FLAC3D基于強度折減法在深基坑開挖邊坡穩定性分析中的應用

王中達，孟慶輝，李建博

（1.青島市勘察測繪研究院，山東 青島 266032；2.青島巖土工程技術研究中心，山東 青島 266032）

1 地質巖體分析

在建某長江大橋重力式錨碇基坑位于長江北岸的丘陵坡地上，開挖形成的基坑邊坡坡度為1∶0.75～1∶0.3，場地地質條件復雜多變，上覆10.9m～25.2m的黏土、卵石土、細砂等第四系松散土層，下伏J3p粉砂質泥巖。北側邊坡第四系下部，與基巖交界處局部分布飽和細砂層，第四系土層開挖后，基坑邊坡易沿基覆界面的軟弱細砂層發生滑塌。因此本次以最危險的北側基坑高邊坡為研究對象，取第四系開挖后工況進行分析，圖1為典型斷面。本文擬采用FLAC3D基于強度折減法對基坑邊坡穩定性做出評價。

圖1 基坑邊坡典型斷面圖單位：m

FLAC3D是近年在巖土領域應用較廣泛的顯式有限差分數值程序[1，2]，該軟件采用強度折減法求取邊坡的安全系數用于評價邊坡的穩定性，能對邊坡穩定安全度進行定量分析，并能通過各種變量詳細了解開挖后坡體內力的變化，較直接的得到邊坡穩定的情況。

2 巖體邊坡的穩定性

本文通過FLAC3D重點分析研究北側邊坡第四系挖除后形成第1和第2級土層邊坡的穩定性[3]。土坡開挖后，基于強度折減法所求安全系數大于規定值，邊坡整體仍暫時處于平衡狀態。圖2是剪切應變圖，開挖后剪切應變值在細砂層位置是最大的。圖3為開挖后邊坡橫向位移圖，開挖后邊坡由于卸荷作用，其水平向位移從坡面向坡體內發展傳遞，最大位移值位于坡腳處，其值為2.6cm，也就是土巖交界處的飽和粉細砂層區域。基坑開挖后坡腳處土層本身為軟弱飽和砂層，邊坡坡腳是受力薄弱點，尤其土方超挖不及時支護容易發生基坑垮塌事故，基坑設計及施工都應該予以加強和重視。

從圖4可以看出發生剪切屈服的計算單元主要分布在從坡腳飽和細砂層向上發展的兩條集中帶，其中向坡體內部發展的下部那條幾乎貫通，坡頂紅色單元為發生張拉變形破壞的區域，另外上部一條塑性帶是從坡腳沿坡面發展，且并未貫通至坡頂。從該圖可以看出該軟件可以比較直觀的根據屈服單元的分布范圍及走向位置判定邊坡的潛在滑移面，所以，在支護設計時尤其確定錨桿長度時應重點考慮這兩處可能發生滑動破壞的位置。圖5為邊坡處于極限平衡狀態時的剪切應變情況，從第2級邊坡底部飽和砂層處是基坑的薄弱位置，從該位置沿基巖面易形成圓弧形滑面。

圖2 開挖后邊坡剪切應變增量云圖

圖3 開挖后邊坡水平方向位移云圖

圖4 開挖后坡體塑性區分布圖

圖5 極限狀態坡體剪切應變增量云圖

運用強度折減法FLAC3D最終計算坡體安全穩定系數為1.1，坡體暫時達到平衡狀態，但由于本文未考慮實際施工過程中影響邊坡穩定的降雨、爆破振動等不利因素，因此安全度不足，開挖后坡體是趨于不穩定的，應及時支護，防止超挖。根據該基坑實際施工時的跟蹤調查，基坑開挖至第4級邊坡時，基巖采用爆破開挖，第2級坡腳飽和細砂層發生局部坍塌，與連續降雨砂層含水量高及持續爆破振動效應有關，另外框架梁未及時澆筑，錨桿對于坡面土體變形的控制作用無法發揮。圖5為邊坡處于極限平衡狀態時的剪切應變情況，從第2級邊坡底部飽和砂層處是基坑的薄弱位置，從該位置沿基巖面易形成圓弧形滑面。

3 結語

本文采用FLAC3D軟件以北側第四系土層開挖邊坡為計算模型，得到以下結論：基坑北側邊坡分兩級開挖第四系至基巖后未支護狀態下的天然土坡暫時處于穩定狀態（且未考慮其他不利因素），但土巖交界處（飽和細砂層分布區域）第2級坡腳處水平位移較大，在基坑支護設計時應格外重視從細砂層向上發育的兩條潛在滑面。