基坑边坡开挖过程变形特性分析

冉益铭 王炳元 李勇斐

（重庆科技学院建筑工程学院，重庆 401331）

0 引言

中国是一个多山的国家，随着人口越来越多，可供使用的土地变得越来越少，所以人们把目光逐渐放到山地以及地下空间，这自然而然就会形成许多边坡[1]。

边坡就是地质构造或人为开挖形成的临空面。在其漫长的生成年代里，坡体中除了自重应力外，随着地形地貌、地质环境的改变，地质构造产生的构造应力也不相同。同时，由于地下水位变化、地表水下渗、人类工程活动的影响，边坡的应力状态也在不断地改变。所以，边坡稳定是我们应该重点关注的一个问题。

为了让边坡处于一种安全稳定的状态，需要对其采用一些支护措施，对于高度较高的边坡，桩板挡墙为一种常用的支护方式。即使采取了支护措施，但在一些如降雨、地震等不确定条件的影响下，边坡也并不是完全处于安全状态的，所以边坡变形是值得重点关注的对象[2]。本文就基坑边坡开挖过程的变形特性进行分析。

1 工程概况

本工程为重庆某建筑基坑边坡，因地形较为复杂，对边坡进行分段支护，本文以长度约为80m，坡高约8m的一段边坡为对象，对典型剖面进行数值模拟分析。

1.1 地层构造

从地勘报告可知，拟建场地的地层岩土分布如下∶

（1）素填土：场地内大范围填土呈杂色，主要由粉质黏土夹砂岩、泥岩碎块石、碎屑组成，松散～稍密，稍湿，碎块石含量约为30%～80%，粒径一般为10～300mm，局部最大块径可达1.5m，均匀性较差，架空结构明显，为原经纬大道施工时机械随意抛填，回填时间为3～8年，局部区域存在新近素填土，为拟建场地北侧建筑施工时机械随意回填，回填时间为1～3年。本次钻探揭露厚度0.30（XK40）～10.90m（XK25），场地覆盖层分布范围广、厚度差异大。

（2）粉质黏土：紫红色，黄褐色，无摇振反应，切面稍有光泽，呈可塑状，为中等压缩性土，干强度中等，韧性中等。该层在场地零星揭露，主要分布在场地南侧的斜坡中部平台地段[3]，揭露厚度0.50m～2.00m（XK17），发现此区域10年前曾培育过树苗，后树木被移除后，当地菜农剔除大部分块石后种菜。

（3）泥岩：紫红色、暗紫色，主要由黏土矿物等组成，泥质结构，厚层状构造，局部砂质含量较重，钻孔揭露单层厚0.50m（PK8）～29.24m（XK39），为拟建场地主要岩层，该层与砂岩呈互层或夹层，局部呈透镜体出现。该层广泛分布于场地区域，为本场地主要岩性。

场地内基岩顶面埋深0.00（BZY109）～9.70m(XK3)，基岩面标高范围196.95m（XK3）～261.69m（BZY109），基岩面标高差异大，基岩面坡度约0～65°，与地形基本一致呈南高北低之势。基岩面差异大主要是由于人类工程活动的影响：拟建场地南侧经纬大道施工过程中，曾沿现状高边坡倾倒部分开挖碎块石，导致现状边坡覆盖层厚度增大，且局部区域存在大量块石；拟建场地南侧高边坡，依山建房，多处存在人工切坡现象；拟建场地中部第二阶平台(XK20附近)，为原玻璃厂遗址，拆迁后回填土层种植树木，后树木移植后作为菜地使用（使用年限约8年）。

1.2 水文地质条件

拟建场地西北侧有一人工湖泊—天地湖，人工湖距离场地红线最近约100.00m。该天地湖水位常年稳定，水位设计标高约194.50m，勘察期水位为194.30m。天地湖在修建期间在湖底部采用了防渗水和隔水措施，但由于湖水长时间对湖底侵蚀，曾有漏水现象发生，后经过修缮处理已不渗漏。拟建场地距离天地湖较远，拟建物最低标高为201.40m，场地与天地湖间隔较远，天地湖地下水对拟建场地影响小。

