基坑邊坡頂部地表變形影響因素分析

，，

(中國地質(zhì)大學(xué) 工程學(xué)院， 武漢 430074)

1 研究背景

近年來，隨著城市建設(shè)的發(fā)展，城市高層和超高層建筑不斷興起，隨之而來的深基坑工程越來越多[1]。因基坑邊坡變形導(dǎo)致周邊建筑物變形甚至破壞的事件時有發(fā)生，嚴(yán)重威脅人類的生命和財產(chǎn)安全。邊坡破壞機(jī)理研究表明，邊坡上部因中下部巖土體變形牽引產(chǎn)生拉應(yīng)力而拉裂破壞[2]?？娏植萚3]認(rèn)為土體的強(qiáng)度參數(shù)與含水量關(guān)系密切，隨含水量的增大，強(qiáng)度參數(shù)降低，影響邊坡的穩(wěn)定性。李兆平等[4]研究了基坑邊坡開挖對強(qiáng)度參數(shù)的影響。姚裕春認(rèn)為開挖不可避免地會對坡體產(chǎn)生擾動，不同的施工方法、時序會造成不同影響范圍[5]。

以巴東縣巴楚新時代文化廣場基坑邊坡地表變形為例，對造成基坑邊坡頂部地表的影響因素進(jìn)行調(diào)查研究，利用FLAC軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并為下一步的施工提出了相關(guān)建議，通過對此基坑邊坡的研究可為三峽庫區(qū)以及有著類似地質(zhì)環(huán)境地區(qū)的基坑邊坡開挖建設(shè)提供指導(dǎo)。

2 工程概況

研究區(qū)域位于湖北省巴東縣西壤坡社區(qū)西部，擬建廣場場地東南側(cè)以巴山路沿江大道為界，沿江大道東南側(cè)有5棟居民樓，西南側(cè)以沖溝為界，西北側(cè)和北東南側(cè)以通往旅游碼頭專用公路為界。

場地分布的主要地層有三迭系巴東組第二、第三段和第四系殘坡積物，其中，三迭系巴東組第二段(T2b2)為紫紅色中厚層狀泥質(zhì)粉砂巖，粉砂質(zhì)泥巖，夾灰綠色鈣質(zhì)泥巖，據(jù)區(qū)域資料該段總厚419 m，是分布于廣場范圍內(nèi)的主要地層；三迭系巴東組第三段(T2b3)主要出露在研究區(qū)域北東地段，為灰色、灰黃色灰?guī)r，含泥灰?guī)r，呈中厚層狀，與(T2b2)在區(qū)內(nèi)呈斷層接觸；第四系殘坡積物(Qel+dl)為紫紅色碎、塊石土，結(jié)構(gòu)松散，分布在整個研究區(qū)域的表層，厚5～20 m。研究區(qū)域次級褶皺和斷層發(fā)育，場地位于官渡口向斜南翼，地層結(jié)構(gòu)為單斜構(gòu)造，產(chǎn)狀為330°～350°∠10°～20°，場地為斜交順向坡，其南側(cè)發(fā)育有一條東西向斷裂。

3 裂隙發(fā)育特征

2011-12初巴山路沿江大道彎道內(nèi)側(cè)局部地表出現(xiàn)了明顯變形跡象，圖1為地表裂隙平面分布圖。調(diào)查資料顯示，地表共發(fā)育18條裂隙(表1)。據(jù)表1可知，文化廣場場地東南側(cè)民房室外，沿江大道地面及施工圍墻均有大量裂隙分布，其中沿江大道和民房室外的裂隙呈北東—南西方向展布，走向與文化廣場邊坡走向平行，裂隙寬度達(dá)數(shù)厘米，延伸長度達(dá)數(shù)十米，其規(guī)模大于圍墻上的裂隙。

