基于有限元的重慶某基坑邊坡破壞機理研究

萬財華，章 濤

（1.重慶中交置業有限公司，重慶 401320；2.重慶交通大學河海學院，重慶 400074）

1 工程概況

某基坑邊坡位于重慶市巴南區李家沱-魚洞組團項目規劃用地范圍內，該項目西臨萬達廣場和巴南區政府，北臨旭輝城。擬建場地建筑面積214 000m2。由6棟高層建筑（1～6號樓）、27棟多層住宅（7～33號樓）、1所幼兒園（34號樓）、地下車庫、配套用房及商業網點組成。場地平場后，場地東側與高速路位置存在4.5～26.0m高的環境邊坡，該段邊坡總長度約413m。

2 工程地質條件

2.1 地形地貌

場地總體地形呈東高西低，地形坡角10°～20°，局部地段因工程建設形成填挖方邊坡，邊坡坡角30°～60°。地面高程為212.000～255.000m，相對高差約43m。場地最高點位于場地東側ZY293的用地紅線邊，高程約261.430m；最低點位于場地西南角的已建德普外國語學校5F教學樓處，高程約210.900m。

場地西北側的ZY1及ZY9鉆孔區域因德普外國語學校多功能廳的修建，在該建筑東側（即本次勘察用地紅線邊）形成最大高度約19m的挖方巖質邊坡，坡角45°～55°，該邊坡已采取錨噴支護處理。而在場地內分布較多的前期施工單位現場辦公區及農民工宿舍，本次勘察的外業工作期間已逐步拆遷。

2.2 地質構造

根據區域地質資料，場地內無斷層及構造破碎帶通過。場地構造上位于川東南弧形構造帶的宣漢—重慶平行褶皺束的南延部分，地質構造上位于南溫泉背斜西翼，巖層呈單斜產出。

在場地基巖露頭區測得巖層產狀260°～272°∠65°～72°（優勢產狀：265°∠68°），層面結合程度差，屬軟弱結構面。經地質調查及資料收集，場地基巖構造裂隙較發育。在基巖露頭上測得兩組構造裂隙，其特征敘述如下。

1）裂隙J1 產狀10°～30°∠30°～48°（優勢產狀：20°∠38°），裂隙延伸長度1～4m，間距0.2～0.6m，裂隙張開1～3mm，裂面平直，泥質充填，結合程度很差，屬軟弱結構面。

2）裂隙J2 產狀188°～215°∠50°～77°（優勢產狀：205°∠72°），裂隙延伸長度0.3～2.0m，間距1～4m。裂隙張開1～3mm，泥質充填，裂面較平緩，結合程度很差，屬軟弱結構面。

2.3 地層及巖性

1）素填土（Q4ml）碎塊石多呈次棱角狀，含量20%～25%，粒徑一般20～330mm，局部達800mm。結構松散～稍密狀態，稍濕，為機械無序堆填，堆填時間2～3年。鉆探揭示層厚0.40～31.30m（ZY299）。

2）粉質黏土（Q4el+dl）黃色、褐黃色、黃灰色為主，多呈可塑狀，場地中部低洼地帶及現狀水塘區域的表層0～1.50m呈軟塑。含少許強風化砂巖、泥巖碎粒，粒徑5～20mm。切面稍有光澤，韌性中等，干強度中等，無搖振反應，為殘坡積成因。鉆探揭示層厚 0.30～6.50m（ZY43）。

3）砂巖（Ss）灰黃色、褐灰色、灰色，中細粒結構，厚層狀構造。主要礦物成分石英、長石，次為云母及暗色礦物，鈣泥質膠結。該層零星分布于場地內，根據本次勘察鉆探揭示，其單層厚度薄，一般1～3m或以薄層狀間夾于泥巖及頁巖中。

4）頁巖（Sh）黃褐色、深灰、灰黑色，泥質結構，薄層狀構造，主要由黏土礦物組成，局部可見薄層黑色介殼灰巖伴生，無規律。

5）泥巖（Ms）黃褐色、紫紅～紅褐色、局部呈灰色，主要礦物成分為黏土礦物，泥質結構，中～厚層狀構造，局部含砂質較重。

3 Midas GTS NX簡介

Midas是韓國POSCO集團在1989年開發的產品，Midas GTS NX是Midas系列軟件中針對巖土領域研發的通用有限元分析軟件，該軟件前處理功能強大，建模方便快速，且支持靜力、動力、滲流、應力-滲流耦合、固結、施工階段、邊坡穩定等多種分析類型，適用于地鐵、隧道、邊坡、基坑、樁基、水工、礦山等各種實際工程的準確建模與分析，并提供多種專業化建模助手和數據庫[1-4]。Midas GTS NX建模分析求解及后處理過程如圖1所示。

