程晓伟 吴红刚 李玉瑞

（1.中铁西北科学研究院有限公司，兰州 730030；2.中铁科学研究院有限公司，成都 610032；3.兰州交通大学土木工程学院，兰州 730070）

边坡稳定性是指边坡岩、土体在一定坡高和坡角条件下的稳定程度，是基坑工程的核心。

一些学者从支护结构方面研究了基坑边坡的稳定性。王鹏等[1]基于深基坑微型桩支护模型试验，研究了深基坑开挖过程与基坑周边堆载时支挡体系和基坑边坡的力学响应特征及破坏规律。蒋洪胜等[2]根据现场监测数据探讨了复合土钉、灌注桩-锚杆等支护形式与基坑边坡位移的相关性。王洪德等[3]以大连地铁一号线某车站出入口基坑工程为研究对象，利用FLAC 3D仿真技术模拟边坡无支护开挖与土钉支护开挖过程，发现深基坑开挖过程中土钉支护能有效地限制原始应力平衡遭到破坏后土体各部分的塑性变形、地表沉降及土体位移，从而确保基坑稳定。杨玉堂[4]研究了不同基坑支护结构下膨胀土基坑边坡的变形响应。

造成基坑边坡失稳的原因很多，一些学者从降雨、渗流、超载等方面进行了研究。梁树等[5]综合模型试验、现场试验和数值模拟的结果，得到成都黏土基坑边坡降雨入渗规律和入渗深度的经验公式。盛建龙等[6]介绍了岩土体中渗流场与应力场的耦合作用机理，采用FLAC 3D软件建立计算模型，对比分析了渗流-应力耦合与不耦合2种工况下边坡的稳定性。吕兆庆[7]研究了地面超载对基坑边坡的稳定性影响。黄春娥等[8]总结了目前基坑边坡稳定性验算中常用的几种考虑渗流力的方法，在深入探讨地下水渗流对基坑边坡稳定作用机理的基础上提出了有限元法与条分法相结合的新方法。

既有研究较少涉及动力作用下的基坑边坡响应。本文结合实际工程，分析基坑边坡在动力作用下的动态响应规律，以期对相关工程建设提供指导。

1 工程概况

兰州市某商住楼工程基坑边坡为人工开挖，最大开挖深度为7.5 m，坡度约80°，采用一坡到顶的方式。开挖后，基坑边坡局部发生滑塌，滑塌区长约6 m。滑塌区南侧为商品混凝土等重型车辆的通行主干道。现场平面如图1所示。

图1 现场平面示意

1.1 地形地貌

该工程所在区域总体单元地貌为黄土梁峁沟壑区中低山地貌，现场为挖山填沟整平场地。地势东高西低，自东向西为缓坡，高程1 725.68～1 741.34 m。根据现场钻探结果，砂岩层面起伏较大，场地内存在1条较大原始冲沟，位于场地北侧，东西走向。填方区主要位于冲沟处，填方最大厚度为20.70 m。

1.2 地质条件

该场地位于北西西向马衔山—兴隆山—通渭断裂带和北北西向庄浪河断裂带的交汇部位。2个断裂带派生的次一级断裂金城关断裂距场地南侧约2.8 km，为非发震断裂，对该场地没有影响。场地内未见区域性规模巨大的断裂。

基坑边坡为黄土状粉土层（Q4al+pl），褐黄色，土质较均匀，孔隙、虫孔较发育，含白色钙质条纹，可见少量垂直裂隙，裂隙宽1 mm，局部含有少量粉砂。黄土状粉土层孔隙率0.902～1.370，含水率3.9%～18.4%，呈稍湿状态。湿陷等级为Ⅳ级（很严重）。

1.3 气象及水文条件

该场地位于甘肃省中部，大陆性气候显著，四季分明，冬季寒冷且长，夏季炎热期短。年平均气温8.9℃，极端最高气温39.8℃，极端最低气温-19.7℃。年平均降水量349.9 mm，降水多集中在7～9月份，占全年降水的60%左右。年平均蒸发量1 664 mm。地表有季节性冻土，标准冻结深度1.14 m。

该场地地下水埋藏较深，勘察深度内未见地下水，但基岩裂隙较发育，且无规律。大气降水从地表下渗后有可能在强风化基岩裂隙中聚集形成裂隙水。

2 边坡支护设计及监测方案

综合考虑周边环境、施工荷载等因素，设计了基坑边坡支护及监测方案，如图2所示。

沿基坑上口设置3排空心钢管桩，距坡肩分别为1，2，3 m，桩间距为1.5 m，成梅花形布置。空心钢管桩长为20 m，桩径为108 mm，桩壁厚度为6 mm，内注水泥砂浆。在边坡正立面上以与水平成10°夹角设置土钉。土钉采用ϕ25螺纹钢筋，水平向和竖直向间距均为1 m，成梅花形布置。滑塌区土钉长6 m，其他区域土钉长3 m。