圖1 地表裂隙平面分布

表1 地表裂隙發(fā)育及展布情況統(tǒng)計

根據(jù)2011-12初民房外設(shè)置的6個沉降觀測點(diǎn)以及場地周邊設(shè)置的20個位移觀測點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)表明：至2012-04-30，5棟房屋未發(fā)生沉降，沿江大道和擋土墻頂部水平位移明顯，多處最大累計變形量達(dá)37 mm；之后路面裂隙仍在進(jìn)一步擴(kuò)展；至2012-07-04，張開度最大擴(kuò)展達(dá)21 mm，一般為6～16 mm。這表明在文化廣場施工期間，裂隙均出現(xiàn)擴(kuò)展破壞。

4 變形影響因素

基坑變形的影響因素主要包括自然環(huán)境因素、設(shè)計因素和施工因素。3種因素具有連續(xù)性和不確定性，每種因素的合理與否都會影響基坑工程的穩(wěn)定性[6]。據(jù)研究區(qū)域巖性及構(gòu)造發(fā)育情況可知，場地的地質(zhì)環(huán)境比較脆弱，易誘發(fā)邊坡巖土體變形，這是影響裂隙產(chǎn)生和擴(kuò)展的重要內(nèi)在因素。在此脆弱的地質(zhì)環(huán)境條件下，開挖坡體可能會對臨近坡體產(chǎn)生不同程度的影響；同時，外界作用無疑會加劇脆弱環(huán)境條件下開挖坡體的環(huán)境惡化。對巴東地區(qū)的工程地質(zhì)概況綜合分析可知，外界作用主要包括地震、降雨和庫水位升降等。研究表明，降雨是誘發(fā)巴東地區(qū)發(fā)生滑坡地質(zhì)災(zāi)害的重要影響因素[7]。

據(jù)長江三峽總公司提供的地震數(shù)據(jù)，巴東縣境內(nèi)2011-09-01至2012-05-11期間發(fā)生地震43次，地震震級均很小，最大震級僅M1.7級。巴東縣周邊發(fā)生的地震震級最大為M4.4級，震中距巴東縣均在數(shù)十至數(shù)百公里之間。故地震對場地邊坡穩(wěn)定性的影響甚微。

2011-09-01至2012-04-29期間長江水位經(jīng)歷了上升階段、最高水位穩(wěn)定期和水位下降階段，當(dāng)長江水位即將上升至175 m高程時，施工場地內(nèi)抗滑樁孔內(nèi)地下水位埋置深度約20 m；根據(jù)2012-04-29基樁孔內(nèi)地下水位實(shí)測數(shù)據(jù)表明，地下水位埋置深度至少20 m，此時長江水位為163.0 m。場地所在區(qū)域巖土體為強(qiáng)透水性介質(zhì)，地下水位變化與庫水位升降過程幾乎可同步，難以形成較大水力梯度的潛水面，因長江水位升降導(dǎo)致的靜水壓力變化不明顯。因此，庫水位升降對此次邊坡頂部地表變形影響極小。

4.1 人類工程活動

施工擾動對巖土體性質(zhì)的影響主要表現(xiàn)為：應(yīng)力狀態(tài)的改變、應(yīng)力路徑的改變、含水量及孔隙比的變化、巖土體結(jié)構(gòu)破壞及巖土體化學(xué)成分的改變，這均不利于邊坡的穩(wěn)定性[8]。

在邊坡開挖過程中，不同的施工時序必然引起開挖坡體產(chǎn)生不同的應(yīng)力松弛程度，使坡體產(chǎn)生不同程度的變形，對開挖坡體的穩(wěn)定性造成影響[5]。施工順序不當(dāng)時，開挖邊坡在應(yīng)力調(diào)整過程中將會由于變形過大而導(dǎo)致破壞失穩(wěn)。文化廣場在2011-09至2012-03初施工期間，主要進(jìn)行場地平整和土方開挖，挖土方量約4 200 m3，2012-03初，開始進(jìn)行抗滑樁施工，對基坑?xùn)|側(cè)壁(沿江大道外側(cè)邊坡)進(jìn)行支護(hù)。文化廣場施工順序總體為“場地整平-邊坡開挖-基礎(chǔ)樁-抗滑樁”。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，文化廣場在開挖過程中未進(jìn)行及時的支護(hù)，這改變了坡體單元的應(yīng)力路徑，對邊坡的穩(wěn)定性不利。

