程曉偉 吳紅剛 李玉瑞

（1.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，蘭州 730030；2.中鐵科學(xué)研究院有限公司，成都 610032；3.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，蘭州 730070）

邊坡穩(wěn)定性是指邊坡巖、土體在一定坡高和坡角條件下的穩(wěn)定程度，是基坑工程的核心。

一些學(xué)者從支護(hù)結(jié)構(gòu)方面研究了基坑邊坡的穩(wěn)定性。王鵬等[1]基于深基坑微型樁支護(hù)模型試驗(yàn)，研究了深基坑開挖過程與基坑周邊堆載時(shí)支擋體系和基坑邊坡的力學(xué)響應(yīng)特征及破壞規(guī)律。蔣洪勝等[2]根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)探討了復(fù)合土釘、灌注樁-錨桿等支護(hù)形式與基坑邊坡位移的相關(guān)性。王洪德等[3]以大連地鐵一號(hào)線某車站出入口基坑工程為研究對(duì)象，利用FLAC 3D仿真技術(shù)模擬邊坡無支護(hù)開挖與土釘支護(hù)開挖過程，發(fā)現(xiàn)深基坑開挖過程中土釘支護(hù)能有效地限制原始應(yīng)力平衡遭到破壞后土體各部分的塑性變形、地表沉降及土體位移，從而確保基坑穩(wěn)定。楊玉堂[4]研究了不同基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)下膨脹土基坑邊坡的變形響應(yīng)。

造成基坑邊坡失穩(wěn)的原因很多，一些學(xué)者從降雨、滲流、超載等方面進(jìn)行了研究。梁樹等[5]綜合模型試驗(yàn)、現(xiàn)場試驗(yàn)和數(shù)值模擬的結(jié)果，得到成都黏土基坑邊坡降雨入滲規(guī)律和入滲深度的經(jīng)驗(yàn)公式。盛建龍等[6]介紹了巖土體中滲流場與應(yīng)力場的耦合作用機(jī)理，采用FLAC 3D軟件建立計(jì)算模型，對(duì)比分析了滲流-應(yīng)力耦合與不耦合2種工況下邊坡的穩(wěn)定性。呂兆慶[7]研究了地面超載對(duì)基坑邊坡的穩(wěn)定性影響。黃春娥等[8]總結(jié)了目前基坑邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算中常用的幾種考慮滲流力的方法，在深入探討地下水滲流對(duì)基坑邊坡穩(wěn)定作用機(jī)理的基礎(chǔ)上提出了有限元法與條分法相結(jié)合的新方法。

既有研究較少涉及動(dòng)力作用下的基坑邊坡響應(yīng)。本文結(jié)合實(shí)際工程，分析基坑邊坡在動(dòng)力作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律，以期對(duì)相關(guān)工程建設(shè)提供指導(dǎo)。

1 工程概況

蘭州市某商住樓工程基坑邊坡為人工開挖，最大開挖深度為7.5 m，坡度約80°，采用一坡到頂?shù)姆绞?。開挖后，基坑邊坡局部發(fā)生滑塌，滑塌區(qū)長約6 m?；鷧^(qū)南側(cè)為商品混凝土等重型車輛的通行主干道。現(xiàn)場平面如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場平面示意

1.1 地形地貌

該工程所在區(qū)域總體單元地貌為黃土梁峁溝壑區(qū)中低山地貌，現(xiàn)場為挖山填溝整平場地。地勢東高西低，自東向西為緩坡，高程1 725.68～1 741.34 m。根據(jù)現(xiàn)場鉆探結(jié)果，砂巖層面起伏較大，場地內(nèi)存在1條較大原始沖溝，位于場地北側(cè)，東西走向。填方區(qū)主要位于沖溝處，填方最大厚度為20.70 m。

1.2 地質(zhì)條件

該場地位于北西西向馬銜山—興隆山—通渭斷裂帶和北北西向莊浪河斷裂帶的交匯部位。2個(gè)斷裂帶派生的次一級(jí)斷裂金城關(guān)斷裂距場地南側(cè)約2.8 km，為非發(fā)震斷裂，對(duì)該場地沒有影響。場地內(nèi)未見區(qū)域性規(guī)模巨大的斷裂。