场地内地下水主要为大气降水经土层渗透补给，场地地下水受大气降水影响较大，雨季地下水较丰富[4]。勘察期间钻孔中未测得地下水位，所有钻孔均为干孔，说明天地湖地表水对场地的影响小，场地内地下水与天地湖地表水无水力联系。场地地下水主要分布于原始低洼地带，受季节及降雨影响较大，场地钻探深度范围内地下水复杂程度简单，与现场实际情况基本一致。勘察区地下水较贫乏，水文地质条件总体简单。

1.3 支护方式

根据市政规划，场地南东侧建筑红线与轨道交通9号线的保护线部分重叠，目前该段轨道交通正在进行施工阶段。根据设计意图，轨道9号线在该段采用隧道穿越，拟建场地南东侧红线约8.80m为轨道交通九号线隧道出口段，设计标高224.06～230.31m，硐高9.50m。拟建场地建筑红线距离隧道保护结构比较近，另外拟建场地在轨道保护线以内边坡覆盖层较厚，开挖会对轨道稳定性产生影响；建议轨道保护线以内环境边坡采用桩板挡墙，通过强支护减少对轨道交通九号线的影响。应遵循先治理后开挖的原则，待混凝土强度达到设计要求后，方可开挖边坡[5]。该段边坡应加强监测工作，实施运行监测和效果监测，并结合日常巡视，如遇监测数据异常或现场边坡变形破坏，应及时查找原因并启动应急预案。该段边坡治理难度大、费用高，但有效治理后，将对轨道交通九号线的影响较小。

1.4 地震效应影响

场地建设用地红线范围内无可液化土，不存在土层地震液化问题；按设计标高平场后，场地大部分区域覆盖层厚度不大[6]，但是南东侧区域拟建物外侧、建筑红线和在建轨道保护线重叠区域，覆盖层较厚，在地震作用下场地内填土可能发生不均匀沉降，对建筑结构稳定不利，由于此区域边坡开挖对轨道影响较大，建议不要扰动该区域，或者进行强支挡后开挖边坡；场地部分地段基岩面坡度陡，且上覆土层厚度大，地震时可能产生滑坡，建议加强支挡。拟建场地整平后，部分基底基岩出露，部分地段土层厚度大，建筑设计时应注意建筑有效嵌固问题[7]。本段边坡采用桩板挡墙进行支护，桩距4.00m，为圆形桩，桩长取两倍开挖深度，桩径为1.50m。

1.5 施工步骤及施工措施

先对排桩进行施工，待达到设计强度后，分四次进行开挖，每次2m。经现场工程地质调查和钻探显示，场区内未见崩塌、滑坡、泥石流、岩溶、地面沉降等不良地质作用。

场地素填土在桩基础施工过程中可能发生局部塌陷或塌孔事故，应采取压实和护壁措施，确保施工安全和成桩质量。

场地基坑边坡较高，降雨期间施工易形成基坑（槽）积水，降低岩土体抗剪强度，可能存在边坡坍塌的风险；拟建场地可能采用人工挖孔桩，人工挖孔桩施工过程中，可能存在高处坠落事故、物体打击事故、坍塌事故、触电事故等风险。

场地岩层胶结差异大，同种岩石力学强度变异性较大，现有勘探点密度所揭露的岩性和取样试验结果并不一定能完全代表整个场地，施工期间可能出现部分基础持力层抗压强度值低于设计值的情况。建议在基础开挖时加强基坑验槽及取样试验工作，当出现低于设计要求的试验强度值时[8]，应同参建各方及时会商解决。