滑塌区支护施工完成后，在边坡上自上而下布设1#—5#共5个加速度测点，到坑底的垂向距离分别为7.0，6.5，6.0，5.5，5.0 m。为进行对比研究，在尚未进行支护的边坡上布设6#—10#测点，水平位置依次对应 1#—5#测点。

图2 边坡支护及监测方案（单位：m）

采用泰斯特电子TST1000压电式加速度传感器对坡体表面进行动态响应监测，其最大横向灵敏度为5%，最大量程为5g，共3个量程（5g，0.5g，0.05g）。利用TST3827E动静态信号测试软件进行加速度数据采集。该软件是基于VC++开发平台的动静态信号处理软件，包含实时采集、实时显示、实时分析、实时保存等模块，且具有功能强大的参数管理模块。用户只需输入设置参数值，所有计算都由软件自动完成，可直接输出以g为单位的加速度数据。

3 监测结果分析

为避免对边坡的过度扰动，选取自重2 t的轻型车辆作为试验荷载，研究荷载位置（车辆到坡肩的距离）及车速对边坡动态响应的影响。

3.1 荷载位置对边坡动态响应的影响

车辆从基坑边坡附近驶过时，以距离边坡较近的一侧的轮胎位置为荷载位置，如图3所示，S为荷载位置到坡肩的距离。支护区取S=2.0，2.5，3.0，3.5 m，无支护区取S=3.0，3.5，4.0，4.5 m。测试时车辆行驶速度v=30 km/h。

图3 荷载位置到披肩的距离示意

车辆沿与路肩距离不同的路线通过时，各测点测得的加速度峰值随荷载位置到坡肩距离的变化曲线见图4。由于设备故障，2#，6#测点数据无效。

图4 加速度峰值随S的变化曲线

由图4可知：

1）对于支护区和无支护区，加速度峰值均随S的增大而减小。其中，在支护区，S从2.0 m增至3.0 m时，加速度峰值快速下降；S从3.0 m增至3.5 m时，加速度峰值变化较平缓。可见，边坡的动态响应存在敏感区，在敏感区内荷载位置对边坡动态响应的影响较强，在敏感区外较弱。因此，行车道应保持在敏感区外，以保证边坡的稳定性和行车安全。支护区的敏感区范围约为3 m，而无支护约为4 m。因此，对于无支护的土质边坡，应加大行车道边缘线到坡肩的距离。

2）与支护区相比，无支护区各测点加速度峰值均相应地有所减小。可见，支护结构的存在提高了边坡的整体刚度，有利于坡体动态响应的传递。

3）对于支护区和无支护区，位置越高的测点测得的加速度峰值越大，在无支护区尤为明显。可见，边坡高度对加速度有放大效应，边坡越高，动态响应越剧烈，边坡稳定性越差。支护结构可以在一定程度上抑制这种放大作用，提高边坡稳定性。

3.2 车速对边坡动态响应的影响

以无支护区边坡为研究对象，测试车速对边坡动态响应的影响。设置工况1—工况4共4种工况，依次为车速v=10，20，30 km/h和由30 km/h紧急制动。每种工况下，车辆以前进、后退2种状态通过测点，取2次测得的平均值作为该工况下的加速度峰值，见图5。测试时S=3 m。

图5 不同车速工况下加速度峰值曲线

由图5可知：对于工况1—工况3，加速度峰值随车速的提高而增大，车速对边坡的动态响应有显著影响；边坡高度对加速度峰值有放大效应；车辆紧急制动时加速度峰值显著增大。

因此，车辆通过较高边坡时应保持低速慢行，避免紧急制动对坡体产生较大的动态响应，影响边坡稳定性，危及车辆行驶安全。

4 结论

1）加速度峰值随荷载位置到坡肩距离增大而减小。边坡的动态响应存在敏感区，敏感区内荷载位置到坡肩的距离对边坡动态响应的影响较大，且无支护边坡敏感区范围大于有支护边坡。行车道应保持在边坡动态响应敏感区之外。

2）支护区测得的动态响应明显大于无支护区，支护结构的存在提高了边坡的整体刚度，有利于坡体动态响应的传递。

3）边坡高度对加速度峰值有放大效应。边坡越高，稳定性越差。支护结构的存在可在一定程度上减小这一影响。

4）加速度峰值随车速的提高而增大。车辆紧急制动对边坡的动态响应影响较大。因此，应对较高边坡周边道路进行限速，确保车辆低速慢行。

5）加速度传感器在边坡动态响应监测过程中表现出良好的适用性，可用于对黄土边坡的动态响应和突发特征进行预警监测。