動力作用下黃土基坑邊坡動態響應分析

程曉偉 吳紅剛 李玉瑞

（1.中鐵西北科學研究院有限公司，蘭州 730030；2.中鐵科學研究院有限公司，成都 610032；3.蘭州交通大學土木工程學院，蘭州 730070）

邊坡穩定性是指邊坡巖、土體在一定坡高和坡角條件下的穩定程度，是基坑工程的核心。

一些學者從支護結構方面研究了基坑邊坡的穩定性。王鵬等[1]基于深基坑微型樁支護模型試驗，研究了深基坑開挖過程與基坑周邊堆載時支擋體系和基坑邊坡的力學響應特征及破壞規律。蔣洪勝等[2]根據現場監測數據探討了復合土釘、灌注樁-錨桿等支護形式與基坑邊坡位移的相關性。王洪德等[3]以大連地鐵一號線某車站出入口基坑工程為研究對象，利用FLAC 3D仿真技術模擬邊坡無支護開挖與土釘支護開挖過程，發現深基坑開挖過程中土釘支護能有效地限制原始應力平衡遭到破壞后土體各部分的塑性變形、地表沉降及土體位移，從而確保基坑穩定。楊玉堂[4]研究了不同基坑支護結構下膨脹土基坑邊坡的變形響應。

造成基坑邊坡失穩的原因很多，一些學者從降雨、滲流、超載等方面進行了研究。梁樹等[5]綜合模型試驗、現場試驗和數值模擬的結果，得到成都黏土基坑邊坡降雨入滲規律和入滲深度的經驗公式。盛建龍等[6]介紹了巖土體中滲流場與應力場的耦合作用機理，采用FLAC 3D軟件建立計算模型，對比分析了滲流-應力耦合與不耦合2種工況下邊坡的穩定性。呂兆慶[7]研究了地面超載對基坑邊坡的穩定性影響。黃春娥等[8]總結了目前基坑邊坡穩定性驗算中常用的幾種考慮滲流力的方法，在深入探討地下水滲流對基坑邊坡穩定作用機理的基礎上提出了有限元法與條分法相結合的新方法。

既有研究較少涉及動力作用下的基坑邊坡響應。本文結合實際工程，分析基坑邊坡在動力作用下的動態響應規律，以期對相關工程建設提供指導。

1 工程概況

蘭州市某商住樓工程基坑邊坡為人工開挖，最大開挖深度為7.5 m，坡度約80°，采用一坡到頂的方式。開挖后，基坑邊坡局部發生滑塌，滑塌區長約6 m。滑塌區南側為商品混凝土等重型車輛的通行主干道。現場平面如圖1所示。

圖1 現場平面示意

1.1 地形地貌

該工程所在區域總體單元地貌為黃土梁峁溝壑區中低山地貌，現場為挖山填溝整平場地。地勢東高西低，自東向西為緩坡，高程1 725.68～1 741.34 m。根據現場鉆探結果，砂巖層面起伏較大，場地內存在1條較大原始沖溝，位于場地北側，東西走向。填方區主要位于沖溝處，填方最大厚度為20.70 m。

1.2 地質條件

該場地位于北西西向馬銜山—興隆山—通渭斷裂帶和北北西向莊浪河斷裂帶的交匯部位。2個斷裂帶派生的次一級斷裂金城關斷裂距場地南側約2.8 km，為非發震斷裂，對該場地沒有影響。場地內未見區域性規模巨大的斷裂。

基坑邊坡為黃土狀粉土層（Q4al+pl），褐黃色，土質較均勻，孔隙、蟲孔較發育，含白色鈣質條紋，可見少量垂直裂隙，裂隙寬1 mm，局部含有少量粉砂。黃土狀粉土層孔隙率0.902～1.370，含水率3.9%～18.4%，呈稍濕狀態。濕陷等級為Ⅳ級（很嚴重）。

1.3 氣象及水文條件

該場地位于甘肅省中部，大陸性氣候顯著，四季分明，冬季寒冷且長，夏季炎熱期短。年平均氣溫8.9℃，極端最高氣溫39.8℃，極端最低氣溫-19.7℃。年平均降水量349.9 mm，降水多集中在7～9月份，占全年降水的60%左右。年平均蒸發量1 664 mm。地表有季節性凍土，標準凍結深度1.14 m。

該場地地下水埋藏較深，勘察深度內未見地下水，但基巖裂隙較發育，且無規律。大氣降水從地表下滲后有可能在強風化基巖裂隙中聚集形成裂隙水。

2 邊坡支護設計及監測方案

綜合考慮周邊環境、施工荷載等因素，設計了基坑邊坡支護及監測方案，如圖2所示。

沿基坑上口設置3排空心鋼管樁，距坡肩分別為1，2，3 m，樁間距為1.5 m，成梅花形布置。空心鋼管樁長為20 m，樁徑為108 mm，樁壁厚度為6 mm，內注水泥砂漿。在邊坡正立面上以與水平成10°夾角設置土釘。土釘采用?25螺紋鋼筋，水平向和豎直向間距均為1 m，成梅花形布置。滑塌區土釘長6 m，其他區域土釘長3 m。

