建筑荷載對邊坡穩定性的影響探究

郭曉峰（冠縣建筑工程質量服務中心，山東冠縣 252500）

1 國內外關于邊坡穩定性的研究現狀

20世紀30年代，瑞典科學家提出了關于滑體移動面的圓弧形觀點；20世紀40年代，有學者在瑞典科學家觀點的基礎上提出了滑移圓弧的圓心位置學說；20世紀50年代之后，又有學者先后提出了關于巖土內部的土條剪力方向關系學說以及極限平衡法等觀點。但是這些學說和觀點大多還是基于巖土內力的成因和效果分析，對于基坑邊坡穩定的安全系數問題，是在20世紀80年代之后，逐步被提及并獲得關注的[1]。我國科學家張天寶等亦是在20世紀80年代初期提出了基于數值規劃法的基坑邊坡穩定安全系數計算式；而后孫君實在總結前人觀點的基礎上，創造性地提出基于巖土滑動面的最小邊坡穩定性系數；20世紀80年代末期至90年代初期，又有學者嘗試使用滑動面圓弧與有限元相結合的方法測算邊坡穩定系數，并獲得一定的進展；進入新世紀，張國祥、李麗民等學者又分別提出了基于邊坡的潛在滑移線、邊坡的彈塑性應力分析、邊坡的潛在滑移面等理論觀點，豐富并拓展了邊坡穩定性的維護研究理論，為探究建筑荷載對邊坡穩定性的影響分析提供了科學的理論支撐[2]。

2 研究內容、方法和技術路線

根據地質情況和建筑結構形式的不同，影響建筑穩定性的關鍵因素會有比較大的差異，本文通過資料整理和現場勘驗，依托FLAC3D建模軟件分析某工程項目在自然境況下、在條形基礎作用下、在樁基作用下的應力和位移數值，并積極觀察該項目不同應力狀態下的邊坡穩定性系數變化，從而依據科學的理論指導，對數據分析結果進行評價。本文的主要研究內容為：

（1）基于施工現場巖土的勘驗情況，對建筑物基坑邊坡的巖土進行物理分析和力學參數分析；

（2）基于建模軟件和數值分析軟件，對典型應力狀態下的邊坡穩定性安全系數進行測算與分析評價。

3 工程項目地質概況

某房地產開發項目，其地塊的地層巖性如表1所示。

表1 某建筑地塊的地層巖性狀態表

從表1數據信息可以看出，該建筑的地質構造主要以粉土和風化麻巖為主，且大多分布不均勻，每一巖土層的層厚較大，屬于較差地質情況。在這種地質構造較差區域開展建筑荷載對邊坡穩定性的分析具有一定代表性和積極意義的。

4 基于強度折減法對建筑邊坡穩定性進行分析

首先，根據該項目的地質構造情況，對該建筑物邊坡面上的所有建筑物進行剖面劃分，四個剖面分別為剖面1-1，剖面2-2，剖面3-3，剖面4-4，如圖1所示。

圖1 邊坡面上建筑物剖面劃分

借助平板荷載試驗，對1-1剖面進行研究分析，1-1剖面的長度為84m，高度為29m，按照工程力學的有關參數值以及CAD制圖軟件繪制出1-1剖面的地質情況，如圖2所示。

圖2 1-1剖面地質情況圖

根據現場勘驗以及實驗室巖土試驗得出1-1剖面巖土層的各項物理力學參數如表2所示。

表2 1-1剖面位置處巖土層物理力學參數表

此外，1-1剖面位置處為該建筑物的條形基礎位置區域，條基長度10m，埋深1.5m；條基下部樁基直徑60cm，每個樁基之間的間距是500cm，本文采用建模與數值分析軟件分別探究建筑邊坡在自然境況下、在條基作用下、在6m深度樁基作用下的建筑邊坡穩定性。

利用FLAC3D仿真軟件，采取有限元的強度折減法對該建筑在自然境況下的位移進行計算分析，其位移云圖如圖3（a）和圖3（c）所示，其所受應力云圖如圖3（b）所示。透過該建筑巖土體的邊坡應力云圖可以看出，本項目的巖土體邊坡在自身重力作用下，深度越大，其豎直方向受到的應力也就越大，而且在邊坡的坡面附近，其所受應力也出現了偏轉現象，偏轉后的力學主要特征是邊坡所受應力逐漸平行于坡面。通過FLAC3D軟件進行有限元數值模擬分析，依托位移的突變增量與邊坡的主應變增量云圖，分析和判斷該建筑邊坡潛在的滑移面位置，同時，借助該軟件計算出本項目的邊坡在自然境況下的如圖3（d）所示的主應變增量云圖。從圖3（d）可以看出，該建筑物的邊坡在自然境況下由頂部至底部呈現弧形斜隙增量變化，因此，邊坡頂部的應力變化對于弧形斜隙方向上的安全影響較大，該穩定性的系數K約為4.24。

