基于ANSYS驗證某基坑工程施工坡道及周邊巖土的穩(wěn)定性

宋加興 張偉 孟憲偉 劉毅

開放科學（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2312-5042-2881

作者簡介：

宋加興（1993—），男，本科，工程師，研究方向為土木工程。

張偉（1974—），男，本科，工程師，研究方向為土木工程。

孟憲偉（1980—），男，本科，高級工程師，研究方向為土地管理。

摘 ?要：施工坡道是施工單位為保證基坑工程順利實施采取的施工措施，一般根據(jù)以往工程經(jīng)驗設(shè)置，施工期間坡道及周邊支護未施工部位的土體是否穩(wěn)定，并不在設(shè)計考慮范圍內(nèi)，依據(jù)工程經(jīng)驗設(shè)置的施工坡道有時并不能滿足規(guī)范要求，但卻能夠滿足施工期間使用要求?；谀辰ㄖ訉嵗龂L試采用ANSYS有限元軟件對施工單位根據(jù)經(jīng)驗設(shè)置的施工坡道進行分析驗證，希望能夠為施工坡道的設(shè)置提供一種理論支持。

關(guān)鍵詞：基坑工程 ??施工坡道 ??邊坡穩(wěn)定性 ??強度折減法

中圖分類號：TU43

建筑基坑在施工時為了便于土方作業(yè)往往需要設(shè)置施工坡道，無法按照設(shè)計要求做到整體分層開挖。坡道按留置位置可以分為邊側(cè)留置和中部留置兩種情形。對于寬度較小的基坑，由于坡道兩側(cè)均靠近支護結(jié)構(gòu)，故無須考慮坡道橫向穩(wěn)定問題，僅僅按照規(guī)范要求沿縱向留置好坡度即可。但對于面積較大的深基坑，施工坡道往往會留置在基坑中部或邊側(cè)，特別是坡道設(shè)置在基坑邊側(cè)時，坡道土體范圍內(nèi)支護結(jié)構(gòu)尚未施工，依靠預留坡道的土體是否能夠滿足邊坡穩(wěn)定及坡道施工荷載要求，目前主要由現(xiàn)場技術(shù)人員通過經(jīng)驗判斷，無法從計算上給出準確結(jié)論。此外，有時施工坡道設(shè)置并不能滿足規(guī)范要求，但直至項目完工依然保持平穩(wěn)運行，這需要一線技術(shù)人員對其進行總結(jié)分析。

筆者查閱大量資料未發(fā)現(xiàn)對施工坡道進行穩(wěn)定分析的相關(guān)案例及文獻資料。由于施工坡道屬于三維邊坡穩(wěn)定問題，通過查閱文獻發(fā)現(xiàn)在某些大型水利工程中有使用ANSYS有限元軟件進行三維穩(wěn)定分析的相關(guān)實踐案例，且與二維分析相比，三維邊坡穩(wěn)定分析得到的結(jié)果更加符合工程實際[1]，筆者嘗試將該方法應(yīng)用于建筑基坑施工坡道及周邊土體的穩(wěn)定性，同時為施工單位的工程經(jīng)驗提供計算依據(jù)。

1 工程概況

本文案例為青島某建筑基坑工程，基坑設(shè)計南北向長約159 m，東西向?qū)捈s80 m，開挖深度2.12～14.44 m，基坑北側(cè)設(shè)計采用放坡+土釘墻支護形式，西側(cè)支護設(shè)計采用鋼管樁+預應(yīng)力錨桿肋梁支護形式。工程分兩期建設(shè)，施工單位根據(jù)前期施工組織設(shè)計將坡道設(shè)置在建筑基坑西北角，受施工進度及其他因素影響西側(cè)二期支護結(jié)構(gòu)未施工且均位于坡道范圍內(nèi)。現(xiàn)場坡道總長約70 m，高約14 m，坡道頂面寬度6 m，坡頂處緊鄰基坑支護一側(cè)，為不影響主體結(jié)構(gòu)施工，施工坡道臨近基坑一側(cè)坡率為1∶0.11，坡底距離西側(cè)支護約13.5 m。坡道設(shè)置情況如圖1所示，圖中32、33點為支護結(jié)構(gòu)已施工區(qū)域和未施工區(qū)域的分界點。