基坑邊坡為黃土狀粉土層（Q4al+pl），褐黃色，土質(zhì)較均勻，孔隙、蟲孔較發(fā)育，含白色鈣質(zhì)條紋，可見少量垂直裂隙，裂隙寬1 mm，局部含有少量粉砂。黃土狀粉土層孔隙率0.902～1.370，含水率3.9%～18.4%，呈稍濕狀態(tài)。濕陷等級(jí)為Ⅳ級(jí)（很嚴(yán)重）。

1.3 氣象及水文條件

該場地位于甘肅省中部，大陸性氣候顯著，四季分明，冬季寒冷且長，夏季炎熱期短。年平均氣溫8.9℃，極端最高氣溫39.8℃，極端最低氣溫-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。年平均蒸發(fā)量1 664 mm。地表有季節(jié)性凍土，標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度1.14 m。

該場地地下水埋藏較深，勘察深度內(nèi)未見地下水，但基巖裂隙較發(fā)育，且無規(guī)律。大氣降水從地表下滲后有可能在強(qiáng)風(fēng)化基巖裂隙中聚集形成裂隙水。

2 邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)及監(jiān)測方案

綜合考慮周邊環(huán)境、施工荷載等因素，設(shè)計(jì)了基坑邊坡支護(hù)及監(jiān)測方案，如圖2所示。

沿基坑上口設(shè)置3排空心鋼管樁，距坡肩分別為1，2，3 m，樁間距為1.5 m，成梅花形布置。空心鋼管樁長為20 m，樁徑為108 mm，樁壁厚度為6 mm，內(nèi)注水泥砂漿。在邊坡正立面上以與水平成10°夾角設(shè)置土釘。土釘采用?25螺紋鋼筋，水平向和豎直向間距均為1 m，成梅花形布置?；鷧^(qū)土釘長6 m，其他區(qū)域土釘長3 m。

滑塌區(qū)支護(hù)施工完成后，在邊坡上自上而下布設(shè)1#—5#共5個(gè)加速度測點(diǎn)，到坑底的垂向距離分別為7.0，6.5，6.0，5.5，5.0 m。為進(jìn)行對(duì)比研究，在尚未進(jìn)行支護(hù)的邊坡上布設(shè)6#—10#測點(diǎn)，水平位置依次對(duì)應(yīng) 1#—5#測點(diǎn)。

圖2 邊坡支護(hù)及監(jiān)測方案（單位：m）

采用泰斯特電子TST1000壓電式加速度傳感器對(duì)坡體表面進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)監(jiān)測，其最大橫向靈敏度為5%，最大量程為5g，共3個(gè)量程（5g，0.5g，0.05g）。利用TST3827E動(dòng)靜態(tài)信號(hào)測試軟件進(jìn)行加速度數(shù)據(jù)采集。該軟件是基于VC++開發(fā)平臺(tái)的動(dòng)靜態(tài)信號(hào)處理軟件，包含實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)顯示、實(shí)時(shí)分析、實(shí)時(shí)保存等模塊，且具有功能強(qiáng)大的參數(shù)管理模塊。用戶只需輸入設(shè)置參數(shù)值，所有計(jì)算都由軟件自動(dòng)完成，可直接輸出以g為單位的加速度數(shù)據(jù)。

3 監(jiān)測結(jié)果分析

為避免對(duì)邊坡的過度擾動(dòng)，選取自重2 t的輕型車輛作為試驗(yàn)荷載，研究荷載位置（車輛到坡肩的距離）及車速對(duì)邊坡動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響。

3.1 荷載位置對(duì)邊坡動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響

車輛從基坑邊坡附近駛過時(shí)，以距離邊坡較近的一側(cè)的輪胎位置為荷載位置，如圖3所示，S為荷載位置到坡肩的距離。支護(hù)區(qū)取S=2.0，2.5，3.0，3.5 m，無支護(hù)區(qū)取S=3.0，3.5，4.0，4.5 m。測試時(shí)車輛行駛速度v=30 km/h。

圖3 荷載位置到披肩的距離示意

車輛沿與路肩距離不同的路線通過時(shí)，各測點(diǎn)測得的加速度峰值隨荷載位置到坡肩距離的變化曲線見圖4。由于設(shè)備故障，2#，6#測點(diǎn)數(shù)據(jù)無效。

