某工程基坑邊坡數值模擬

林永國，莊勝奇

(福建漳龍建投集團有限公司，福建漳州 363000)

在基坑工程施工中周邊環境簡單，開挖深度較淺時，為了節約成本、施工簡便，目前經常會采用放坡開挖的方式，但是在軟土地區樁基已經施工的情況下，基坑無支護放坡開挖易引起邊坡失穩[1]，又由于軟土地區土應力在超過土體強度之前就有很大的塑性變形，邊坡中土體應力過大，土體發生滑動破壞，從而導致周圍建筑樁基以及基坑底部樁基偏移、破壞[2]。

谷文昌干部學院一期建筑基坑采用無支護放坡開挖的可能性，以及對樁基存在的影響，本文采用Matlab編程的Bishop法和強度折減法，研究基坑穩定性。仿真結果同時與施工過程進行相互驗證表明：基坑放坡施工可能引起邊坡失穩，并導致靜壓樁Z軸失穩，亦會加大邊坡失穩的概率，必須對邊坡采取支護措施。

1 邊坡風險分析

1.1 工程概況

谷文昌干部學院一期工程地下室1層，基礎設計等級為乙級，樁基設計為乙級。采用預制方樁基礎(共計1 037根)，樁端設計持力層為“散體狀強風化花崗巖層”。樁截面500 mm×500 mm和400 mm×400 mm兩種，樁長預估為14～28 m。抗浮設計水位為黃海高程4.8 m。

設計總樁數1 037根，其中抗壓樁780根，樁型號：AZH50(AJZH50)，單樁豎向抗壓極限承載力標準值4000KN，樁端持力層為散體狀強風化花崗巖(5)，樁端進入持力層深度不小于2.0D；抗壓兼抗拔樁161根，樁型號：AZH50(AJZH50)，單樁豎向抗壓極限承載力標準值4 000 kN，單樁抗拔極限承載力標準值960 kN，樁端持力層為散體狀強風化花崗巖(5)，樁端進入持力層深度不小于2.0D；抗壓樁96根，樁型號：AZH40(AJZH40)，單樁豎向抗壓極限承載力標準值2 600 kN，樁端持力層為散體狀強風化花崗巖(5)，樁端進入持力層深度不小于2.0D。基坑土壁以素填土層為主，還有局部淤泥層，應充分考慮土體的時空效應及蠕變性主要地質情況見表1。

1.2 基坑邊坡分析

條分法和簡化Bishop法等是基坑邊坡安全性計算中較常采用的計算方法[1-3]。隨著商用軟件的推廣，技術人員傾向于采用可自動求解最小安全系數及臨界滑裂面強度折減法[5-7]，具有無須提前假定滑裂面的優勢。

表1 場地土主要土質參數

土體采用摩爾庫倫模型，平面應變單元模擬，樁基采用線彈性樁單元模擬，整體有限元網格劃分見圖1。

圖1 模型網格劃分

本文采用Matlab編程，將土體參數的不確定性采用隨機有限元的方法嵌入到簡化Bishop法中，計算結果與商用有限元的強度折減法計算結果進行對比，繪制見表2。

表2 場地邊坡安全系數

從計算對比分析可見當基坑邊坡開挖1 m時，滑動面最小安全系數約為1.81～1.86，其中建筑物樁基部分落于淺層滑動面內，全部落于深層滑動面內，由于場地土體中分布有局部淤泥層，易導致樁基滑動偏移；當開挖完成時，滑動面中最小安全系數已經在1左右，基坑臨邊在滑動破壞臨界狀態，此時深層滑動起到決定性作用，滑動應變見圖2。

圖2 基坑邊坡最大剪切應變

由圖2分析可知，采用Matlab編程的簡化Bishop法計算得到的深層滑動數據與強度折減法仿真結果近似，說明本分析反映了場地土體的應力應變關系，同時驗證了考慮土體參數變異性編程計算的可靠性。

2 樁基偏移的仿真模擬

2.1 仿真模型

基坑施工易導致先施工樁基的偏移變形，進而引起樁基斷裂等施工質量問題。為了分析基坑開挖引起的邊坡滑動問題，進行有限元仿真模擬。

2.2 樁基偏移分析

圖3(a)為基坑開挖完成，周圍土體的水平變形圖。從圖中可以看出，坑底土體向坑內方向水平偏移-54 mm。由此可見：基坑若采用放坡開挖，可能導致坑內土體較大的偏移變形，并對周圍樁基造成影響。圖3(b)樁基因土體偏移引起的附加彎矩。由樁身彎矩可看出基坑邊坡采用無支護放坡開挖，邊坡土體向基坑方向滑移，土體的偏移，導致樁基的受力狀態發生變化，可能造成樁基出現偏移斷裂等質量問題發生。

3 技術措施

根據以上分析，基坑支護采用噴錨支護，地下室邊坡設計采用噴錨支護、坡度1∶0.6～1∶1。坡面采用內掛φ6.5@250×250鋼筋網并噴射C20混凝土厚80 mm進行護面，設長度1 000 mm插筋，φ14@2000×2000梅花形布置，并設長度1 000 mm，φ100PVC泄水管，間距2000×2000梅花形布置，入土部分打φ6@50麻花眼，外包兩層無紡土工布，外傾3 %。

開挖方式：分三層開挖，第一層開挖深度2.0 m，第二層開挖深度1.4 m，第三層開挖深度1.0 m，最后留0.2 m人工撿底。如圖4所示。裝載機留坡道并為下層作好道路墊實工作。作好護壁工作面的修整、交叉配合工作。在基坑邊緣線5.0 m以外，對護壁不產生大的影響的情況下，可連續開挖下一層。待周邊噴錨完成后，清理周邊，向下挖掘。

(a)土水平位移

圖4 基坑開挖示意(單位：mm)

最后由反鏟挖掘機依留設坡道的反序收出土坡道。開挖工作面溝槽土方時，機械行走路線須與支護施工配合，盡量不影響支護結構。

4 結 論

綜上所述，應用Matlab編程與有限元仿真對谷文昌干部學院一期工程基坑施工進行分析，得出如下結論：

在土質不均狀況下，基坑開挖必須重視邊坡支護施工，基坑周邊存在淺層和深層滑動同時出現的可能，同時引起樁基破壞，必須對邊坡采取支護措施。