梁競(jìng)，鄭盛業(yè)

（廣西二七三地質(zhì)隊(duì)，廣西貴港537101）

1 概述

有限元法是采用有限個(gè)微小單元將連續(xù)介質(zhì)離散化，通過(guò)對(duì)有限個(gè)單元做分片插值求解各種力學(xué)、物理問(wèn)題的一種數(shù)值方法。有限元法把連續(xù)體離散成有限個(gè)單元：桿系結(jié)構(gòu)的單元是每一個(gè)桿件；連續(xù)體的單元是各種形狀（如二維平面中的三角形、四邊形）的單元體。每個(gè)單元的場(chǎng)函數(shù)是只包含有限個(gè)待定節(jié)點(diǎn)參量的簡(jiǎn)單場(chǎng)函數(shù)，這些單元場(chǎng)函數(shù)的集合就能近似代表整個(gè)連續(xù)體的場(chǎng)函數(shù)。根據(jù)能量方程或加權(quán)殘量方程可建立有限個(gè)待定參量的代數(shù)方程組，求解此離散方程組就得到有限元法的數(shù)值解。由于大多數(shù)實(shí)際工程問(wèn)題因多方面的原因而難以得到精確的解析解，而有限元不僅計(jì)算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。

膨脹土在廣西區(qū)內(nèi)廣泛分布，一般為高塑性粘土，具有吸水膨脹、失水收縮和反復(fù)脹縮變形、浸水軟化、干縮裂隙發(fā)育等特性，常使建筑物產(chǎn)生不均勻的豎向或水平的脹縮變形，造成位移、開裂、傾斜甚至破壞；對(duì)于膨脹土邊坡，反復(fù)脹縮變形產(chǎn)生的干縮裂隙遭遇長(zhǎng)時(shí)間強(qiáng)降雨時(shí)易于飽水，又進(jìn)一步軟化邊坡土質(zhì)，造成滑坡現(xiàn)象。對(duì)普通土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分析與計(jì)算，一般多用極限平衡法；但對(duì)強(qiáng)膨脹土邊坡的穩(wěn)定性分析計(jì)算，由于不能忽略其膨脹力，但目前規(guī)范方法中又無(wú)相應(yīng)的、有效的簡(jiǎn)化地質(zhì)模型作為依據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，因此有必要引入一些先進(jìn)而合理的巖土計(jì)算技術(shù)以便對(duì)強(qiáng)膨脹土邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析與評(píng)估。

2 工程概況

某工程場(chǎng)地位于巖溶準(zhǔn)平原，該項(xiàng)目一期工程由3幢住宅樓、裙樓及地下室部分組成，其地上31～32層，設(shè)計(jì)2層地下室，從整平地坪起，基坑開挖深度約6m?；釉诤茉缰耙呀?jīng)初步開挖，基坑邊坡為放坡開挖?；游鱾?cè)緊鄰的工廠長(zhǎng)期排出生產(chǎn)棄水，其排水溝緊靠基坑頂部。由于基坑邊坡無(wú)其它方式的有效支護(hù)，部份地段地基土具有較強(qiáng)的脹縮性，基坑開挖后側(cè)壁土體失水產(chǎn)生收縮，而雨水致使側(cè)壁土體吸水產(chǎn)生膨脹，如此脹縮變形反復(fù)進(jìn)行而使得基坑側(cè)壁土體產(chǎn)生裂縫，進(jìn)一步使得基坑頂排水溝出現(xiàn)拉張裂縫、嚴(yán)重滲漏，最終致使西側(cè)邊坡出現(xiàn)嚴(yán)重滑塌現(xiàn)象，并且接近基坑底處的坡腳土質(zhì)軟弱，坡腳挖土?xí)r易出現(xiàn)鼓脹擠出現(xiàn)象，無(wú)法有效開挖坡腳。

2.1 工程地質(zhì)概況

（1）根據(jù)勘察報(bào)告，場(chǎng)地土層有淺表層的耕土、填土以及較厚的紅粘土，其分布及工程力學(xué)性質(zhì)描述如下：

①1層耕土（Qml）：灰褐色，濕，稍密，主要為粘性土組成，含少量磚瓦碎粒及植物根系，高壓縮性土。層厚0.40～0.80m，平均為0.54m；分布于整個(gè)場(chǎng)地。

