基坑边坡稳定性分析及治理研究

贾会法，贾超杰

（1.中铁五局集团建筑工程有限责任公司，贵州 贵阳 550081；2.贵州金山水工环岩土工程有限公司，贵州 贵阳 550000）

我国西南地区海拔高，地质构造复杂，地层分布范围广，岩溶发育，岩体结构破碎，风化程度大，边坡失稳现象常有发生。研究深基坑边坡在开挖过程中所产生的一系列问题，如变形破坏机理及规律、稳定性分析、支护设计等具有重要意义。李怀珍［1］、徐兴良［2］以实际工程为例，运用数值模拟软件对各类复杂边坡的开挖和支护进行了模拟分析，得到了支护前后结构的变形和受力数据，并验证了数值分析的可靠性。目前比较常见的边坡加固方法主要包括支护方法和防护方法两大类，支护方法包括锚固技术、抗滑桩支护、抗滑挡土墙、灌浆加固、削方减载、锚杆（锚索）框架地梁等，防护方法包括绿色生态防护、工程防护、综合防护、排水措施等［3－4］。经过近些年的实践，在边坡设计中，总结出绕避、排水、支挡、减重、反压等治理原则和方法。

1 研究区概况

神奇制药沙文生产研发基地5＃综合楼项目基坑边线几何图形是一个开敞的近似矩形。由于原始地形是西高东低，在西侧、北侧、南侧、东侧四周形成边坡，其中西侧北侧比较高，东侧南侧比较低，通过排桩、锚索、格构等加固治理措施，确保基坑边坡的稳定和安全。本文基于对该基坑边坡的数值模拟，分析得到支护前后各云图的变化特征，以期为类似边坡治理工程的研究和评价提供科学依据。

研究区地势起伏较平缓，属于溶蚀谷地地貌。区内无较大断层发育，地层分布连续，岩土构成自上而下为：杂填土（Qml），第四系残坡积可塑红黏土层（Qel＋dl）、三叠系中统松子坎组（T2s）泥质白云岩组成。基岩有两组节理裂隙较发育，岩层为薄至中厚层状，层面风化较强，发育有泥化夹层，结构面类型为软弱结构面。

2 基坑边坡稳定性评价

2.1 基坑边坡特征概述

AB段边坡为总长58 m，坡向90°，高10 m的岩质边坡。BC段边坡总长40 m，坡向180°，高8～10 m高的岩质边坡。坡体由素填土、泥质白云岩组成，边坡为永久性边坡。

2.2 定性评价

研究区有两组节理裂隙比较发育，第一组节理产状：150°∠70°，间隔0.7～0.9 m，延伸长度0.4～0.6 m；第二组节理产状：60°∠65°，间隔0.5～0.8 m，延伸长度0.7～1.1 m，结合程度差。将岩体切割成碎裂状、散体状，通过对两组节理裂隙的赤平极射投影分析，两组节理裂隙组合破裂面中有多组组合破裂面与坡面一致或近似一致，形成岩质边坡区岩体可能沿这些组合破裂面产生滑移、崩塌。

2.3 定量评价

边坡的稳定性评价是依据《建筑边坡工程技术规范》（GB50330—2013）第5.3.1中边坡稳定性评价状态进行划分，计算结果见表1。

表1 边坡稳定性评价汇总表

通过对AB、BC段边坡计算分析，由于两段边坡均为岩土质混合边坡，在现状条件下，采用最不利圆弧滑动、外倾结构面平面滑动的计算方法，两段边坡均处于不稳定状态，边坡为永久性边坡，边坡使用年限与相邻建筑物一致，边坡在长期雨水及风化的作用下局部块石坠落，应进行支护。

3 数值模拟分析

3.1 模型建立

与以往的差分分析方法相比，FLAC3D 6.00软件既可以对连续介质进行大变形分析，还可以模拟岩体沿某一软弱面产生的滑动变形。该软件还能依据不同的材料特性，利用相应的本构模型，较为真实地反映材料的动态行为，常用于分析计算一般岩土体的应力和变形情况。

研究区所建立的模型尺寸为125 m×90 m×45 m（长、宽、高）。从应力分布的一般规律来讲，具有扩散效应，即距离力的作用较浅的土层一般变形也会越明显，较远的土层受力较小，形变也越小。在对模型进行网格划分时，基坑附近处网格较密集，模型边缘较远处网格较稀疏。此次计算过程中，模型共产生9 967个Node（单元）节点，15 545个Grid（网格）单元，2 910个Cable（锚索）单元，840个Beam（梁）单元，280个Pile（桩）单元，开挖分两级开挖：第一阶为开挖土质边坡，深度为0～5 m；第二阶为开挖岩质边坡，深度为5～11 m，支护系统总览模型图如图1所示。

图1 基坑支护系统总览模型图

3.2 基坑位移计算及应力分析

基坑的开挖会引起周围土体的应力扰动，应力状态分布发生变化。边坡失稳原因为破坏其原岩应力，FLAC3D 6.00可形象地模拟出基坑内部应力的变化。支护效应产生的原因在于支护力在主动作用下坡体内应力的重新分布。由图2可知，经过支护加固后，AB、BC段边坡由于锚索的抗拉拔作用使得支护结构附近土体基本处于受拉状态，且其他部位也没有出现明显的应力集中或突变现象，由此可见，支护结构起到了抗滑加固的稳定作用，边坡经支护加固后处于稳定状态。

图2 基坑边坡总览位移云图

3.3 塑性区分析

塑性区分布状况是反映基坑边坡稳定性最直观的特征指标。模型单元在塑性状态下可体现出拉伸破坏状态或剪切破坏状态，可通过分析塑性区来评价边坡稳定性。支护前，AB段边坡的剪切破坏对边坡稳定性影响最大；支护后，剪切破坏单元区域明显减小，塑性区位于坡脚位置，整个塑性区没有贯通，支护结构起到了加固稳定作用。BC段边坡经过支护后，塑性区位于土质边坡段，支护结构起到抗滑加固的作用。由图3可看出，支护结构在限制基坑变形的作用上发挥了重要作用，支护效果显著，达到了预期效果。

图3 基坑边坡总览塑性区云图

3.4 不平衡曲线分析

在数值分析中，最大不平衡力不可能为零，但是只要最大不平衡力与作用在体系上的外力相比小到可以忽略不计时，我们便认为体系达到了平衡状态。通过多次运算支护前不平衡力曲线，其计算结果不为0，则表明模拟的基坑边坡会产生坍塌或塑性变形。由图4所示，支护后的不平衡曲线收敛，运算结果趋近于0，表明经支护加固后，边坡达到稳定状态。

图4 支护后不平衡力曲线

4 结论

（1）通过FLAC3D 6.00软件对深基坑边坡建立模型，对开挖过程进行数值模拟，通过支护前后对位移、应力、塑性区及不平衡曲线进行了分析。

（2）从不同的云图可以明显看出，在施加支护结构后，基坑位移变形量都有明显的减小，有效地限制了结构的变形，其变形基本符合深基坑的变形规律。

（3）计算结果表明，软件模拟值和分析的变形发展趋势吻合。运用FLAC3D 6.00软件模拟工程开挖、支护等具体过程的内力变化及趋势的预测是科学合理的，预测结果真实可靠，具有一定的参考价值。