2011-12-03在研究區(qū)域設(shè)立了觀測點(diǎn)進(jìn)行變形監(jiān)測，2012-02-13監(jiān)測資料表明巴山路沿江彎道內(nèi)局部地表變形進(jìn)一步加劇，地裂縫明顯加寬，沿江大道旁房屋墻體裂縫輕度加劇。同年3月16日，房屋周邊地表與墻體裂隙變形有加劇現(xiàn)象。2011-12至2012-02期間，巴東縣在降雨量極小的條件下地表變形擴(kuò)展不斷加劇，在這期間土方開挖持續(xù)進(jìn)行，由此可見，土方開挖對此次地表變形影響較大，邊坡開挖擾動了邊坡的地質(zhì)環(huán)境，開挖后坡體的應(yīng)力發(fā)生了調(diào)整，在斜坡上方沿江大道和民房一帶形成拉應(yīng)力集中區(qū)，導(dǎo)致淺表層土體張拉破壞。因此，人工開挖對基坑邊坡頂部地表變形有著決定性的作用。

4.2 降 雨

許多水-巖(土)方面的研究都證實(shí)，水是造成巖土損傷及邊坡破壞的決定因素。工程實(shí)踐中大量的臨時邊坡失穩(wěn)往往發(fā)生在降雨之后,可見水是可能引起或促發(fā)邊坡失穩(wěn)的一個重要因素。

由表2可知，2011-11共降雨18 d，總降雨量達(dá)109.5 mm，大于多年月平均降雨量。并出現(xiàn)2次連陰雨，持續(xù)時間分別為6 d和5 d?？偨涤炅亢徒涤陼r間增加明顯，根據(jù)變形發(fā)生時間分析發(fā)現(xiàn)裂隙產(chǎn)生、擴(kuò)展的時間和降雨期幾乎可同步。而2012年3月份和4月份降雨時間分別達(dá)12 d和14 d，在此期間，地表裂隙擴(kuò)展速度加劇。由于土體的強(qiáng)度參數(shù)與含水量關(guān)系密切，隨含水量的增大，強(qiáng)度參數(shù)降低，而土體的含水量與持續(xù)降雨時間及降雨強(qiáng)度有著密切的關(guān)系[3]。因此，在上述2段降雨期間內(nèi)，降雨量的急劇增加是導(dǎo)致地表及墻面變形破壞的原因之一。同時，水入滲對邊坡巖土體起軟化作用，必然對邊坡單元的結(jié)構(gòu)造成損傷[9]。基坑邊坡一定范圍內(nèi)巖土體為強(qiáng)透水性介質(zhì)，有利于降雨的入滲，同時，對于第2強(qiáng)降雨階段，由于基坑開挖改變了局部的水環(huán)境系統(tǒng)，及地表裂隙的產(chǎn)生為水的入滲創(chuàng)造了更為有利的條件，隨水入滲強(qiáng)度的增大，邊坡巖土體結(jié)構(gòu)損傷逐漸增強(qiáng)，使邊坡的穩(wěn)定性迅速降低，因而出現(xiàn)變形加劇現(xiàn)象。由此可見，文化廣場東南側(cè)地表變形的產(chǎn)生及加劇受降雨的影響較大。

表2 2011年9月至2012年4月降雨量統(tǒng)計

5 模擬驗證分析

數(shù)值計算軟件FLAC在巖土工程對材料的彈塑性分析、大變形分析以及模擬施工過程等領(lǐng)域有其獨(dú)特的優(yōu)勢[10]，本文采用 FLAC 軟件結(jié)合強(qiáng)度折減法對邊坡的穩(wěn)定性及坡體的位移情況進(jìn)行分析，驗證降雨和人工開挖對文化廣場東南側(cè)地表變形的影響。選取如圖2所示剖面為計算剖面，所建立的地質(zhì)模型以文化廣場為中心，兩側(cè)適當(dāng)延展，以此為原則，建立了地質(zhì)模型(圖3)，模型兩側(cè)邊界采用法向位移約束，底部位移固定。模型中所涉及的巖土體物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場勘察情況及巴東縣同類邊坡防治經(jīng)驗綜合取值，如表3所示。

