土方填挖區域加固設計數值模擬研究

摘要：為消除地基土的濕陷性，綜合考慮安全性、經濟性、施工工期要求以及對周邊環境的影響等多種因素，文章根據工程實際情況設計出地基處理的合理方法，并結合施工方案提出有效安全的邊坡支護方案。通過對挖填土方的過程進行計算，利用Flac3D軟件對邊坡穩定性進行數值模擬，分析了邊坡的應力、位移及破壞特征，進而揭示了邊坡的變形破壞機理，得出該方案的可靠性和可行性，驗證了邊坡支護方案的可實施性和安全性。

關鍵詞：地基處理;邊坡支護;邊坡穩定性;Flac3D軟件;數值模擬

0 引言

工程場地處于土石丘陵區，場地地形起伏較大，西側、南側較高，東側、北側較低。由于場地中含有濕陷性黃土，濕陷性等級為一級，所以本工程需要通過計算選擇合適的地基處理的方法，從而提高地基承載力，減少地基沉降和滲透等問題，確保上部基礎和建筑結構的安全性和耐久性。工程基礎開挖和回填土的施工過程中會出現邊坡穩定性問題，本文通過工程實際工況和相關規范確定邊坡支護方案，并利用計算與Flac3D數值模擬來確定方案的可實施性，減少甚至杜絕因邊坡失穩造成的影響施工進度和經濟性等問題。

1 地基處理和支護方案的確定

1.1 工程地質條件

場地上覆地層主要為第四系全新統人工填土層（Q4s）、第四系上更新統坡洪積層（Q3sl+pl和第四系中更新統洪積層（Q2pl，巖性主要為素填土、黃土狀粉土、黃土狀粉質黏土。下伏基巖主要由古生界石炭系本溪組（Cb2）頁巖及鋁土礦和奧陶系中統上馬家溝組（O2s灰巖組成。根據現場鉆探揭露的巖芯及量測場區出露巖石，下伏基巖傾角較小，近水平狀。

根據現場鉆探成果及地層的地質時代、成因類型、巖性及分布埋藏特征，場地地層由新到老描述如下：

（1）第四系全新統人工填土（Q4s）。素填土：黃褐色、灰褐色，稍濕、稍密。主要成分為粉質黏土和碎石。層厚一般為1.00～9.20 m。該層在場區周邊分布較普遍。

（2）第四系上更新統坡洪積層（Q3sl+pl）。黃土狀粉土：黃褐色，稍濕，稍密。土質均勻，大孔隙豎向節理，可見少量風化巖屑。層厚一般為1.00～8.00 m。

（3）第四系中更新統洪積層（Q2pl）。黃土狀粉質黏土：褐紅色、棕紅色，稍濕，硬塑，土質均勻，含少量石灰碎塊。層厚一般為2.00～8.70 m。

（4）古生界石炭系中統本溪組（C2b）。頁巖和鋁土礦：灰褐色，強風化，泥質結構，層狀構造，巖芯呈碎塊狀，易碎。層厚一般為6.35～17.80 m。產狀近水平向。

（5）奧陶系中統上馬家溝組（O2s）。粉質黏土：棕紅、黃色，硬塑。含石灰巖碎塊，為溶洞填充物。該層在場區北側和東側拐角處揭露。層厚為0.40～10.60 m。灰巖：灰褐色，強風化，隱晶質結構，層狀構造，巖芯呈碎塊狀。層厚一般為0.90～20.60 m。

場地地下水類型主要有松散巖類孔隙水和碳酸鹽巖類巖溶水。松散巖類孔隙水位于不易蓄水的黃土狀粉質黏土中，碳酸鹽巖類巖溶水埋深在百米以下，對場地建設影響小。工程場地地震基本烈度為7度，廠址建筑場地均屬于建筑抗震一般地段。場地內無飽和狀態的粉土或砂土地層分布，可不考慮地震液化對建（構）筑物的影響。

1.2 地基處理

本工程場地平整標高為920 m，利用Htcad軟件采用方格網法進行土方量計算[1]，計算時將廠址分為6個小的區域，分別進行土方量的計算并匯總。區域分布圖見圖1，斷面圖見圖2。

土方量計算結果見表1。

該場地為非自重性濕陷性黃土，濕陷等級為一級（輕微），壓縮性較高，適合用強夯法進行地基處理。強夯法的加固效果顯著，可消除地基土的濕陷性，提高地基承載力，且具有施工方便、縮短工期、節省費用等優點[2-3]。在采用強夯法進行地基處理的過程中，分層夯壓，每層厚度為4 m，夯實深度為6～7 m。地基土夯實后相對密度≥0.95，強夯擬夯3～5遍。