①2層人工填土（Qml）：雜色，濕，稍密，主要為粘性土組成，含少量灰?guī)r碎石及磚瓦碎粒，局部鉆孔為灰褐色淤泥質(zhì)粘土，軟塑，高壓縮性土。層厚0.60～1.80m，平均為1.17m；分布于局部場(chǎng)地。

②層紅粘土（Q4el）：棕紅色，褐黃色；飽和；硬塑（埋藏較深及接近巖石面的呈可塑狀）；性粘，切面較光滑，土體結(jié)構(gòu)致密，未見裂隙發(fā)育。干強(qiáng)度中等，韌性中等，無(wú)搖振反應(yīng)，偶含細(xì)小鐵錳質(zhì)結(jié)核。層厚4.70～14.90m，平均為7.24m；層頂深度為0.40～2.50m，層頂高程43.07～47.15m；層底深度5.20～15.30m，層底高程31.24～40.75m，分布于整個(gè)場(chǎng)地。

（2）根據(jù)土工試驗(yàn)和脹縮試驗(yàn)，場(chǎng)地②層紅粘土自由膨脹率在25.50%～37.50%，平均31.21%；液限45.20%～79.80%，平均61.40%；豎向收縮系數(shù)0.28～0.42，平均0.36；50kPa荷載下相對(duì)膨脹率為0.02%～0.04%，平均0.03%；脹縮總率為2.41%～6.90%，平均4.62%；按《廣西膨脹土地區(qū)建筑勘察設(shè)計(jì)施工技術(shù)規(guī)程》DB45/T396-2007，本場(chǎng)地②層紅粘土以棕紅色為基色，成因類型為B1亞類膨脹土，膨脹土的脹縮性等級(jí)為中等脹縮性土?？辈靾?chǎng)地為三類場(chǎng)地，大氣影響深度da為6m。紅粘土天然地基的（豎向）脹縮變形量在20mm≤Ses＜80mm之間，膨脹土的地基脹縮等級(jí)為Ⅱ級(jí)。

2.2 水文地質(zhì)概況

場(chǎng)地地下水類型主要為巖溶裂隙水，同時(shí)存在部份上層滯水。

（1）上層滯水主要賦存于人工填土與紅粘土土體裂隙中，主要由地表水和大氣降水補(bǔ)給，向低處排泄。水量較大，主要受地表生產(chǎn)生活廢水控制。

（2）巖溶裂隙水具有弱承壓性，賦存于石灰?guī)r風(fēng)化裂隙及溶洞中，含水量及滲透性受節(jié)理裂隙發(fā)育程度及風(fēng)化層的厚度控制。主要靠大氣降雨及區(qū)域地表水體補(bǔ)給，由北而南向河谷排泄。

（3）勘探過(guò)程中，大部份鉆孔均有少量漏水，表明場(chǎng)地地下水較豐富。部份鉆孔遇到溶洞、夾層后全孔不返水，說(shuō)明地下水通道主要是巖溶裂隙及風(fēng)化裂隙管道以及未充填膠結(jié)的溶洞。根據(jù)本地區(qū)大量的地基基礎(chǔ)施工經(jīng)驗(yàn)，場(chǎng)地地下水的流動(dòng)通道主要為巖溶裂隙、管道以及巖土交接部位的網(wǎng)絡(luò)狀管道，如若長(zhǎng)期抽取地下水，地下水的補(bǔ)給過(guò)程往往逐漸加快并且水量逐漸加大；如果開挖基坑、挖孔樁施工時(shí)遇到該類巖溶管道、裂隙，則地下水水量較豐富，單個(gè)巖溶管道最大補(bǔ)給量甚至大于30m3/h；如果基坑、基樁開挖時(shí)未遇到該類巖溶管道，則地下水較小，單孔（?1000mm）補(bǔ)給量一般小于5m3/h。

3 邊坡穩(wěn)定生分析與評(píng)估

3.1 計(jì)算參數(shù)取值

主要根據(jù)本工程詳勘報(bào)告建議值，結(jié)合針對(duì)本場(chǎng)地內(nèi)已開挖形成的部份坡面進(jìn)行的反分析成果而得；土的容重則取自勘察報(bào)告附表《土層分層物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表》參數(shù)的統(tǒng)計(jì)平均值。據(jù)此，結(jié)合本地區(qū)同類場(chǎng)地的工程經(jīng)驗(yàn)，本次支護(hù)設(shè)計(jì)采用的場(chǎng)地內(nèi)各主要土層的主要參數(shù)詳見表1。