圖1 Midas GTS NX數值分析過程

Midas GTS NX與其他巖土數值模擬軟件相比，該軟件的二維、三維建模過程更直觀、快速，具有可視化建模界面，能快速準確生成自動網格，具有各種專業的巖土分析模塊和強大的后處理功能。Midas GTS NX提供了豐富巖土本構模型，如彈性、莫爾-庫倫、鄧肯-張、德魯克-普拉格、霍克-布朗、修正摩爾-庫倫、劍橋、特雷斯卡等模型[5-6]。

4 邊坡三維數值模擬

4.1 模型建立

建立該項目邊坡工點模型，概化邊坡地質計算模型，如圖2所示。

圖2 三維計算模型

三維模型采用Midas GTS NX建模進行分析。模型總共有20 786個節點，共29 103個單元。根據實際地形和概化情況，將模型分為3部分，最上部分為泥巖層，下部為砂巖層，最下部為基巖層。巖層參數如表1所示。巖土體模型采用摩爾-庫倫本構模型，單元類型為平面應變，考慮路塹邊坡開挖工況。

表1 巖層參數

三維計算模型的網格劃分是根據尺寸以往項目數值計算經驗進行確定的，表層泥巖層單元長度控制在3m，下部砂巖層單元長度控制在4m，最下部基巖層單元長度控制在5m。

4.2 計算模型結果分析

從沿模型邊坡長度方向的位移云圖可得到路塹邊坡開挖坡面處有較大位移，在頂部泥巖層與下部砂巖層交界的層間結構面位移尤其較大。

從邊坡豎向位移云圖可得到開挖坡面坡頂處和坡腳處是發生豎向位移最集中的位置，其中坡頂處坡體向下發生較大位移，而在坡腳位置處坡體出現豎向向上的分量位移，由于坡體在坡腳位置滑移剪出所產生的向上的分量位移。

從邊坡坡體等效塑性應變云圖可知，邊坡在開挖位置的坡腳至坡頂出現貫通的圓弧帶狀塑性區域，并在開挖坡面處位置塑性應變達到最大。塑性區在坡腳以上位置幾乎平行于邊坡開挖面，在坡腳及以下位置平行于層狀結構面。塑性區在坡體后緣貫通至坡頂形成拉裂。

綜上，該坡體發生塑性屈服區位置與實際挖方邊坡現場調查數據一致。

5 破壞機理

1）該段坡體由于坡腳處人工開挖切斷原有巖層，從而使自然坡度發生變化，破壞了原來的平衡，產生了大量的臨空面，致使坡腳產生應力集中，根據文獻[7]可求出該段邊坡應力集中段長度約40m。

2）由于重慶地區降雨量豐富，炭質泥巖受水的作用，泥巖軟化效應明顯，層間抗剪強度降低，強度由峰值強度迅速降低至殘余強度。當上覆巖體的下滑力大于實際抗滑力時，坡頂產生張拉裂縫，邊坡前段發生滑移-拉裂破壞。前段坡體破壞后，后段坡體前緣卸荷臨空，再次發生應力集中，若邊坡下滑力大于實際抗剪阻力時，后段將發生破壞；若邊坡下滑力等于或小于實際抗滑力時，邊坡應力重新調整，暫時保持穩定，但暴雨、地震等外在因素下，邊坡還會繼續破壞。

研究表明，這類邊坡的變形破壞，其進程主要取決于滑移面即炭質泥巖的產狀和性質。如果巖層傾角大于其內摩擦角，一旦該滑移面被揭露臨空，后緣拉裂面一出現即迅速破壞。

6 結語

1）對重慶某基坑邊坡進行有限元分析得到：塑性區在坡腳以上位置幾乎平行于邊坡開挖面，在坡腳及以下位置平行于層狀結構面；開挖坡面坡頂處和坡腳處是發生豎向位移最為集中的位置，其中坡頂處坡體向下發生較大位移，而在坡腳位置處坡體出現豎向向上的分量位移。

2）研究表明：炭質泥巖的軟化作用及路塹挖方卸載是導致坡體破壞的2個主要原因，其中炭質泥巖的易滑特征起主導作用，工程建設中應多加重視。