深基坑施工失稳破坏研究

杨阳

（上海申海建设监理有限公司，上海 200000）

深基坑施工失稳破坏研究

杨阳

（上海申海建设监理有限公司，上海 200000）

城市深基坑变形过大易引起土层的失稳破坏，若不及时采取补救措施，不仅能导致基坑滑坡、上层建筑倾覆等工程事故，还对周围环境造成恶劣影响。分析深基坑施工的破坏机理和破坏形式，利用Flac3D数值分析方法对基坑的失稳破坏进行模拟，总结造成深基坑稳定性变化的各种原因，得出如下研究结论：深基坑失稳范围会随着土体黏聚力的减小而随之增大；深基坑的整体稳定性会随着内摩擦角增加而上升；抗拉强度的大小对深基坑稳定性影响极小；外荷载的增加会使稳定性系数降低，影响基坑的安全。

基坑变形；破坏机理；影响因素；数值分析

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.05.038

1　引言

现代城市建设中，越来越多的高层、超高层建筑正在或者即将修建，基坑深度也随之不断增加，基坑开挖后土体的稳定性越来越难控制。由于开挖后出现了应力重分布，极易引起基坑和周围建筑物基础发生变形，一旦变形得不到有效控制，便容易出现工程事故，情况严重时还会导致基坑塌陷和周围建筑物倾斜甚至倒塌。

Bjerrun[1]研究了深基坑开挖施工中的卸载效应，指出支护形式对土压力分布的影响程度，并建立了一套计算压力重分布的公式；Peck[2]以位于芝加哥的深基坑变形监测数据为基础，研究了地表沉降曲线和基底沉降区域对施工的影响，并总结出利用沉降监测预测工程质量的经验函数；Charles等[3]利用数值分析法模拟分析黏土层地区的深基坑变形情况，提出了针对基坑变形的支护优化方案；可以看出，国内外诸多学者对深基坑失稳破坏的失稳机理和处置措施已经有了一定的研究，深基坑的稳定问题也越来越受工程界重视。为更好地保证深基坑施工的安全性、降低基坑的变形量，本文利用数值分析方法对深基坑的破坏机理做出更深层次的研究，进一步分析开挖时的变形特征，对基坑工程的失稳预测和安全评价体系提出可靠的理论支持。

2　支护结构失稳破坏形式

开挖的深度大于或等于5m或存在多层的地下室结构（大于2层）或深度虽然未达到5m，由于一些复杂原因而形成的工程叫深基坑工程。基坑体系中的支护结构起到巨大作用，对体系的强度起直接作用，而外界的不利因素会诱发它的失稳破坏[4]。

2.1非重力式稳定性破坏的形式

可以概括为下列几点：

1)踢脚破坏：又可以概括为土整体性滑动失稳，它通过坡脚或坡脚以下这个界面滑动，包括圆弧式滑动，如图1a所示。破坏的主要原因有：地基土十分软弱；堆放重物过多，或者设计开挖基坑深度较大；锚杆的锚固长度不足[5]。

2)倾覆破坏：坑底隆起：碰到地基土质较柔软，开挖较深或上部荷载超过承载力等不利因素时，基坑开挖后释放的应力极易引起基坑底部隆起，如图1b所示。

3)管涌或流砂：基坑开挖较深时，相应的水位差也会较大，再遇上地质条件较差的土层时，譬如粉土或粉细沙等无黏性土的细颗粒，就极易造成管涌或流砂[6]，如图1c所示。

图1　支护结构破坏形式

2.2重力式稳定性破坏形式

可以概括为下列几点：

1)倾覆破坏：在土压力作用下，由于水泥土挡墙存在截面、质量过小等问题，会发生整体倾覆失稳的情况。

2)滑移破坏：一旦水泥土挡墙后的推力大于挡墙与土之间的抗滑力，就会出现整体滑动从而导致支护的结构遭到破坏。

非重力式中的3种破坏形式在重力式中同样可以见到[7]。

3　基坑施工失稳破坏分析

细数基坑施工过程中产生的事故，深基坑中的失稳破坏必定首当其冲。它造成的后果是十分严重的，轻者会使支护体遭到破坏，重者会对经济及社会造成不可挽回的局面。本节将借助模拟的数值，通过分析稳定性的变化以及基坑失稳与各因素之间的关系来研究施工过程中存在的一系列问题。通过用FLAC3D软件，用fish对材料强度系数进行递减，当所用材料出现破坏时对强度进行截止。

3.1计算模型

选取地层较为均匀的基坑开挖，开挖至16m的深度，开挖坡度角选取3个角度：90毅、60毅和45毅。地层参数分别为：重度18.5kN/m3，弹性模量10MPa，泊松比为0.3，内黏聚力为40kPa，内摩擦角度取14毅，抗拉强度取8kPa，通过M-C模型采用数据模拟计算，M-C模型见图2。