表1 主要土層物理力學(xué)指標(biāo)

3.2 無(wú)錨固時(shí)的邊坡穩(wěn)定性

3.2.1 有限元法

根據(jù)目前巖土工程行業(yè)數(shù)值計(jì)算技術(shù)的發(fā)展已開始進(jìn)入實(shí)用階段的程度，作者對(duì)此工程采用數(shù)值計(jì)算技術(shù)進(jìn)行仿真模擬計(jì)算。以下將按該場(chǎng)地地基巖土參數(shù)建議值，采用二維有限元對(duì)一個(gè)二維的、簡(jiǎn)化的強(qiáng)膨脹土邊坡模型進(jìn)行簡(jiǎn)要分析計(jì)算。

對(duì)于強(qiáng)膨脹土邊坡，由于目前工程領(lǐng)域上尚無(wú)公認(rèn)的簡(jiǎn)單而可靠的數(shù)值模擬計(jì)算方法。從工程實(shí)用角度出發(fā)，考慮有利于量化、簡(jiǎn)化處理，從粘性土的毛細(xì)水上升高度，參考國(guó)內(nèi)部份專家學(xué)者的研究成果[1-5]，筆者嘗試采用如下簡(jiǎn)化處理：

（1）從邊坡面起2m深度范圍內(nèi)為脹縮的作用范圍，2m深度以下脹縮作用微小，因此在邊坡面起2m處設(shè)置一個(gè)50～100mm厚度的中間層，中間層的外側(cè)、內(nèi)側(cè)分別受膨脹力的作用和反作用力。膨脹力大小為50kN。

（2）考慮基坑西鄰工廠長(zhǎng)期排出的大量生產(chǎn)棄水和長(zhǎng)時(shí)間強(qiáng)降水、土體本身具有的脹縮裂隙等因素，邊坡按最不利的飽水工況進(jìn)行計(jì)算。

有限元軟件采用Rocscience Phase2，對(duì)于無(wú)錨固時(shí)的邊坡穩(wěn)定性，建立模型計(jì)算成果如圖1所示，計(jì)算成果如圖2所示。

圖1 膨脹土邊坡的有限元計(jì)算模型（飽水工況）

圖2 無(wú)錨固時(shí)的膨脹土邊坡位移云圖（飽水工況）

如果不對(duì)邊坡進(jìn)行支護(hù)，從簡(jiǎn)化模型的有限元計(jì)算成果可見，強(qiáng)膨脹土邊坡在膨脹區(qū)內(nèi)產(chǎn)生明顯的位移，并且上部位移較小，下部位移較大，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)0.58，即該邊坡發(fā)生了滑塌現(xiàn)象。這一判斷與實(shí)際情況是符合的。并且在實(shí)際施工低預(yù)應(yīng)力土釘墻時(shí)，發(fā)現(xiàn)邊坡面以下1.5～2.0m內(nèi)土質(zhì)是松散、軟弱的；2m以下的土質(zhì)硬實(shí)，基本上屬原生土，判斷未發(fā)生明顯的膨脹變形。

3.2.2 極限平衡法

作為對(duì)比，同樣地采用以上建立的膨脹土邊坡模型，采用Rocscience Slide對(duì)于無(wú)錨固時(shí)的邊坡穩(wěn)定性做極限平衡法計(jì)算，建立模型計(jì)算成果如圖3所示。

各種計(jì)算方法的安全系數(shù)：

Bishop simplified：1.442；

GLE/Morgenstern-Price：1.566；

Janbu simplified：1.382；

Spencer：1.604。

從以上的極限平衡法計(jì)算成果可見，各種方法計(jì)算所得的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)1.38～1.60，均大于1.20，其結(jié)果均表明該膨脹土邊坡是穩(wěn)定的，但這一判斷與實(shí)際情況不符合，說(shuō)明極限平衡法未經(jīng)適當(dāng)處理則不適用于膨脹土邊坡的穩(wěn)定性計(jì)算的。

