基于ANSYS驗證某基坑工程施工坡道及周邊巖土的穩定性

宋加興 張偉 孟憲偉 劉毅

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2312-5042-2881

作者簡介：

宋加興（1993—），男，本科，工程師，研究方向為土木工程。

張偉（1974—），男，本科，工程師，研究方向為土木工程。

孟憲偉（1980—），男，本科，高級工程師，研究方向為土地管理。

摘 ?要：施工坡道是施工單位為保證基坑工程順利實施采取的施工措施，一般根據以往工程經驗設置，施工期間坡道及周邊支護未施工部位的土體是否穩定，并不在設計考慮范圍內，依據工程經驗設置的施工坡道有時并不能滿足規范要求，但卻能夠滿足施工期間使用要求。基于某建筑基坑實例嘗試采用ANSYS有限元軟件對施工單位根據經驗設置的施工坡道進行分析驗證，希望能夠為施工坡道的設置提供一種理論支持。

關鍵詞：基坑工程 ??施工坡道 ??邊坡穩定性 ??強度折減法

中圖分類號：TU43

建筑基坑在施工時為了便于土方作業往往需要設置施工坡道，無法按照設計要求做到整體分層開挖。坡道按留置位置可以分為邊側留置和中部留置兩種情形。對于寬度較小的基坑，由于坡道兩側均靠近支護結構，故無須考慮坡道橫向穩定問題，僅僅按照規范要求沿縱向留置好坡度即可。但對于面積較大的深基坑，施工坡道往往會留置在基坑中部或邊側，特別是坡道設置在基坑邊側時，坡道土體范圍內支護結構尚未施工，依靠預留坡道的土體是否能夠滿足邊坡穩定及坡道施工荷載要求，目前主要由現場技術人員通過經驗判斷，無法從計算上給出準確結論。此外，有時施工坡道設置并不能滿足規范要求，但直至項目完工依然保持平穩運行，這需要一線技術人員對其進行總結分析。

筆者查閱大量資料未發現對施工坡道進行穩定分析的相關案例及文獻資料。由于施工坡道屬于三維邊坡穩定問題，通過查閱文獻發現在某些大型水利工程中有使用ANSYS有限元軟件進行三維穩定分析的相關實踐案例，且與二維分析相比，三維邊坡穩定分析得到的結果更加符合工程實際[1]，筆者嘗試將該方法應用于建筑基坑施工坡道及周邊土體的穩定性，同時為施工單位的工程經驗提供計算依據。

1 工程概況

本文案例為青島某建筑基坑工程，基坑設計南北向長約159 m，東西向寬約80 m，開挖深度2.12～14.44 m，基坑北側設計采用放坡+土釘墻支護形式，西側支護設計采用鋼管樁+預應力錨桿肋梁支護形式。工程分兩期建設，施工單位根據前期施工組織設計將坡道設置在建筑基坑西北角，受施工進度及其他因素影響西側二期支護結構未施工且均位于坡道范圍內。現場坡道總長約70 m，高約14 m，坡道頂面寬度6 m，坡頂處緊鄰基坑支護一側，為不影響主體結構施工，施工坡道臨近基坑一側坡率為1∶0.11，坡底距離西側支護約13.5 m。坡道設置情況如圖1所示，圖中32、33點為支護結構已施工區域和未施工區域的分界點。

2?地質情況

根據項目巖土工程勘察報告并結合現場土石方開挖情況，坡道附近巖層分布情況如下。

2.1 ?②-Ⅰ強風化花崗巖上亞帶（γ53）

黃褐色～褐色，中粗粒花崗結構，塊狀構造，結構大部分破壞，礦物成分顯著變化，風化裂隙很發育。巖石堅硬程度等級為極軟巖，巖體完整程度為極破碎，巖體基本質量等級為Ⅴ級，巖層層厚6.80～9.10 m。

2.2 ?②-Ⅲ強風化花崗巖下亞帶（γ53）

黃褐色～灰褐色～淺肉紅色，中粗粒花崗結構，塊狀構造，結構大部分破壞，礦物成分顯著變化，風化裂隙很發育。巖石堅硬程度等級為軟巖，巖體完整程度為極破碎，巖體基本質量等級為Ⅴ級，巖層層厚3.40～3.60 m。

2.3 ?③中風化花崗巖（γ53）

黃褐色～灰褐色～淺肉紅色，中粗粒花崗結構，塊狀構造，結構部分破壞，沿節理面有次生礦物，風化裂隙發育，巖石堅硬程度等級為較軟巖～較硬巖，巖體完整程度為較破碎，巖體基本質量等級為Ⅳ級。

