建筑荷载对基坑高边坡稳定性影响研究

毛 伟，刘洋洋，王灿灿，方昌骏，赵映霞

（云南建投第七建设有限公司，云南昆明 650000）

0 引言

张陈蓉等[5]研究了板式支护体系基坑开挖对邻近区域地下管线的变形影响，提出了保证管线正常使用的基坑允许侧向变形与基坑开挖深度的关系；别小勇等[6]研究认为建筑物基础对基坑周边土体的变形形态有一定的影响；宫鹤等[7]研究了桩锚支护基坑紧邻上盖建筑的高边坡的情况，认为施工过程及坑边堆载对锚索使用寿命及边坡变形有较大影响。陈颖辉等[8]研究了桩锚支护结构与周围环境共同作用的分析模型。

1 工程概况

某拟建工程构建物为地下1F，地上1～23F，地下室底板标高1951.9m，坡顶消防环道标高1954.0m，拟建基坑占地面积11244.0m2。场地现已完成拆迁工作，平场至基坑底将于四周形成长304.8m、垂直高10.6~20m 的基坑边坡。区域属溶蚀-侵蚀底山地貌，高程在249~262m，高差24.8m；地势南、西高，北东底，最高点出现于场地西侧一平台，高程262m，最低的出现于场地北西侧房屋边，高程249m。基坑范围内地势平坦，高程集中在250~254m 之间，高差4m。北侧侧与道路相临，东侧、西侧、南侧与已有建筑物相临（浅基础），基坑范围内已完成拆迁工作。

2 数值模拟

2.1 基坑概况

该段边坡为以土质为主，局部分布岩土混合边坡。现暂未开挖，拟开挖方向为174°，开挖后形成长65.2m，高10.6~16.2m 临时性基坑边坡。根据一组裂隙、边坡坡向采取赤平投影分析人工岩质边坡结构面的稳定性。边坡构造及土层参数见表1、表2。

表1 基坑边坡几何参数

表2 各层土体主要参数

2.2 建立数值模拟模型

本文使用ABAQUS 有限元软件分析建筑荷载对基坑边坡稳定性的影响。ABAQUS 是大型通用软件，针对岩土工程同样具有非常强大的分析计算功能。以下是ABAQUS 运用于岩土工程所具备的优点：①可求解岩土非线性问题，包含丰富的岩土材料本构关系；②可模拟非均质材料，能较好地反映岩土体的各向异性；③可用于复杂边界条件的求解；④拥有可视化界面，便于分析计算结果。

本文选取局部基坑边坡进行二维模拟，既能充分考虑基坑边坡的空间效应，又能减少计算工作量。基坑边坡的尺寸取18.06m×34.8m。模型的底部固定其X 与Y 方向的位移，而模型的左右边缘则限制其X 方向的位移。基坑上部的建筑是浅基础建筑，其基础埋深不超过5m，无地下室。为简化计算，荷载使用均布荷载模拟，其作用面为坑顶地表。模型的网格图共有566 个节点和484 个单元。涉及的主要计算工况为：①初始地应力平衡；②模拟周围建筑；③模拟基坑开挖及维护结构，包括挡墙和锚杆支护结构。

3 数值模拟结果分析

将土层参数代入有限元处理软件，得出边坡的总位移场云图和总应力场云图，如图1~图3 所示。

图1 基坑边坡总应力场云图

图3 基坑边坡总位移场云图

对比基坑边坡应力场云图可知，相比未添加坑顶建筑荷载，添加了坑顶建筑荷载的应力场有相应增加，但增加的幅度不明显。这是影响基坑边坡土体应力的主要因素是土体自身的重力，然后才是坑顶荷载。

从添加了建筑荷载的基坑边坡的位移场可以看出水平位移的分布大致沿着坡面向里逐层递减，最大水平位移出现正在坡顶附近。这是由于边坡土体在自身重力和建筑荷载的共同作用下有向下滑移的趋势，这种微小滑移自坡脚到坡顶产生叠加，因此最大水平位移出现在坡顶附近。从竖向位移和总位移图可以看出，这两种位移的最大值都出现在坑顶的边界处，最大竖向位移达到41.19mm。这表明建筑荷载对竖向位移的影响最大，而这种影响体现在了坑顶地面沉降上。

图2 建筑荷载下基坑边坡总应力场云图

在岩土工程实际施工中，施工之前的勘察工作和施工管理比较重要，若是勘察人员勘察不到位，并未全面勘察支护施工区域的水文条件和地质情况，或是工作人员在施工建设前并未全面分析影响基坑建设的因素，可能会造成施工方案设计不合理，将会直接影响后续基坑支护的稳定性。在岩土工程施工准备阶段，因为勘察人员的工作失误和工作疏忽、基坑勘察区域和实际施工建设存在不一致，会直接影响施工图纸勘察测量数据的精准性和可靠性。