圖3 極限平衡法計(jì)算膨脹土邊坡最小安全系數(shù)的50個(gè)滑動(dòng)面（飽水工況，無(wú)錨固）

3.3 錨固后的邊坡穩(wěn)定性

有限元法。對(duì)膨脹土邊坡采用4排低預(yù)應(yīng)力土釘進(jìn)行錨固之后，坡面采用100mm厚度的鋼筋噴砼保護(hù)，按以上建立的膨脹土邊坡模型，采用有限元法對(duì)此做計(jì)算，計(jì)算模型如圖4、圖5所示。

如果對(duì)邊坡進(jìn)行噴錨支護(hù)，從簡(jiǎn)化模型的有限元計(jì)算成果可見，（膨脹力50kN）強(qiáng)膨脹土邊坡在飽水的最不利工況下，膨脹區(qū)內(nèi)也無(wú)明顯的膨脹變形，最大位移16.5mm，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)1.16，表明該邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，不大可能發(fā)生滑塌現(xiàn)象。這一判斷與實(shí)際情況是符合的，說(shuō)明只要采用適當(dāng)?shù)挠?jì)算模型，有限元法處理適用于膨脹土邊坡的穩(wěn)定性分析計(jì)算。

4 錨固后的邊坡穩(wěn)定性

對(duì)上述的膨脹土邊坡原型，經(jīng)采用有限元法和極限平衡法做對(duì)比分析，參考工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)邊坡采取了施加低預(yù)應(yīng)力的土釘墻進(jìn)行噴錨支護(hù)。由于土體脹縮變形產(chǎn)生裂隙、雨季長(zhǎng)時(shí)間強(qiáng)降水、基坑西鄰工廠長(zhǎng)期排出的大量生產(chǎn)棄水等因素的綜合影響，邊坡原已產(chǎn)生滑塌，近邊坡底部的土質(zhì)呈流泥狀，開挖時(shí)打入若干松木樁方使得坡面成型。在實(shí)施此噴錨支護(hù)措施之后，邊坡坡面的水平位移及地表沉降總體較小，坡面基本上沒有明顯裂紋，坡頂未見拉張裂縫，膨脹土邊坡不再發(fā)生滑塌，工程得以順利進(jìn)行，該基坑支護(hù)使用年限超過(guò)2年后才回填肥槽。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)一個(gè)已發(fā)生淺層滑塌的膨脹土基坑采用有限元法和極限平衡法做對(duì)比分析，邊坡采取了施加低預(yù)應(yīng)力的土釘墻進(jìn)行噴錨支護(hù)。有限元法的計(jì)算成果以及實(shí)際施工的結(jié)果表明經(jīng)噴錨支護(hù)的膨脹土邊坡處穩(wěn)定狀態(tài)。這一工程實(shí)例表明只要采用適當(dāng)?shù)挠?jì)算模型，有限元法可充分考慮邊坡、地基等領(lǐng)域膨脹土的膨脹力影響，可適用于膨脹土邊坡的穩(wěn)定性分析計(jì)算，成果準(zhǔn)確可靠，今后可擴(kuò)大其在膨脹土的邊坡加固、地基處理等巖土工程領(lǐng)域的應(yīng)用。

由于實(shí)際工作環(huán)境的復(fù)雜性，有限元法在各種復(fù)雜水文地質(zhì)與工程地質(zhì)情況下膨脹土邊坡的適用性等，將是今后要加強(qiáng)研究和探討的問(wèn)題。

圖4 有錨固后的膨脹土邊坡模型（飽水工況）

圖5 錨固后的膨脹土邊坡位移云圖（飽水工況）

[1]殷宗澤,袁俊平,韋杰,等.論裂隙對(duì)膨脹土邊坡穩(wěn)定的影響[J].巖土工程學(xué)報(bào),2012,34(12):2155-2161.

[2]周清.紅粘土工程特性及降雨入滲后的邊坡穩(wěn)定性研究[D].河海大學(xué),2008.

[3]盧玉南,廣西新近系和古近系泥巖工程地質(zhì)特征[J].廣西城鎮(zhèn)建設(shè),2014(11):139-143.

[4]張信貴,黃紹鏗,易念平.南寧第三系湖相沉積泥巖特性試驗(yàn)研究[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,1999,24(2):93-95.

[5]陳尤.考慮裂隙影響的膨脹土路塹邊坡穩(wěn)定性及支護(hù)數(shù)值分析[D].長(zhǎng)沙理工大學(xué),2012.