根據項目巖土工程勘察報告及工程地質手冊，各巖層物理力學參數取值見表1[2]。

3?坡率法分析坡道穩定性

根據勘察報告查找《工程地質手冊》，坡道處邊坡巖體類型為Ⅲ類～Ⅳ類，查表得巖質邊坡坡率允許值范圍為1∶0.50～1∶1.00[2]；根據《建筑邊坡技術規程》（GB50330—2013），邊坡巖體類型為Ⅲ類～Ⅳ類的巖質邊坡，邊坡高度在8～15 m范圍時，邊坡坡率允許值范圍為1∶0.75～1∶1.00[3]。施工坡道西側上部邊坡土體坡率為1∶1.04～1∶1.35滿足規范要求，而施工坡道根部處邊坡高度為14 m，寬度為1.5 m，換算坡率為1∶0.11，遠高于規范允許值，據此應判定施工坡道橫向坡率不滿足規范要求。但根據施工單位以往工程經驗，該施工坡道地質情況良好滿足施工期間使用要求，施工期間不會發生失穩破壞。最終，直至項目完工施工坡道一直運轉良好未發生失穩破壞問題。

4?有限元法分析施工坡道穩定性

為驗證案例中施工坡道及周邊土體的穩定性并確定其安全系數及可能發生失穩的部位，本文采用ANSYS有限元軟件進行分析。ANSYS軟件是融結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，在土木工程、機械制造、國防軍工等領域都有著廣泛的應用，在土木工程領域，工程師經常利用其強大的模擬分析能力解決工程難題。

施工坡道的穩定性可轉化為邊坡穩定性問題進行分析，在土木工程領域邊坡穩定分析主要采用有限元強度折減法。有限元強度折減法不僅可以簡單、準確地確定邊坡的安全系數，還能自動尋找邊坡潛在的破壞位置，已經在巖土工程中大量應用。有限元強度折減法的基本原理是將土體材料的強度參數黏聚力和內摩擦角同時除以一個折減系數，得到一組新值，作為一組新的參數輸入再進行試算，當計算不收斂時取前一次的折減系數即為坡體的最小穩定安全系數，此時坡體達到極限平衡狀態，發生剪切破壞[4]。本文也將利用ANSYS有限元分析軟件采用強度折減法進行施工坡道三維穩定性分析。

4.1?有限元模型建立

巖土材料在自然界中較為復雜，巖層中存在許多節理裂隙，受到多種因素影響，在進行數值分析時為了能夠方便計算，做出以下假設：（1）同一巖層材料為均勻介質，不考慮內部材料各向異性；（2）基坑內巖層為理想彈塑性材料；（3）不考慮溫度、地震力、滲流場、地質構造應力等問題；（4）不考慮巖層開挖后隨時間進一步風化問題；（5）已按設計施工的支護結構能夠保證其設計部位的安全，不考慮其與施工坡道之間的相互影響。

為有效模擬施工坡道與周邊巖土的穩定情況，截取坡道周邊1～2倍基坑深度范圍的巖土體建立有限元三維模型，施工坡道根據現場實測數據進行1∶1建立模型。根據工程經驗坡道縱向坡率較小，坡道根部在該方向不會發生失穩破壞，為提高軟件運行效率，建模時不考慮北側支護結構及以外土體；已完成支護部分建模時對其施加水平方向約束。

根據項目巖土工程勘察報告將場地下方不同巖層做分層處理，分層時忽略巖層分界面起伏變化，根據施工坡道附近地質剖面圖中巖層傾向及層厚變化將巖層分界面簡化為斜平面。由于施工坡道為不規則平面，模型建立后采用SOLID95固體單元進行網格劃分，SOLID95是比3-D，8節點固體單元SOLID45更高級的單元，它能夠吸收不規則形狀的單元而精度不發生損失；同時，SOLID95單元有可并立的位移形狀并且對于曲線邊界的模型有很好的適應性。由于模型尺寸較大，為提高軟件運行效率，網格劃分寬度取1.5 m。有限元實體模型共劃分190?908個單元，建立271?049個節點，模型分析采用D-P本構模型[5]。施工坡道及周邊巖土體建模情況如圖所示，圖中不同顏色代表不同的地質分層。

4.2 模型加載求解

對施工坡道模型各邊界及已施工的支護結構施加三向約束，模型中巖土體整體施加豎向自重荷載。由于施工期間施工坡道主要承擔渣土外運及鋼筋等材料運輸作業任務，綜合考慮取施工荷載為56 t，加載面積取3 m×10.5 m；施工車輛在邊坡上運行時應與施工坡道臨空面保持足夠的安全距離，根據實際運行時車道軌跡以及加載要求，施工荷載與施工坡道臨空面邊線距離取1.5?m，施工荷載按均布荷載均勻施加在荷載作用面范圍內坡道中部的各個節點，方向豎直向下。在ANSYS中通過設置載荷步模擬施工車輛行駛在坡道不同位置時的工況，由于軟件分析中荷載需要通過單元體節點施工給結構模型，因此定義車輛每移動1個網格寬度即1.5m作為一個工況進行分析，分別計算車輛從施工坡道底部運動至頂部各工況下施工坡道及周邊巖土體的穩定性。依次對折減系數F=1、F=1.1……時各巖層的黏聚力和內摩擦角進行折減，然后重新加載分析直至計算結果不再收斂。

