考慮隨機性的深基坑土質(zhì)邊坡安全評價

周桓竹 尉遲衍春

(1.青島理工大學土木工程學院，山東 青島 266033； 2.東營市建設(shè)工程施工圖審查中心,山東 東營 257000)

深基坑屬于建筑工程中的重大危險源工程，邊坡處理不當時極易發(fā)生安全事故。對深基坑邊坡進行安全系數(shù)驗算，確定合理支護方案顯得尤為重要。陳祖煜[1]院士通過通用條分法，自動搜索臨界滑裂面的方法進行土壓力計算、風險分析以及三維分析；鄭穎人院士等人[2]從工程治理的角度詳細闡述了邊坡與滑坡產(chǎn)生的機理、病害類型與處置方法；王玲[3]利用GEO-SLOPE軟件中的SLOPE/W模塊計算某土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)及確定最危險滑動面。2014年5月，孝感安陸市某市政工程管道溝槽邊坡發(fā)生嚴重二次坍塌事故。由此可見，邊坡安全問題不容忽視。本文以極限平衡理論為依據(jù)，利用Slide軟件對邊坡進行分析計算，驗證方案合理性。

1 相關(guān)理論和軟件概述

1.1 極限平衡理論

邊坡穩(wěn)定分析領(lǐng)域中最常用的一種方法就是極限平衡法，以摩爾—庫侖抗剪強度理論為基礎(chǔ)，將邊坡滑動體劃分為若干垂直土條，建立作用在這些垂直土條上的力的平衡方程，求解安全系數(shù)，此法也稱為條分法。從早期的瑞典法到適用于圓弧滑裂面的Bishop法，再到適用于任意形狀、全面滿足靜力平衡條件的Morgenstern Price法，其理論體系趨于嚴密，極限平衡法目前已經(jīng)發(fā)展成為一個具有完整理論體系的、成熟的分析方法[4]。

由于邊坡穩(wěn)定問題中存在諸多靜不定問題，極限平衡法將其轉(zhuǎn)變?yōu)殪o定可解，雖然使問題的嚴密性受損，但對穩(wěn)定性計算的精度影響并非很大，因此，它使分析計算工作大為簡化。

1.2 軟件概述

Slide是加拿大RocScience公司的產(chǎn)品，該軟件使用垂直條塊極限平衡分析方法來分析滑動面的穩(wěn)定性，可分析單條滑面，也可使用自動搜索方法來搜尋給定邊坡的臨界滑動面。集成了Bishop，Janbu，Spencer，GLE/M-P和其他一些方法；可考慮多種材料模型：各向異性、非線性摩爾—庫侖等；可進行邊坡穩(wěn)定性概率分析；可查看任意一條或全部已搜索到的潛在滑動面，可對任意滑面顯示詳細計算信息；集成了有限元法，穩(wěn)態(tài)地下水建模、分析和數(shù)據(jù)解釋程序。

2 工程概況

2.1 工程簡介

此項目為孝感市東城新區(qū)20 km2范圍內(nèi)的新建市政基礎(chǔ)設(shè)施項目，“五橫九縱”共14條道路。管道工程是基坑開挖施工的主要內(nèi)容，其中雨水管等埋深較淺，不大于4 m，使用明槽開挖方式施工，自然放坡，無支撐結(jié)構(gòu)。乾坤大道污水管埋深較深，使用頂管施工工藝。

2.2 地質(zhì)情況

該區(qū)域?qū)儆趬艒徠皆貏葑兓?，高差可達13 m，地層自上而下為：①耕表土，以粘性土為主，含少量植物根系；②粉質(zhì)粘土，含少量高嶺土團塊，均勻性較好；③粘土，含少量鐵錳質(zhì)氧化物及高嶺土成分，均勻性較好；④粉質(zhì)粘土，含少量鐵錳質(zhì)結(jié)核及條帶狀高嶺土，均勻性較好。各土層物理力學指標參數(shù)見表1。

表1 基坑邊坡材料參數(shù)

2.3 邊坡情況

以乾坤大道某樁號處8 m深基坑作為算例。該基坑邊坡設(shè)為二級邊坡，坡比為1∶0.75，坡腳向上4 m垂直高度的地方設(shè)1.5 m寬的平臺。邊坡幾何形狀見圖1。溝槽內(nèi)開挖的土方需臨時堆放在坡頂兩側(cè)，管道安裝結(jié)束進行回填。堆土距離溝槽邊緣1 m,堆土寬度為6 m，土堆對邊坡的荷載按照均布荷載30 kN/m2計算。由于該區(qū)地下水位低，因此不考慮水流滲透對邊坡的影響。

3 安全系數(shù)驗算

在參數(shù)面板中輸入邊界坐標、地層坐標，定義地層參數(shù)(見圖2)，外部荷載，滑動面剖面線選擇圓弧(如圖3所示)滑動面方向(見圖4)，考慮基坑土層內(nèi)摩擦角與粘聚力的隨機性，軟件搜索出最危險滑動面，并計算出安全系數(shù)，如圖5所示，得到安全系數(shù)為1.554。

4 結(jié)果分析

根據(jù)建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范[5]，對于二級邊坡土質(zhì)邊坡安全系數(shù)大于1.30即表明邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，因此該邊坡的坡面設(shè)置方案是合理的。除此之外，本文創(chuàng)新點在于考慮了土層內(nèi)摩擦角與粘聚力的變異性，并用正態(tài)隨機變量模擬了這種變異性，并將其反映到了危險滑動面搜索上，由圖5可見，除了臨界滑動面以外，在不同高程處均有危險滑動面通過，這些不同的危險滑動面對于基坑邊坡的支護設(shè)計極其重要?？梢姶穗S機性對于危險滑動面的分布存在顯著影響，需要引起工程人員的高度重視。

5 結(jié)語

利用Slide軟件計算邊坡穩(wěn)定性，能夠極大提高工作效率。本文創(chuàng)新性的從考慮基坑土層內(nèi)摩擦角與粘聚力的隨機性出發(fā)，使用軟件搜索出最危險滑動面，并計算出安全系數(shù)。利用垂直條塊極限平衡分析方法來分析滑動面的穩(wěn)定性，大幅度提高計算準確性，能夠反映邊坡的力學特征。另外實際工程施工中，邊坡受雨水滲透因素影響較為明顯，應嚴格控制坡頂堆載高度及范圍，及時做好基坑邊坡防排水和監(jiān)測工作。一旦發(fā)現(xiàn)隱患，可立即解除。