圖4 加速度峰值隨S的變化曲線

由圖4可知：

1）對(duì)于支護(hù)區(qū)和無支護(hù)區(qū)，加速度峰值均隨S的增大而減小。其中，在支護(hù)區(qū)，S從2.0 m增至3.0 m時(shí)，加速度峰值快速下降；S從3.0 m增至3.5 m時(shí)，加速度峰值變化較平緩?？梢?，邊坡的動(dòng)態(tài)響應(yīng)存在敏感區(qū)，在敏感區(qū)內(nèi)荷載位置對(duì)邊坡動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響較強(qiáng)，在敏感區(qū)外較弱。因此，行車道應(yīng)保持在敏感區(qū)外，以保證邊坡的穩(wěn)定性和行車安全。支護(hù)區(qū)的敏感區(qū)范圍約為3 m，而無支護(hù)約為4 m。因此，對(duì)于無支護(hù)的土質(zhì)邊坡，應(yīng)加大行車道邊緣線到坡肩的距離。

2）與支護(hù)區(qū)相比，無支護(hù)區(qū)各測點(diǎn)加速度峰值均相應(yīng)地有所減小?？梢姡ёo(hù)結(jié)構(gòu)的存在提高了邊坡的整體剛度，有利于坡體動(dòng)態(tài)響應(yīng)的傳遞。

3）對(duì)于支護(hù)區(qū)和無支護(hù)區(qū)，位置越高的測點(diǎn)測得的加速度峰值越大，在無支護(hù)區(qū)尤為明顯?？梢?，邊坡高度對(duì)加速度有放大效應(yīng)，邊坡越高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)越劇烈，邊坡穩(wěn)定性越差。支護(hù)結(jié)構(gòu)可以在一定程度上抑制這種放大作用，提高邊坡穩(wěn)定性。

3.2 車速對(duì)邊坡動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響

以無支護(hù)區(qū)邊坡為研究對(duì)象，測試車速對(duì)邊坡動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響。設(shè)置工況1—工況4共4種工況，依次為車速v=10，20，30 km/h和由30 km/h緊急制動(dòng)。每種工況下，車輛以前進(jìn)、后退2種狀態(tài)通過測點(diǎn)，取2次測得的平均值作為該工況下的加速度峰值，見圖5。測試時(shí)S=3 m。

圖5 不同車速工況下加速度峰值曲線

由圖5可知：對(duì)于工況1—工況3，加速度峰值隨車速的提高而增大，車速對(duì)邊坡的動(dòng)態(tài)響應(yīng)有顯著影響；邊坡高度對(duì)加速度峰值有放大效應(yīng)；車輛緊急制動(dòng)時(shí)加速度峰值顯著增大。

因此，車輛通過較高邊坡時(shí)應(yīng)保持低速慢行，避免緊急制動(dòng)對(duì)坡體產(chǎn)生較大的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，影響邊坡穩(wěn)定性，危及車輛行駛安全。

4 結(jié)論

1）加速度峰值隨荷載位置到坡肩距離增大而減小。邊坡的動(dòng)態(tài)響應(yīng)存在敏感區(qū)，敏感區(qū)內(nèi)荷載位置到坡肩的距離對(duì)邊坡動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響較大，且無支護(hù)邊坡敏感區(qū)范圍大于有支護(hù)邊坡。行車道應(yīng)保持在邊坡動(dòng)態(tài)響應(yīng)敏感區(qū)之外。

2）支護(hù)區(qū)測得的動(dòng)態(tài)響應(yīng)明顯大于無支護(hù)區(qū)，支護(hù)結(jié)構(gòu)的存在提高了邊坡的整體剛度，有利于坡體動(dòng)態(tài)響應(yīng)的傳遞。

3）邊坡高度對(duì)加速度峰值有放大效應(yīng)。邊坡越高，穩(wěn)定性越差。支護(hù)結(jié)構(gòu)的存在可在一定程度上減小這一影響。

4）加速度峰值隨車速的提高而增大。車輛緊急制動(dòng)對(duì)邊坡的動(dòng)態(tài)響應(yīng)影響較大。因此，應(yīng)對(duì)較高邊坡周邊道路進(jìn)行限速，確保車輛低速慢行。

5）加速度傳感器在邊坡動(dòng)態(tài)響應(yīng)監(jiān)測過程中表現(xiàn)出良好的適用性，可用于對(duì)黃土邊坡的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和突發(fā)特征進(jìn)行預(yù)警監(jiān)測。