1.3 邊坡支護方案

挖方邊坡南側有高邊坡存在，西南角和西側局部緊鄰征地紅線，但邊坡高度≤6 m，可采取重力式擋墻進行支護。綜合考慮工程工期、施工難度和工程經濟等因素，采用1∶1坡率進行削坡減載，每8 m一級，中間設2 m寬的馬道。西南角及西側中部局部區域離用地邊界較近，局部只有3 m寬，設垂直重力式擋土墻支護，墻頂寬0.5 m，墻底寬1.7 m，擋土墻高度為3～6 m，嵌入場地地面以下為1 m。

場地北側和東側均為填方邊坡，采用坡率為1∶1進行填方施工，每8 m一級，中間設2 m寬的馬道。填方邊坡加設有紡土工布，考慮自然邊坡和填方的結合緊密程度，對自然邊坡局部進行削坡形成臺階狀，同時也方便土工布的埋設。

2 邊坡穩定性計算

2.1 邊坡穩定判別依據

邊坡工程安全等級為二級，根據《建筑邊坡工程技術規范》（GB50330-2013）中第5.2.3條規定[4]：邊坡穩定安全系數一般工況應>1.3，地震工況應>1.1。當邊坡穩定性系數小于邊坡穩定安全系數時應對邊坡進行處理。

2.2 邊坡剖面選取

根據工程地質勘察報告，邊坡大部分都處于基本穩定狀態。設計時選取7條典型的剖面，包括南側的高挖方邊坡及場址北側和東側的高填方邊坡，選取時盡量地靠近或經過鉆孔位置使得到的橫斷面圖能更準確地反映真實的地質狀況，使選取的坡面更有代表性。剖面在工程地質平面圖上的位置如圖3所示。

2.3 工程參數確定

為了取得邊坡治理的設計參數評價指標，現場在鉆孔中采取各土層及下伏塊石巖塊等樣本作室內巖石的物理力學性質試驗，各試驗成果按《巖土工程勘察規范》（2009年版）（GB 50021-2001）及《建筑地基基礎設計規范》（GB50007-2011）的有關公式進行數理統計，對無條件進行試驗的巖體按類似工程經驗確定。邊坡穩定性計算主要物理力學參數見表2。

2.4 邊坡穩定性計算

挖方邊坡以手算為主，手算時，根據公式制作excel表格用極限平衡法求解邊坡穩定安全系數。填方邊坡以Geo-slope電算[5-6]分析為主，分別求出支護前、支護后、考慮地震、考慮超載的穩定系數。計算結果見表3和下頁表4。

從表3～4中可以看出，處理后的邊坡穩定性系數一般工況均>1.3，地震工況均>1.1，滿足穩定性的要求，該設計符合設計要求。

3 Flac3D數值模擬研究

3.1 Flac3D 簡介

Flac3D起源于流體動力學，其全稱為快速拉格朗日有限差分分析方法 （Fast Lagrangiall Analysis of Continua）。該軟件系統于20世紀 70 年代中期誕生于美國，其使用范圍貫穿于交通、水利、地質、環境及土木建筑等工程領域[7]。其作為巖土工程領域的一種主要數值分析方法，從誕生到現在廣泛應用于解決巖土實際工程問題，并取得了相當的成就。由于其自身作為顯式有限差分法，不必形成總體剛度矩陣，能騰出一定的內存空間，尤其在大變形問題、非線性問題及非穩定性分析方面具有獨到優勢。

Flac3D采用的是有限差分網格，與常用的有限元網格相比存在一些不同，Flac3D的網格和節點都是按照（I，J坐標系來建立的，I表示水平的X軸，J表示豎直方向的Y軸。圖4數學網格中標出了節點I-J坐標系，圖中黑點位置對應的坐標就是（I，J，陰影部分網格對應的坐標系就是（I，J）。實際模擬過程中可變換為圖5所示的物理網格[8-10]。

3.2 數值模擬計算

設計中對場地南側22 m高邊坡進行了三維有限元分析，與二維的計算分析形成參考對照，所用到的土層特性參數如表5所示。模型采用摩爾庫倫準則，用強度折減法計算邊坡穩定性系數[11-13]，通過求得的穩定性系數與規范中的要求相比較，同時考慮塑性區的范圍是否貫通及參考坡面水平位移云圖[14]，綜合判斷邊坡的穩定性情況，更好地為設計提供參考，以具備安全性、經濟性，滿足設計要求。

