某工程基坑边坡数值模拟

2020-07-20林永国庄胜奇

四川建筑 2020年2期

林永国，庄胜奇

(福建漳龙建投集团有限公司，福建漳州 363000)

在基坑工程施工中周边环境简单，开挖深度较浅时，为了节约成本、施工简便，目前经常会采用放坡开挖的方式，但是在软土地区桩基已经施工的情况下，基坑无支护放坡开挖易引起边坡失稳[1]，又由于软土地区土应力在超过土体强度之前就有很大的塑性变形，边坡中土体应力过大，土体发生滑动破坏，从而导致周围建筑桩基以及基坑底部桩基偏移、破坏[2]。

谷文昌干部学院一期建筑基坑采用无支护放坡开挖的可能性，以及对桩基存在的影响，本文采用Matlab编程的Bishop法和强度折减法，研究基坑稳定性。仿真结果同时与施工过程进行相互验证表明：基坑放坡施工可能引起边坡失稳，并导致静压桩Z轴失稳，亦会加大边坡失稳的概率，必须对边坡采取支护措施。

1 边坡风险分析

1.1 工程概况

谷文昌干部学院一期工程地下室1层，基础设计等级为乙级，桩基设计为乙级。采用预制方桩基础(共计1 037根)，桩端设计持力层为“散体状强风化花岗岩层”。桩截面500 mm×500 mm和400 mm×400 mm两种，桩长预估为14～28 m。抗浮设计水位为黄海高程4.8 m。

设计总桩数1 037根，其中抗压桩780根，桩型号：AZH50(AJZH50)，单桩竖向抗压极限承载力标准值4000KN，桩端持力层为散体状强风化花岗岩(5)，桩端进入持力层深度不小于2.0D；抗压兼抗拔桩161根，桩型号：AZH50(AJZH50)，单桩竖向抗压极限承载力标准值4 000 kN，单桩抗拔极限承载力标准值960 kN，桩端持力层为散体状强风化花岗岩(5)，桩端进入持力层深度不小于2.0D；抗压桩96根，桩型号：AZH40(AJZH40)，单桩竖向抗压极限承载力标准值2 600 kN，桩端持力层为散体状强风化花岗岩(5)，桩端进入持力层深度不小于2.0D。基坑土壁以素填土层为主，还有局部淤泥层，应充分考虑土体的时空效应及蠕变性主要地质情况见表1。

1.2 基坑边坡分析

条分法和简化Bishop法等是基坑边坡安全性计算中较常采用的计算方法[1-3]。随着商用软件的推广，技术人员倾向于采用可自动求解最小安全系数及临界滑裂面强度折减法[5-7]，具有无须提前假定滑裂面的优势。

表1 场地土主要土质参数

土体采用摩尔库伦模型，平面应变单元模拟，桩基采用线弹性桩单元模拟，整体有限元网格划分见图1。

图1 模型网格划分

本文采用Matlab编程，将土体参数的不确定性采用随机有限元的方法嵌入到简化Bishop法中，计算结果与商用有限元的强度折减法计算结果进行对比，绘制见表2。

表2 场地边坡安全系数

从计算对比分析可见当基坑边坡开挖1 m时，滑动面最小安全系数约为1.81～1.86，其中建筑物桩基部分落于浅层滑动面内，全部落于深层滑动面内，由于场地土体中分布有局部淤泥层，易导致桩基滑动偏移；当开挖完成时，滑动面中最小安全系数已经在1左右，基坑临边在滑动破坏临界状态，此时深层滑动起到决定性作用，滑动应变见图2。

图2 基坑边坡最大剪切应变

由图2分析可知，采用Matlab编程的简化Bishop法计算得到的深层滑动数据与强度折减法仿真结果近似，说明本分析反映了场地土体的应力应变关系，同时验证了考虑土体参数变异性编程计算的可靠性。

2 桩基偏移的仿真模拟

2.1 仿真模型

基坑施工易导致先施工桩基的偏移变形，进而引起桩基断裂等施工质量问题。为了分析基坑开挖引起的边坡滑动问题，进行有限元仿真模拟。

2.2 桩基偏移分析

图3(a)为基坑开挖完成，周围土体的水平变形图。从图中可以看出，坑底土体向坑内方向水平偏移-54 mm。由此可见：基坑若采用放坡开挖，可能导致坑内土体较大的偏移变形，并对周围桩基造成影响。图3(b)桩基因土体偏移引起的附加弯矩。由桩身弯矩可看出基坑边坡采用无支护放坡开挖，边坡土体向基坑方向滑移，土体的偏移，导致桩基的受力状态发生变化，可能造成桩基出现偏移断裂等质量问题发生。

3 技术措施

根据以上分析，基坑支护采用喷锚支护，地下室边坡设计采用喷锚支护、坡度1∶0.6～1∶1。坡面采用内挂φ6.5@250×250钢筋网并喷射C20混凝土厚80 mm进行护面，设长度1 000 mm插筋，φ14@2000×2000梅花形布置，并设长度1 000 mm，φ100PVC泄水管，间距2000×2000梅花形布置，入土部分打φ6@50麻花眼，外包两层无纺土工布，外倾3 %。

开挖方式：分三层开挖，第一层开挖深度2.0 m，第二层开挖深度1.4 m，第三层开挖深度1.0 m，最后留0.2 m人工捡底。如图4所示。装载机留坡道并为下层作好道路垫实工作。作好护壁工作面的修整、交叉配合工作。在基坑边缘线5.0 m以外，对护壁不产生大的影响的情况下，可连续开挖下一层。待周边喷锚完成后，清理周边，向下挖掘。