图2　M-C计算模型

3.2基坑失稳判断依据

基坑的坡体变化状态可以从位移变量来得知，而基坑的稳定性则可从塑性区的发展而得到，而这两者都可以通过FLAC这个介质来表示出来，见图3。塑性区从发展到扩大再到贯通正是基坑失稳的几种表现形式。

3.3基坑失稳破坏影响因素分析

地层强度、支护强度、外部环境的影响、开挖方是引起基坑失稳的几个原因。本节将主要研究支护方案、降雨、荷载、地层强度对基坑稳定性造成的破坏。

图3　基坑失稳的位移判据及塑性区判据

1）黏聚力的影响

模拟计算内黏聚力的取值范围3.7～273.0kPa,从表1可知,随着内黏聚力变化时，安全系数也会相应变化，变化前后百分比为8.72%。

表1　黏聚力与安全系数的关系

从表中看出，黏聚力对基坑稳定性影响较大，甚至会起到连锁反应，基坑失稳由小变大，滑动面越来越陡，失稳范围逐渐扩大。

2）内摩擦角的影响

模拟计算内摩擦角的取值范围1.0～16.0毅,从表2可知随着内摩擦角的变化，安全系数也会相应变化，变化前后的百分比数值为5.73%。

表2　内摩擦角和安全系数的关系

内摩擦角的变化对失稳面的影响比较大。

3）外载的影响

模拟计算外载的取值范围为0～400.0kPa，从表3可知，随着内摩擦角变化，安全系数也会相应的变化，变化前后的百分比为8.13%。

表3　外载与安全系数的关系

分析表3可以得出以下结论：增加的外载与基坑安全系数大致成反比关系，其对基坑稳定性造成严重影响。

4　结论

1）边坡失稳破坏的因素有很多，由设计、管理、施工等共同组成，表现形式有支护结构破坏、滑移失稳等。

2）采取强度折减法对深基坑进行数值的分析模拟，利用位移分布、塑性区分布来制定深基坑失稳破坏的判断依据。

3）深基坑的稳定性受内摩擦角与土体的黏聚力影响程度较高。

4）外部荷载上升会导致深基坑的稳定性系数下降，影响安全施工。

【1】Bjerrum,L.,Clausen,C.J.F.And Duncan,J.M.Earth pressure on flexible structures-A state of the art report[R].Proceedings,Fifth European conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, VoI.II,1972:169-196.

【2】Peck,R.B.（1969）Deep excavation&tunneling in soft ground. State-of-the-Art-Report[R].Proc.,7th lnt.Conf.Soil Mech.Fdn.Engrg. 226-281.

【3】Charles W.W.Ng et al，Numerical analysis of a multi-propped excavation in stiffclay[J].Can Geotech.1998.Vol.35,(l):115-131.

【4】陈祖煜.深基坑稳定分析中几个问题的讨论[J].岩土工程学报, 2010,32(S1):1-8.

【5】袁聚云,吴权,艾智勇.逆作法基坑围护的变形及邻近建筑沉降实测分析[J].地下空间,2004,24(1):44-48.

【6】黄茂松,杜佐龙,宋春霞.支护结构入土深度对黏土基坑抗隆起稳定的影响分析[J].岩土工程学报,2011,33(7):1097-1106.

【7】艾智勇,苏辉.深基坑多层水平支撑温度应力的简化计算方法[J].同济大学学报,2011,39(2):199-203.

【8】钟才根,张军等.软土基坑围护的时效性分析及变形预测[J].合肥工业大学学报,2004,27(9):1058-1062.

Study on the Instability of Deep Foundation Pit Construction

YANG Yang
(Shanghai Shenhai Construction Supervision Co.Ltd.,Shanghai 200000，China)

Cities deeppit large deformation can lead to excessive destruction of soil instability,if not timely remedial measures,not only can lead to pit landslide,superstructure overturning accident and other projects,but also have adverse effects on the surrounding environment. Analysis of the mechanism of damage and destruction in the form of deep foundation construction,the use of Flac3D numerical analysis method to simulate excavation damage instability summarizes the factors that affect the stability of deep foundation,get the following conclusions:With decreases cohesion of soil,pit loss stable range increases;With the internal friction angle increases,the overall stability of the pit rises;The size of the tensile strength have little impact on the stability of the pit;With external loads increase,the stability coefficient is reduced,so the external loads have impacts on the security of pit.deformation.

pit deformation;failure mechanism;influencing factors;numerical analysis

TU46+3；TU745

A

1007-9467（2016）05-0132-03

杨阳（1992～），男，江苏泰州人，助理工程师，从事工程建设及岩土研究，（电子信箱）657479539@qq.com。

2015-12-03