根據實際情況和參數，建立邊坡模型如圖6所示。

用強度折減法算得的最后安全系數KS=1.146 875，大于邊坡安全儲備系數1.10。

3.3 數值模擬過程及結果

計算過程中的塑性區分布云圖如圖7所示，最后一次計算的塑性區分布云圖如圖8所示。

從圖7可以看出，之前的塑性區在第二級邊坡處有貫通的趨勢，結合圖8的當前塑性區分布可知，當前塑性區沒有貫通，邊坡處于基本穩定狀態，故之前的塑性區雖有貫通趨勢但并未貫通。坡腳處和第二級平臺坡腳處容易發生失穩，施工時應注意對這些范圍進行監測，通過邊施工，邊監測反饋，更好地指導設計與施工，提高工程的安全性，有效防止意外事件發生。

水平位移云圖如圖9所示，僅第三級邊坡有水平位移，最大位移為7.62 cm。

剪應變率云圖如圖10所示，可以看出通過坡腳處一弧形帶范圍的剪應變率最大，該處正好為潛在的滑移面，與前面的分析過程正好吻合。

綜上所述，該高邊坡削坡減載后處于基本穩定狀態，坡面水平位移不大，塑性區未貫通，該設計可靠。施工時采用逆作法進行施工，做好臨時排水和永久排水工作，并建立監測反饋機制，在坡面第一級和第二級坡腳處設置監測點，觀察位移變形情況，為施工提供指導。

4 結語

本工程根據場地實際情況設計出地基處理的合理方法，并且結合施工方案提出安全有效的邊坡支護方案。通過對挖填土方的過程進行計算，得出該方案的可靠性和可行性。此外，本文利用Flac3D軟件對邊坡穩定性進行數值模擬，分析了邊坡的應力、位移及破壞特征，進而揭示了邊坡的變形破壞機理。結果顯示，邊坡坡面水平位移不大，基本處于穩定狀態，同時與以手算得出的挖方邊坡和以Geo-slope電算得到的填方邊坡的邊坡穩定性系數相比較，Flac3D軟件得出的數據比較合理，而且更加直觀地體現邊坡在開挖過程中的變化，所以Flac3D軟件在邊坡穩定性分析方面有很好的適用性。

參考文獻：

[1]黃少谷.基于方格網法的CASS與HTCAD土方計算比較[J].山西建筑，2009，35（6）：147-148.

[2]王雪浪.大厚度濕陷性黃土濕陷變形機理、地基處理及試驗研究[D].蘭州：蘭州理工大學，2012.

[3]秦曉棟，薛維俊.濕陷性黃土地基濕陷機理、濕陷性評價及地基處理方法[J].內蒙古石油化工，2009，35（2）：38-40.

[4]GB 50330-2013，建筑邊坡工程技術規范[S].

[5]鄭 濤，張玉燈，毛新生.基于Geo-Slope軟件的土質邊坡穩定性分析[J].水利與建筑工程學報，2008（1）：6-8，33.

[6]Nian Qin Wang，Qing Tao Wang，Qi Pang，et al. Study on Evaluation of High Slope Stability and Countermeasures Based on GEO-SLOPE[J].Advanced Materials Research，2014（7）：371-376.

[7]艾 興.基于FLAC3D的邊坡變形破壞機理數值模擬研究[J].露天采礦技術，2012（4）：59-61.

[8]常 錦.山區含礫黏土地基強夯加固試驗研究及數值模擬[D].長沙：長沙理工大學，2016.

[9]韓萬東，谷明宇，楊曉云，等.FLAC3D數值模擬的邊坡穩定性[J].遼寧工程技術大學學報（自然科學版），2013，32（9）：1 204-1 208.

[10]張宇旭.路基施工過程變形研究的FLAC3D數值模擬[J].武漢工程大學學報，2011，33（6）：72-75.

[11]劉繼國，曾亞武.FLAC3D在深基坑開挖與支護數值模擬中的應用[J].巖土力學，2006（3）：505-508.

[12]申強利，田明磊，陳 俊.探討FLAC3D在深基坑開挖與支護數值模擬中的應用[J].河南建材，2015（2）：12-13.

[13]Lei Zhang，Xian-feng Cai，Xin Zhang，et al.FLAC3D Application on the Reinforcement Effect of Subsidence Damaged Return Air Duct[M].Springer Berlin Heidelberg，2013.

[14]黃志全，程 巖.對基坑開挖和土釘支護條件下的基坑穩定性的FLAC3D數值模擬分析[J].中國水運（學術版），2007（8）：61-63.

作者簡介：曾祥澤（1987—），工程師，從事高速公路項目建設管理及建設技術應用研究工作。