4.3 模型計算結果及分析

經過軟件不斷迭代分析，當F=3.7時計算結果不再收斂，計算結果如圖3～圖6所示：

根據軟件分析結果，施工坡道及周邊土體的安全系數為3.6。根據圖3“F=1時塑性應變矢量圖”可知，當安全系數F=1即正常使用情況下，施工坡道周圍巖層均為彈性變形，未發生塑性變形；說明施工期間，施工坡道及周邊巖土體將保持穩定滿足使用要求，符合技術人員經驗判斷。當安全系數F=3.6時，邊坡處于極限平衡狀態，塑性變形最大部位位于西側已施工支護結構和未施工支護結構的分界線附近，該處沿坡道橫向最大變形為34.6 mm，沿坡道縱向最大變形為4.8 mm，失穩主要沿施工坡道橫斷面方向進行。當F＞3.6時，施工坡道及周邊巖土體將發生失穩破壞[6]。

根據坡率法分析結果，施工坡道最危險處應位于坡道根部靠近基坑一側部位，該處邊坡坡度及高度均較大，根據現場施工技術人員經驗判斷，該處也應是最危險部位。但根據模型計算分析結果，施工坡道及周邊巖土體施工期間最危險部位位于東側已施工支護結構區域和未施工支護結構區域的交界處，該處巖土體有繞過支護結構向外滑動的趨勢。可見，僅靠技術人員的施工經驗不能對施工坡道及周邊巖土體的穩定性做出最準確的判斷。根據建模分析情況，危險點位于該處的原因主要有三點，具體敘述如下。

一方面，場地內施工坡道周邊上部強風化巖層與下部中風化巖層分界面由北向南傾斜，致使軟件分析危險點處與北側坡道根部處相比地質情況相對較差的強風化巖層厚度較大。另一方面，軟件分析危險點處位于支護結構已施工與未施工交界處，結構存在突變，該處支護結構背后巖土體坡度垂直，主動土壓力相對較大，突變處巖土體強度及剛度較支護結構均較低，對巖土體滑動限制能力有限，因此危險點處巖土體有繞過支護結構向外滑動的趨勢。此外，北側坡道根部處由于有沿施工坡道方向上巖土體的制約作用，滑動主要沿坡道橫斷面方向進行；而軟件分析危險點處靠近基坑一側土體沿坡道橫向及縱向均為邊坡，該處巖土體較少對該處可能產生的滑坡制約作用較弱。

5 結語

施工坡道作為基坑工程的一種常用的施工措施，不在設計考慮范圍內，由于它也是構成工程安全必不可少的一環，而施工單位技術人員往往又不具備相應的計算分析能力，對施工坡道可能出現的危險性不能做出最準確的判斷，筆者認為也應引起足夠的重視，不能僅僅憑借施工經驗進行論斷。本文基于某建筑基坑工程實例，首次利用ANSYS有限元軟件采用三維建模方式驗證建筑基坑工程中施工坡道及周邊土體的穩定性，通過分析計算得出施工坡道的安全系數及可能失穩部位，希望能為現場技術人員提供一種分析施工坡道穩定性的方法；同時也希望一線技術人員能夠利用有限元軟件等工具與傳統的施工經驗相互印證，在確保施工安全的同時，也為我國的工程建設積累寶貴的技術資料。

參考文獻：

[1] 杜九博，楊士瑞，吳先敏，等.基于三維精細模型的水利工程高邊坡穩定分析[J].人民黃河，2019，41（9）：129-131，154.

[2] 工程地質手冊編委會.工程地質手冊[M].?5版.北京：中國建筑工業出版社，2018：185-186，1091-1092.

[3] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.建筑邊坡工程技術規范：GB50330—2013[S].北京：中國建筑工業出版社，2023.

[4] 聶高波.基于強度折減法的土質邊坡穩定性研究[D].鄭州：河南大學，2021.

[5] CAD/CAM/CAE技術聯盟.ANSYS 19.0土木工程有限元分析入門與提高[M].北京：清華大學出版社，2020.

[6] 多仁杰.巖質邊坡有限元強度折減法的應用研究[J].山西建筑，2022，48（21）：96-99.