1.6 参数选取

结合岩土室内试验及经验取值，各岩土层及支挡结构参数见表1。

表1 材料参数

2 有限元模拟及结果分析

2.1 有限元模型的建立

本项目用有限元分析软件对基坑边坡开挖过程进行数值模拟分析，基本假定如下：

（1）岩土体采用摩尔-库伦本构模型，支护结构采用弹性本构；

（2）采用平面应变单元对岩土体进行模拟，用梁单元对支护结构进行模拟[9]；

（3）建模时竖向距离取开挖深度的3倍，水平范围选取开挖深度的2.5倍；

网格划分后形成820个单元和786个节点，原始模型以及施工完成后模型如图1、图2所示。

图1 边坡施工前模型

图2 边坡施工完成后模型

2.2 施工工况模拟

基坑边坡施工为顺作法分层开挖，施工工况如下：

（1）工况一：添加边界条件，添加自重，位移清零。

（2）工况二：施工排桩，长度为16.00m，桩径1.50m，梁单元属性设置桩间距4.00m。

（3）工况三：开挖第一层土体至-2.00m。

（4）工况四：开挖第二层土体至-4.00m。

（5）工况五：开挖第三层土体至-6.00m。

（6）工况六：开挖第四层土体至-8.00m。

对每个开挖工况进行应力分析。

2.3 结果分析

开挖完成后，边坡的水平位移云图如图3所示。

图3 施工完成后排桩水平位移云图

由图3可见最大水平位移发生在坡顶，为29mm，边坡位移控制为工程的一个重点关注对象[10]，绘制各工况下排桩的水平位移曲线，如图4所示。

图4 各开挖步排桩水平位移曲线

随着基坑开挖，不同开挖步下排桩的水平位移变化趋势大致相同[11]，桩身最大水平位移均出现在桩顶。各开挖步下桩体最大水平位移与最大值增量如表2所示。

表2 桩体最大水平位移及其增量

由表2可知，在基坑开挖时，桩体水平位移逐步增大，但是桩体水平位移最大值增量却先增大后减小，第四步增量较小的原因可能是第四步开挖到达岩层，由表2分析得出在基坑开挖时，在开挖深度较大时应该控制土石方开挖深度或采取相应措施控制变形[12]。

对基坑边坡地表沉降图分析可知，在基坑开挖过程中，随着开挖步的进行，基坑周边地表沉降值逐渐增大[13]。对单一开挖步地表沉降曲线进行分析，总体上来看，基坑边坡地表沉降值与距坡顶边线距离呈反比，但在距坡顶较近处出现反弯趋势，开挖完成后基坑边坡坡顶地表最大沉降值为12.12mm。

拟建场地按地下车库设计标高开挖后，形成基坑边坡，场地周边按环境标高平场形成环境边坡。工程施工期间主要的地质风险为基坑边坡和环境边坡的稳定性，挖方岩质边坡开挖后将改变自然斜坡原有的稳定性，岩质边坡可能会沿外倾结构面发生倾倒破坏。挖方土质边坡和填方边坡填筑后坡角变陡，填土内聚力小，自稳能力差，易产生土体内部圆弧滑动破坏[14]。若施工过程中边坡失稳将造成人员伤亡、设备损毁、建（构）筑物的破坏等经济损失，造成的后果严重。

施工过程中应严格按《建筑边坡工程技术规范》（GB50330-2013）及勘察设计要求进行边坡支护的施工。边坡施工建议采用分段跳槽、自上而下、及时支护的逆作法施工，边坡工程宜采用动态设计，信息施工法，并在施工过程中和边坡完成后，加强边坡变形监测工作。

3 结束语

本文利用数值模拟软件对重庆市某建筑基坑边坡开挖过程进行二维有限元模拟，边坡采用先支护后开挖的施工方式[15]。对边坡开挖过程的变形特性进行分析，得出结论如下：

（1）在开挖过程中，排桩最大水平位移始终发生在桩顶，桩顶水平位移随开挖过程逐步增大。

（2）随着基坑边坡开挖，坡顶土体的沉降值随开挖的进行而增大，对于单次开挖步，基坑边坡地表沉降值与距坡顶边线距离呈反比，但在距坡顶较近处出现反弯趋势。