坡脚深基坑开挖对高边坡稳定性动态影响及设计策略研究

阮永品

（中铁二院（广东）港航勘察设计有限责任公司）

1 引言

在市中心周边区域的丘陵、山地等地貌下修建地铁车站和线路成为继续攻关的课题，其关键问题在于在坡脚深基坑开挖的情况下，如何保证高边坡的稳定性。

长期以来，在岩土工程和施工安全的基本课题中，高边坡稳定性有着关键且重要的位置[1]。随着数值方法和计算力学手段的进步和飞跃，在边坡稳定性分析中应用数值模拟等方法已经成为业内共识。在达成这一共识之前，大量的研究者贡献了他们的解决方案和思路。其中，我国的郑颖人院士及其团队[2-3]在这方面进行了系统研究，并提出了大量的理论突破和实践方法。不仅如此，随着相关方法的推广，国内众多研究人员也不断应用数值手段对边坡的稳定性问题进行分析和研究[4-5]。在山地和丘陵地区，很可能出现在高陡边坡坡脚及附近开挖深基坑的情况。为此，针对高陡边坡自重对深基坑产生的偏压效应[6]，以及相关的设计施工方法也有部分学者开展了研究和讨论。

为研究高边坡坡脚处深基坑开挖对高边坡稳定性的动态影响，并对基坑和边坡的设计加固策略开展讨论，本文基于某地铁项目基坑—边坡工程，建立PHASE2[7]计算分析模型，并考虑施工荷载和基坑分层开挖等因素，对高边坡的安全系数和稳定性进行计算分析。此外，本文还深入讨论了对现有设计方案中边坡加固部分进行了优化，以为类似工程提供参考。

2 工程概况

2.1 工程情况

文中研究边坡项目的主要地貌特征为低山丘陵，地势起伏较大，故形成了陡坎等地形。在勘查范围内，边坡高程约13.1m～58.3m，高差约45.2m，原状坡度约30°～75°，由东向西侧倾斜，山体表面和周围植被丰茂。考虑工程地质因素和相关条件，边坡主体结构的支挡结构采用天然放坡。车站风井基坑位于边坡坡脚处，基坑深度为10.00m，基坑宽度为8.70m，围护结构采用D1200@1350 旋挖灌注桩，设置两道支撑，靠近山体一侧为风井基坑支护桩，另一侧为车站基坑支护桩。风井基坑西侧距现状边坡坡脚3.0m，现状边坡坡高11.6m，分两级，底下一级为高度8.3m，宽度3.0m，上面一级高度3.3m，宽度2.0m，中间有一宽度1.3m的平台。

2.2 地质情况

结合图1以及勘查结果，该边坡从顶部到底下，一共有四层土，分别是素填土、残积土、岩石全风化带和岩石强风化带。基坑区域一共两层分别是顶上的岩石强风化带和底下的粉砂岩中风化带。五个地层的特性介绍如表1所示。

表1 地质情况表

3 模型概况

3.1 数值计算方法

PHASE2 可计算包括隧道、边坡等多种二维开挖问题，属于一款由Rocscience 公司推出的岩土工程系列计算程序。PHASE2是一款采用有限单元法进行求解的数值计算程序，其内置了多种岩土本构模型。边坡稳定安全系数是边坡稳定性分析计算中的常用指标，在PHASE2D 中，通过基于强度折减概念和理论的有限单元法，对边坡模型进行求解，最后获得对应的安全系数，安全系数的计算方法见式（1）。

式（1）中：FOS为安全系数；τ为切应力；τf为破坏时的切应力。

3.2 计算模型

本文所建立的数值分析模型如图1所示。由图2可见，该模型包含了现状坡面和开挖后的分级放坡各级坡面，以及基坑支护结构和开挖分层等。此外，按照边坡平面应变分析的要求，将模型基坑底部、基坑左边、边坡右边等边界按照一倍的坡高即11m 进行扩展，通过足够大的计算域，削弱了边界对分析和计算的负面作用。

图1 所构建的计算区网格

4 基坑开挖过程中边坡的动态稳定性

根据本文研究目标及图1 有关工程地质情况，建立如图1 所示的有限元模型后，给各层材料按照表2所示的参数进行赋值。在定义好各个施工荷载后，采用PHASE2的强度折减法求解器，对含深基坑的边坡计算模型进行边坡稳定性求解。

表2 各地层力学和计算参数

计算结果表明，风井基坑未开挖、基坑开挖一层土、基坑开挖完全三种工况下的边坡动态安全系数分别为1.20，0.93 和0.77。由此可见，随着基坑不断开挖，边坡的稳定安全系数产生了较大下降。

对比图2 可知，边坡的最大剪应变在基坑开挖过程中一直在坡脚处集中。由此可见，在本文所涉及的情况下，该高边坡在容易沿着坡脚处产生贯通的剪切带，从而发生失稳，影响工程安全。

图2 基坑开挖到底时边坡稳定性安全系数=0.77

5 加固方案优化分析

计算表明，两级放坡加锚杆加固的边坡加固方案无法满足该工程所需的边坡安全性要求。为此，需要优化和调整边坡的整体加固方案，令施工过程中边坡的安全性符合相关要求。在本文中，结合上一节中的问题，对边坡的坡面形状进行了优化。将两级放坡加锚杆改为3 级放坡加锚杆，坡脚离基坑依旧是3m。底下两级边坡的高度为4m，宽度为2m，顶上一级高度为3.6m宽度为2m，相邻两级之间设1.3m的平台。

对比图2-3 可发现，在优化后，虽然边坡的动态安全系数随着开挖仍旧降低，但该边坡的安全系数提升显著。另外，从图3中也可以发现，相比图2，边坡的最大剪应变不再集中于坡脚处，而是随着基坑开挖不断变化。由此可知，采用了优化设计方案后，边坡的安全系数和整体的变形分布都有了优化，抵抗边坡失稳能力大大提升。

图3 优化后开挖到底的边坡稳定性结果

6 结语

综上，主要结论如下：①随着坡脚处基坑开挖的不断开展，边坡的安全系数不断降低，这一降低是由于坡脚处的应力释放引起基坑外侧岩土体变形带动坡脚处岩土体剪应变集中引起的，对于原设计方案下的边坡安全有较大影响；②优化调整边坡的放坡方案后，随着基坑开挖，整个边坡的安全系数一直保持在安全范围内，若边坡的稳定性仍不满足要求，则需要进一步采取措施。