圖3 自然境況下位移云圖（a）和（c）、所受應力變化云圖（b）、主應變增量云圖（d）

對案例項目在自然境況下的邊坡位移和應力進行云圖分析后，再利用軟件對該建筑邊坡在條形基礎作用下不同荷載的應力進行分析，其應力云圖如圖4所示。當條形基礎所受荷載由300kN逐漸增加至1300kN時，建筑邊坡周圍的深度也在呈非線性增加，在條形基礎的中部以下，其受到的應力大于對應部位的初始應力；在靠近條形基礎兩端的以下部位，在一定的深度范圍內，邊坡所受應力反而逐漸減小，應力的跡線也在發生偏移，由內及外逐漸恢復到初始的應力狀態。此外，當建筑物邊坡在300kN～1300kN的荷載作用影響下，邊坡在豎直方向的位移也持續增大，最大位移值達到4.95E-04，這充分說明邊坡頂部所受建筑荷載增加，將對邊坡的安全產生負面影響，邊坡發生滑塌的概率明顯增加。

圖4 條形基礎下不同的荷載應力云圖

圖5 條形基礎下樁基不同的荷載應力云圖

繼續沿著前文軟件模擬和分析思路，當樁基礎深度為6m時，同樣對樁基上部施加300kN～1300kN的荷載，該建筑邊坡在樁基上部所受荷載作用下的應力云圖如圖5所示。從圖5（a）的300kN逐漸增加至圖5（f）所示的1300kN，可以很明顯地透過顏色變化（云圖藍色逐漸消失，紅色面積越來越大）看出，樁基所受荷載越大，邊坡豎直方向上所受應力越大，邊坡產生滑移的概率也就越高。透過軟件測算，樁基上部荷載為1300kN時，邊坡最大位移值達到2.43E-04。

5 邊坡穩定性分析

5.1 條基上部荷載作用下的穩定性分析

本項目建筑邊坡在條形基礎上部荷載作用下的邊坡穩定性系數如圖6所示，當上部荷載為300kN時，邊坡穩定性系數3.69；當上部荷載為500kN時，邊坡穩定性系數3.51；當上部荷載為700kN時，邊坡穩定性系數3.32；當上部荷載為900kN時，邊坡穩定性系數3.01；當上部荷載為1100kN時，邊坡穩定性系數2.79；當上部荷載為1300kN時，邊坡穩定性系數2.53。

圖6 條形基礎下的邊坡穩定系數圖

按照我國目前的有關規范要求，當邊坡穩定性系數＞1.3時，處于穩定狀態；1.03≤邊坡穩定性系數≤1.05時，處于基本穩定狀態；1.00≤邊坡穩定性系數＜1.05時，趨于穩定狀態；邊坡穩定性系數＜1.00時，為不穩定狀態[3]。

綜合以上信息，300kN～1300kN的上部荷載變化，雖然對于邊坡的穩定性產生了一定影響，但是1300kN荷載作用下對應的穩定性系數2.53＞1.3，屬于穩定狀態。

5.2 樁基上部荷載作用下的穩定性分析

本項目建筑邊坡在深度為6m的樁基上部荷載作用下的邊坡穩定性系數，如圖7所示，當上部荷載為300kN時，邊坡穩定性系數3.71；當上部荷載為500kN時，邊坡穩定性系數3.53；當上部荷載為700kN時，邊坡穩定性系數3.35；當上部荷載為900kN時，邊坡穩定性系數3.21；當上部荷載為1100kN時，邊坡穩定性系數3.02；當上部荷載為1300kN時，邊坡穩定性系數2.85。根據邊坡穩定性系數要求，亦可知在樁基上部荷載作用下，本項目的建筑邊坡（2.85＞1.3）是穩定可靠的。

圖7 樁基受荷載作用下的邊坡穩定系數圖

6 結語

利用FLAC 3D仿真軟件，借助有關數學方法對建筑荷載影響下的邊坡進行穩定性計算和監測是比較科學、客觀和可靠的，可以作為廣大從業者在施工過程中監測防控邊坡安全的一種措施手段。