2?地質(zhì)情況

根據(jù)項目巖土工程勘察報告并結(jié)合現(xiàn)場土石方開挖情況，坡道附近巖層分布情況如下。

2.1 ?②-Ⅰ強風化花崗巖上亞帶（γ53）

黃褐色～褐色，中粗粒花崗結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，結(jié)構(gòu)大部分破壞，礦物成分顯著變化，風化裂隙很發(fā)育。巖石堅硬程度等級為極軟巖，巖體完整程度為極破碎，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ級，巖層層厚6.80～9.10 m。

2.2 ?②-Ⅲ強風化花崗巖下亞帶（γ53）

黃褐色～灰褐色～淺肉紅色，中粗?；◢徑Y(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，結(jié)構(gòu)大部分破壞，礦物成分顯著變化，風化裂隙很發(fā)育。巖石堅硬程度等級為軟巖，巖體完整程度為極破碎，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ級，巖層層厚3.40～3.60 m。

2.3 ?③中風化花崗巖（γ53）

黃褐色～灰褐色～淺肉紅色，中粗?；◢徑Y(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，結(jié)構(gòu)部分破壞，沿節(jié)理面有次生礦物，風化裂隙發(fā)育，巖石堅硬程度等級為較軟巖～較硬巖，巖體完整程度為較破碎，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅳ級。

根據(jù)項目巖土工程勘察報告及工程地質(zhì)手冊，各巖層物理力學參數(shù)取值見表1[2]。

3?坡率法分析坡道穩(wěn)定性

根據(jù)勘察報告查找《工程地質(zhì)手冊》，坡道處邊坡巖體類型為Ⅲ類～Ⅳ類，查表得巖質(zhì)邊坡坡率允許值范圍為1∶0.50～1∶1.00[2]；根據(jù)《建筑邊坡技術(shù)規(guī)程》（GB50330—2013），邊坡巖體類型為Ⅲ類～Ⅳ類的巖質(zhì)邊坡，邊坡高度在8～15 m范圍時，邊坡坡率允許值范圍為1∶0.75～1∶1.00[3]。施工坡道西側(cè)上部邊坡土體坡率為1∶1.04～1∶1.35滿足規(guī)范要求，而施工坡道根部處邊坡高度為14 m，寬度為1.5 m，換算坡率為1∶0.11，遠高于規(guī)范允許值，據(jù)此應(yīng)判定施工坡道橫向坡率不滿足規(guī)范要求。但根據(jù)施工單位以往工程經(jīng)驗，該施工坡道地質(zhì)情況良好滿足施工期間使用要求，施工期間不會發(fā)生失穩(wěn)破壞。最終，直至項目完工施工坡道一直運轉(zhuǎn)良好未發(fā)生失穩(wěn)破壞問題。

4?有限元法分析施工坡道穩(wěn)定性

為驗證案例中施工坡道及周邊土體的穩(wěn)定性并確定其安全系數(shù)及可能發(fā)生失穩(wěn)的部位，本文采用ANSYS有限元軟件進行分析。ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，在土木工程、機械制造、國防軍工等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，在土木工程領(lǐng)域，工程師經(jīng)常利用其強大的模擬分析能力解決工程難題。

施工坡道的穩(wěn)定性可轉(zhuǎn)化為邊坡穩(wěn)定性問題進行分析，在土木工程領(lǐng)域邊坡穩(wěn)定分析主要采用有限元強度折減法。有限元強度折減法不僅可以簡單、準確地確定邊坡的安全系數(shù)，還能自動尋找邊坡潛在的破壞位置，已經(jīng)在巖土工程中大量應(yīng)用。有限元強度折減法的基本原理是將土體材料的強度參數(shù)黏聚力和內(nèi)摩擦角同時除以一個折減系數(shù)，得到一組新值，作為一組新的參數(shù)輸入再進行試算，當計算不收斂時取前一次的折減系數(shù)即為坡體的最小穩(wěn)定安全系數(shù)，此時坡體達到極限平衡狀態(tài)，發(fā)生剪切破壞[4]。本文也將利用ANSYS有限元分析軟件采用強度折減法進行施工坡道三維穩(wěn)定性分析。