如果施工企业在基坑支护的支撑强度与保护力度不到位，将直接影响工程的整体施工质量。若是施工人员没有在施工准备期间完成好挡水设计工作和薄膜覆盖操作，雨水渗透到基坑内，也会导致基坑支护结构失稳。

为提升岩土工程的地质稳定性，增加基坑边坡的加固作用，工作人员可以对影响地质情况的因素展开分析，从而有针对性地解决影响地质结果稳定性的问题。首先工作人员应该先对基坑边坡的土壤结构进行分析，如果土壤中包括很多砂性岩土，其渗透力比较强、地质结果不稳定，比较松软。因此在施工前需要对砂性岩土开展排水处理，减少地下水对砂性岩土稳定性的影响。若淤泥软土比较多，其含水量较高，施工人员在开展排水处理时，需要降低土壤的含水量。其次，管理人员应该结合岩土的构成情况制定一个适宜性较强的排水方案。例如：在处理砂性岩土时，工作人员可以使用连续墙以及多级放坡的方式，可以有效避免岩土出现土质流失，从而达到加固土质结构的目的。

取坑顶表面最左侧的一点为观测对象，其时间与竖向位移的关系如图4 所示。

图4 时间与竖向位移关系

从图4 中可以看出随着时间的推移，竖向位移呈线性增加，而且增加的速度越来越快。其原因是土层被扰动的缘故。一开始受力土体结构性较好，强度更高，而当位移发展到一定程度的时候土体的结构性被破坏了一部分，强度较小，所以后期土体的竖向位移发展较快。

图5 为基坑深层水平位移与深度的关系图。

图5 土体深层水平位移

从图5 可知，深层水平位移随着深度先呈线性增加，增加至一定值后随之稳定，出现峰值。随后随和深度的增加水平位移越来越小。这与实测数据相符合。对比两个剖面的水平位移可以知道虽然边界附近的剖面也有相同的趋势，但是靠近边界剖面的水平位移明显小于坡顶剖面，影响因素有两个：①由于边坡应力分布的规律，越靠近边坡的应力水平越高，在建筑荷载和自身重力荷载的作用下应力得到释放，导致土体位移沿着水平方向发展；②而边界附近的剖面由于临近模型边界，限制了X 方向的位移，土体应力释放比较小，导致土体位移的发展只能沿着纵向，因此水平位移的发展受到限制。

图6 为不同建筑荷载情况下坡顶剖面竖向位移随深度发展的情况。从图6 不难看出，临近建筑物对基坑边坡的竖向位移的影响是显著的。当没有建筑荷载的情况下，随着深度增加，竖向位移线性增加，然后这种趋势随着深度的增加趋于平缓，最后甚至出现了回弹，从8m 深度的7~10m 深度回弹到了5mm。这与水平位移的发展呈现出相似性。

图6 建筑荷载对土体竖向位移的影响

从图6 不难看出临近荷载可以有效促进土体竖向位移的发展，而且这种增加效应随着其距离坑边越小越强。峰值从无荷载的7mm 左右增加到了近11mm。回弹量也从5mm 增大到了10mm。

4 结论

本文在某锚杆支护基坑工程实例的基础上，结合数值分析了基坑周围分别存在建筑物时基坑与建筑物的相互影响，主要有以下结论。

（1）锚杆支撑的基坑边坡里，影响基坑边坡土体应力水平的主要因素是土体自身的重力，然后是坑顶的建筑荷载。建筑荷载对应力的影响与建筑的基础类型、建筑荷载的大小还有建筑与基坑的距离相关。同时土的种类和地下水条件也有影响，如果基坑在有粉土、粉砂分布的地层条件下作业，基坑围护设计时应进行基坑抗渗流破坏的计算。

（2）建筑荷载的存在对基坑边坡的竖向位移影响最大，对水平位移影响最小，这是因为建筑荷载的存在增加了边坡土体的竖向应力，而对水平应力增加较少。建筑荷载作为一种竖向的荷载作用在坑顶上，会让土体内部的竖向应力显著增加。由于土体水平位移的限制，水平应力会有一定的上升，从而增加边坡土体整体的应力水平。随着建筑荷载的增加，土体应力水平持续增加，到达一定程度后土体将会发生剪切破坏，并且边坡沿着一定的角度发生滑坡。因此在较小建筑荷载的临近开挖边坡，或者设计基坑开挖的边界离建筑边界5m 以上对基坑的安全有更大的贡献。

（3）建筑荷载的存在会破坏下部土体的结构性，使土体的强度减小，从而进一步使竖向位移增加，造成土体失稳破坏。

（4）基坑邻近建筑物的沉降值受邻近建筑物位置、荷载影响较大，最大沉降始终发生在靠近基坑开挖线一侧；邻近建筑物距离基坑边界1m 时，基坑边坡的坡顶最大沉降值是没有建筑荷载时的2 倍，因此锚杆基坑邻近建筑物时比较危险。