滑塌區支護施工完成后，在邊坡上自上而下布設1#—5#共5個加速度測點，到坑底的垂向距離分別為7.0，6.5，6.0，5.5，5.0 m。為進行對比研究，在尚未進行支護的邊坡上布設6#—10#測點，水平位置依次對應 1#—5#測點。

圖2 邊坡支護及監測方案（單位：m）

采用泰斯特電子TST1000壓電式加速度傳感器對坡體表面進行動態響應監測，其最大橫向靈敏度為5%，最大量程為5g，共3個量程（5g，0.5g，0.05g）。利用TST3827E動靜態信號測試軟件進行加速度數據采集。該軟件是基于VC++開發平臺的動靜態信號處理軟件，包含實時采集、實時顯示、實時分析、實時保存等模塊，且具有功能強大的參數管理模塊。用戶只需輸入設置參數值，所有計算都由軟件自動完成，可直接輸出以g為單位的加速度數據。

3 監測結果分析

為避免對邊坡的過度擾動，選取自重2 t的輕型車輛作為試驗荷載，研究荷載位置（車輛到坡肩的距離）及車速對邊坡動態響應的影響。

3.1 荷載位置對邊坡動態響應的影響

車輛從基坑邊坡附近駛過時，以距離邊坡較近的一側的輪胎位置為荷載位置，如圖3所示，S為荷載位置到坡肩的距離。支護區取S=2.0，2.5，3.0，3.5 m，無支護區取S=3.0，3.5，4.0，4.5 m。測試時車輛行駛速度v=30 km/h。

圖3 荷載位置到披肩的距離示意

車輛沿與路肩距離不同的路線通過時，各測點測得的加速度峰值隨荷載位置到坡肩距離的變化曲線見圖4。由于設備故障，2#，6#測點數據無效。

圖4 加速度峰值隨S的變化曲線

由圖4可知：

1）對于支護區和無支護區，加速度峰值均隨S的增大而減小。其中，在支護區，S從2.0 m增至3.0 m時，加速度峰值快速下降；S從3.0 m增至3.5 m時，加速度峰值變化較平緩。可見，邊坡的動態響應存在敏感區，在敏感區內荷載位置對邊坡動態響應的影響較強，在敏感區外較弱。因此，行車道應保持在敏感區外，以保證邊坡的穩定性和行車安全。支護區的敏感區范圍約為3 m，而無支護約為4 m。因此，對于無支護的土質邊坡，應加大行車道邊緣線到坡肩的距離。

2）與支護區相比，無支護區各測點加速度峰值均相應地有所減小。可見，支護結構的存在提高了邊坡的整體剛度，有利于坡體動態響應的傳遞。

3）對于支護區和無支護區，位置越高的測點測得的加速度峰值越大，在無支護區尤為明顯。可見，邊坡高度對加速度有放大效應，邊坡越高，動態響應越劇烈，邊坡穩定性越差。支護結構可以在一定程度上抑制這種放大作用，提高邊坡穩定性。

3.2 車速對邊坡動態響應的影響

以無支護區邊坡為研究對象，測試車速對邊坡動態響應的影響。設置工況1—工況4共4種工況，依次為車速v=10，20，30 km/h和由30 km/h緊急制動。每種工況下，車輛以前進、后退2種狀態通過測點，取2次測得的平均值作為該工況下的加速度峰值，見圖5。測試時S=3 m。

圖5 不同車速工況下加速度峰值曲線

由圖5可知：對于工況1—工況3，加速度峰值隨車速的提高而增大，車速對邊坡的動態響應有顯著影響；邊坡高度對加速度峰值有放大效應；車輛緊急制動時加速度峰值顯著增大。

因此，車輛通過較高邊坡時應保持低速慢行，避免緊急制動對坡體產生較大的動態響應，影響邊坡穩定性，危及車輛行駛安全。

4 結論

1）加速度峰值隨荷載位置到坡肩距離增大而減小。邊坡的動態響應存在敏感區，敏感區內荷載位置到坡肩的距離對邊坡動態響應的影響較大，且無支護邊坡敏感區范圍大于有支護邊坡。行車道應保持在邊坡動態響應敏感區之外。

2）支護區測得的動態響應明顯大于無支護區，支護結構的存在提高了邊坡的整體剛度，有利于坡體動態響應的傳遞。

3）邊坡高度對加速度峰值有放大效應。邊坡越高，穩定性越差。支護結構的存在可在一定程度上減小這一影響。

4）加速度峰值隨車速的提高而增大。車輛緊急制動對邊坡的動態響應影響較大。因此，應對較高邊坡周邊道路進行限速，確保車輛低速慢行。

5）加速度傳感器在邊坡動態響應監測過程中表現出良好的適用性，可用于對黃土邊坡的動態響應和突發特征進行預警監測。