圖2 斜坡穩(wěn)定性分析地質(zhì)剖面

圖4為廣場開挖后的暴雨工況，模擬中巖土體均采用飽和參數(shù)，由圖4可知，文化廣場開挖后，開挖區(qū)一定范圍內(nèi)為主要變形區(qū)，變形量約為0.02～0.04 m，其次是模型前緣地表，變形量約為0.04～0.06 m，變形量最大區(qū)域位于沿江大道及文化廣場場地靠近沿江大道附近，最大位移約0.18 m。這說明基坑開挖后，坡頂拉應(yīng)力集中，逐漸形成拉裂縫并遷移發(fā)展，這與現(xiàn)場調(diào)查所得裂隙分布范圍相一致。

圖3 邊坡變形分析地質(zhì)模擬模型

表3 巖土體物理力學(xué)參數(shù)表

圖4 邊坡位移等值線圖

經(jīng)計算，文化廣場在開挖后天然狀態(tài)下的穩(wěn)定性系數(shù)為2.37，降雨狀態(tài)下的穩(wěn)定性系數(shù)為1.45，進(jìn)一步說明降雨降低了坡體的強(qiáng)度參數(shù)，改變了巖土體的結(jié)構(gòu)，對裂縫的產(chǎn)生及邊坡的穩(wěn)定性有著重大的影響。但邊坡開挖后在暴雨工況下貫通性剪切面尚未形成，邊坡處于局部變形階段，邊坡整體失穩(wěn)的可能性較小。

隨著基坑的進(jìn)一步開挖，如果地質(zhì)環(huán)境或條件惡化，邊坡整體產(chǎn)生加速蠕動的可能性較大，易形成貫通的潛在滑動面，可能產(chǎn)生進(jìn)一步變形破壞甚至失穩(wěn)。因此，基坑在后續(xù)的開挖過程中必須及時加強(qiáng)支護(hù)，施工盡量避開雨季或雨天停工；及時采取補(bǔ)救措施，坡頂?shù)乇砹芽p應(yīng)用噴射混凝土盡快封閉，防止雨水對其進(jìn)一步破壞；必須加強(qiáng)監(jiān)測，重點(diǎn)監(jiān)測建筑物的沉降、傾斜、裂縫的變化和基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形、地表裂縫變化等方面，注意對周邊建筑的保護(hù)；同時對設(shè)計施工方案進(jìn)行更改優(yōu)化，并盡快施工。

6 結(jié) 論

(1) 沿江大道和民房室外的裂隙大多呈北東—南西方向展布，走向與文化廣場邊坡走向平行，其規(guī)模大于圍墻上的裂隙。在文化廣場施工期間，裂隙均呈現(xiàn)較明顯的擴(kuò)展現(xiàn)象。

(2) 文化廣場及其鄰近地區(qū)的巖土體工程性質(zhì)差是影響裂隙產(chǎn)生和擴(kuò)展的重要內(nèi)在因素。文化廣場基坑開挖施工是誘發(fā)裂隙形成的主要外動力因素，降雨作用則加劇了邊坡變形程度。

(3) 地表裂隙縱向尺寸小，僅涉及坡體淺表層。目前邊坡尚處于局部變形階段，邊坡的整體穩(wěn)定性較好。

(4) 本文的數(shù)值模擬對于分析同類型的基坑邊坡頂部變形的問題是有效可行的，可為相關(guān)的工程實(shí)踐提供參考。

(5) 對于山區(qū)，在邊坡處開挖基坑興建高層建筑時，應(yīng)采取有效的基坑邊坡加固措施以保證邊坡的穩(wěn)定性及坡頂鄰近建筑物的安全。

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