4.1?有限元模型建立

巖土材料在自然界中較為復雜，巖層中存在許多節(jié)理裂隙，受到多種因素影響，在進行數(shù)值分析時為了能夠方便計算，做出以下假設(shè)：（1）同一巖層材料為均勻介質(zhì)，不考慮內(nèi)部材料各向異性；（2）基坑內(nèi)巖層為理想彈塑性材料；（3）不考慮溫度、地震力、滲流場、地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力等問題；（4）不考慮巖層開挖后隨時間進一步風化問題；（5）已按設(shè)計施工的支護結(jié)構(gòu)能夠保證其設(shè)計部位的安全，不考慮其與施工坡道之間的相互影響。

為有效模擬施工坡道與周邊巖土的穩(wěn)定情況，截取坡道周邊1～2倍基坑深度范圍的巖土體建立有限元三維模型，施工坡道根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行1∶1建立模型。根據(jù)工程經(jīng)驗坡道縱向坡率較小，坡道根部在該方向不會發(fā)生失穩(wěn)破壞，為提高軟件運行效率，建模時不考慮北側(cè)支護結(jié)構(gòu)及以外土體；已完成支護部分建模時對其施加水平方向約束。

根據(jù)項目巖土工程勘察報告將場地下方不同巖層做分層處理，分層時忽略巖層分界面起伏變化，根據(jù)施工坡道附近地質(zhì)剖面圖中巖層傾向及層厚變化將巖層分界面簡化為斜平面。由于施工坡道為不規(guī)則平面，模型建立后采用SOLID95固體單元進行網(wǎng)格劃分，SOLID95是比3-D，8節(jié)點固體單元SOLID45更高級的單元，它能夠吸收不規(guī)則形狀的單元而精度不發(fā)生損失；同時，SOLID95單元有可并立的位移形狀并且對于曲線邊界的模型有很好的適應(yīng)性。由于模型尺寸較大，為提高軟件運行效率，網(wǎng)格劃分寬度取1.5 m。有限元實體模型共劃分190?908個單元，建立271?049個節(jié)點，模型分析采用D-P本構(gòu)模型[5]。施工坡道及周邊巖土體建模情況如圖所示，圖中不同顏色代表不同的地質(zhì)分層。

4.2 模型加載求解

對施工坡道模型各邊界及已施工的支護結(jié)構(gòu)施加三向約束，模型中巖土體整體施加豎向自重荷載。由于施工期間施工坡道主要承擔渣土外運及鋼筋等材料運輸作業(yè)任務(wù)，綜合考慮取施工荷載為56 t，加載面積取3 m×10.5 m；施工車輛在邊坡上運行時應(yīng)與施工坡道臨空面保持足夠的安全距離，根據(jù)實際運行時車道軌跡以及加載要求，施工荷載與施工坡道臨空面邊線距離取1.5?m，施工荷載按均布荷載均勻施加在荷載作用面范圍內(nèi)坡道中部的各個節(jié)點，方向豎直向下。在ANSYS中通過設(shè)置載荷步模擬施工車輛行駛在坡道不同位置時的工況，由于軟件分析中荷載需要通過單元體節(jié)點施工給結(jié)構(gòu)模型，因此定義車輛每移動1個網(wǎng)格寬度即1.5m作為一個工況進行分析，分別計算車輛從施工坡道底部運動至頂部各工況下施工坡道及周邊巖土體的穩(wěn)定性。依次對折減系數(shù)F=1、F=1.1……時各巖層的黏聚力和內(nèi)摩擦角進行折減，然后重新加載分析直至計算結(jié)果不再收斂。

