可知，當(dāng)深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)處于極限狀態(tài)時，巖土邊坡土體開始發(fā)生位移，發(fā)生位移的土體主要在接近坡腳的區(qū)域，并且最大位移量達(dá)到1.721 mm；在重力的作用下，巖土邊坡內(nèi)部產(chǎn)生圓弧形分界帶，其中最大剪切應(yīng)力發(fā)生在接近坡腳的區(qū)域，該結(jié)果與圖7的位移結(jié)果相對應(yīng)，表示支護(hù)結(jié)構(gòu)在極限狀態(tài)下，接近坡腳的區(qū)域最先發(fā)生剪切破壞，并向巖土邊坡的頂層擴(kuò)展；此外，坡腳的區(qū)域沒有發(fā)生剪切破壞，穩(wěn)定性較好。

圖8 巖土邊坡剪應(yīng)力變化結(jié)果Fig.8 Shear stress change results of rock-soil slope

3 結(jié)語

深基坑巖土邊坡的穩(wěn)定性會受到巖土所處地質(zhì)條件以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，復(fù)雜地質(zhì)條件下，地質(zhì)的多變性、不均勻性等特征，均會導(dǎo)致巖土邊坡穩(wěn)定性的變化。巖土邊坡發(fā)生失穩(wěn)后，會引起滑坡等情況，影響工程的正常進(jìn)行，甚至?xí)斐奢^大的經(jīng)濟(jì)損失。

本文以某工程為例，針對復(fù)雜地質(zhì)條件下深基坑巖土邊坡穩(wěn)定展開研究，設(shè)計深基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)，對該結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能進(jìn)行計算，在此基礎(chǔ)上獲取巖土邊坡穩(wěn)定系數(shù)結(jié)果，并結(jié)合有限元方法分析邊坡穩(wěn)定性的變化情況。結(jié)果表明，支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)直接影響巖土邊坡的穩(wěn)定性，適當(dāng)?shù)闹ёo(hù)結(jié)構(gòu)能夠最大程度保證巖土邊坡的穩(wěn)定性。此外，地質(zhì)條件的復(fù)雜情況也直接影響巖土邊坡的穩(wěn)定性，并且?guī)r土邊坡的失穩(wěn)情況發(fā)生在坡腳附近。