4.3 模型計算結(jié)果及分析

經(jīng)過軟件不斷迭代分析，當F=3.7時計算結(jié)果不再收斂，計算結(jié)果如圖3～圖6所示：

根據(jù)軟件分析結(jié)果，施工坡道及周邊土體的安全系數(shù)為3.6。根據(jù)圖3“F=1時塑性應(yīng)變矢量圖”可知，當安全系數(shù)F=1即正常使用情況下，施工坡道周圍巖層均為彈性變形，未發(fā)生塑性變形；說明施工期間，施工坡道及周邊巖土體將保持穩(wěn)定滿足使用要求，符合技術(shù)人員經(jīng)驗判斷。當安全系數(shù)F=3.6時，邊坡處于極限平衡狀態(tài)，塑性變形最大部位位于西側(cè)已施工支護結(jié)構(gòu)和未施工支護結(jié)構(gòu)的分界線附近，該處沿坡道橫向最大變形為34.6 mm，沿坡道縱向最大變形為4.8 mm，失穩(wěn)主要沿施工坡道橫斷面方向進行。當F＞3.6時，施工坡道及周邊巖土體將發(fā)生失穩(wěn)破壞[6]。

根據(jù)坡率法分析結(jié)果，施工坡道最危險處應(yīng)位于坡道根部靠近基坑一側(cè)部位，該處邊坡坡度及高度均較大，根據(jù)現(xiàn)場施工技術(shù)人員經(jīng)驗判斷，該處也應(yīng)是最危險部位。但根據(jù)模型計算分析結(jié)果，施工坡道及周邊巖土體施工期間最危險部位位于東側(cè)已施工支護結(jié)構(gòu)區(qū)域和未施工支護結(jié)構(gòu)區(qū)域的交界處，該處巖土體有繞過支護結(jié)構(gòu)向外滑動的趨勢?？梢姡瑑H靠技術(shù)人員的施工經(jīng)驗不能對施工坡道及周邊巖土體的穩(wěn)定性做出最準確的判斷。根據(jù)建模分析情況，危險點位于該處的原因主要有三點，具體敘述如下。

一方面，場地內(nèi)施工坡道周邊上部強風化巖層與下部中風化巖層分界面由北向南傾斜，致使軟件分析危險點處與北側(cè)坡道根部處相比地質(zhì)情況相對較差的強風化巖層厚度較大。另一方面，軟件分析危險點處位于支護結(jié)構(gòu)已施工與未施工交界處，結(jié)構(gòu)存在突變，該處支護結(jié)構(gòu)背后巖土體坡度垂直，主動土壓力相對較大，突變處巖土體強度及剛度較支護結(jié)構(gòu)均較低，對巖土體滑動限制能力有限，因此危險點處巖土體有繞過支護結(jié)構(gòu)向外滑動的趨勢。此外，北側(cè)坡道根部處由于有沿施工坡道方向上巖土體的制約作用，滑動主要沿坡道橫斷面方向進行；而軟件分析危險點處靠近基坑一側(cè)土體沿坡道橫向及縱向均為邊坡，該處巖土體較少對該處可能產(chǎn)生的滑坡制約作用較弱。

5 結(jié)語

施工坡道作為基坑工程的一種常用的施工措施，不在設(shè)計考慮范圍內(nèi)，由于它也是構(gòu)成工程安全必不可少的一環(huán)，而施工單位技術(shù)人員往往又不具備相應(yīng)的計算分析能力，對施工坡道可能出現(xiàn)的危險性不能做出最準確的判斷，筆者認為也應(yīng)引起足夠的重視，不能僅僅憑借施工經(jīng)驗進行論斷。本文基于某建筑基坑工程實例，首次利用ANSYS有限元軟件采用三維建模方式驗證建筑基坑工程中施工坡道及周邊土體的穩(wěn)定性，通過分析計算得出施工坡道的安全系數(shù)及可能失穩(wěn)部位，希望能為現(xiàn)場技術(shù)人員提供一種分析施工坡道穩(wěn)定性的方法；同時也希望一線技術(shù)人員能夠利用有限元軟件等工具與傳統(tǒng)的施工經(jīng)驗相互印證，在確保施工安全的同時，也為我國的工程建設(shè)積累寶貴的技術(shù)資料。

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