宋加興 張偉 孟憲偉 劉毅

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2312-5042-2881

作者簡介：

宋加興（1993—），男，本科，工程師，研究方向?yàn)橥聊竟こ獭?/p>

張偉（1974—），男，本科，工程師，研究方向?yàn)橥聊竟こ獭?/p>

孟憲偉（1980—），男，本科，高級工程師，研究方向?yàn)橥恋毓芾怼?/p>

摘 ?要：施工坡道是施工單位為保證基坑工程順利實(shí)施采取的施工措施，一般根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)設(shè)置，施工期間坡道及周邊支護(hù)未施工部位的土體是否穩(wěn)定，并不在設(shè)計(jì)考慮范圍內(nèi)，依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)設(shè)置的施工坡道有時(shí)并不能滿足規(guī)范要求，但卻能夠滿足施工期間使用要求?；谀辰ㄖ訉?shí)例嘗試采用ANSYS有限元軟件對施工單位根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置的施工坡道進(jìn)行分析驗(yàn)證，希望能夠?yàn)槭┕て碌赖脑O(shè)置提供一種理論支持。

關(guān)鍵詞：基坑工程 ??施工坡道 ??邊坡穩(wěn)定性 ??強(qiáng)度折減法

中圖分類號：TU43

建筑基坑在施工時(shí)為了便于土方作業(yè)往往需要設(shè)置施工坡道，無法按照設(shè)計(jì)要求做到整體分層開挖。坡道按留置位置可以分為邊側(cè)留置和中部留置兩種情形。對于寬度較小的基坑，由于坡道兩側(cè)均靠近支護(hù)結(jié)構(gòu)，故無須考慮坡道橫向穩(wěn)定問題，僅僅按照規(guī)范要求沿縱向留置好坡度即可。但對于面積較大的深基坑，施工坡道往往會留置在基坑中部或邊側(cè)，特別是坡道設(shè)置在基坑邊側(cè)時(shí)，坡道土體范圍內(nèi)支護(hù)結(jié)構(gòu)尚未施工，依靠預(yù)留坡道的土體是否能夠滿足邊坡穩(wěn)定及坡道施工荷載要求，目前主要由現(xiàn)場技術(shù)人員通過經(jīng)驗(yàn)判斷，無法從計(jì)算上給出準(zhǔn)確結(jié)論。此外，有時(shí)施工坡道設(shè)置并不能滿足規(guī)范要求，但直至項(xiàng)目完工依然保持平穩(wěn)運(yùn)行，這需要一線技術(shù)人員對其進(jìn)行總結(jié)分析。

筆者查閱大量資料未發(fā)現(xiàn)對施工坡道進(jìn)行穩(wěn)定分析的相關(guān)案例及文獻(xiàn)資料。由于施工坡道屬于三維邊坡穩(wěn)定問題，通過查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)在某些大型水利工程中有使用ANSYS有限元軟件進(jìn)行三維穩(wěn)定分析的相關(guān)實(shí)踐案例，且與二維分析相比，三維邊坡穩(wěn)定分析得到的結(jié)果更加符合工程實(shí)際[1]，筆者嘗試將該方法應(yīng)用于建筑基坑施工坡道及周邊土體的穩(wěn)定性，同時(shí)為施工單位的工程經(jīng)驗(yàn)提供計(jì)算依據(jù)。

1 工程概況

本文案例為青島某建筑基坑工程，基坑設(shè)計(jì)南北向長約159 m，東西向?qū)捈s80 m，開挖深度2.12～14.44 m，基坑北側(cè)設(shè)計(jì)采用放坡+土釘墻支護(hù)形式，西側(cè)支護(hù)設(shè)計(jì)采用鋼管樁+預(yù)應(yīng)力錨桿肋梁支護(hù)形式。工程分兩期建設(shè)，施工單位根據(jù)前期施工組織設(shè)計(jì)將坡道設(shè)置在建筑基坑西北角，受施工進(jìn)度及其他因素影響西側(cè)二期支護(hù)結(jié)構(gòu)未施工且均位于坡道范圍內(nèi)?，F(xiàn)場坡道總長約70 m，高約14 m，坡道頂面寬度6 m，坡頂處緊鄰基坑支護(hù)一側(cè)，為不影響主體結(jié)構(gòu)施工，施工坡道臨近基坑一側(cè)坡率為1∶0.11，坡底距離西側(cè)支護(hù)約13.5 m。坡道設(shè)置情況如圖1所示，圖中32、33點(diǎn)為支護(hù)結(jié)構(gòu)已施工區(qū)域和未施工區(qū)域的分界點(diǎn)。

2?地質(zhì)情況

根據(jù)項(xiàng)目巖土工程勘察報(bào)告并結(jié)合現(xiàn)場土石方開挖情況，坡道附近巖層分布情況如下。

2.1 ?②-Ⅰ強(qiáng)風(fēng)化花崗巖上亞帶（γ53）

黃褐色～褐色，中粗?；◢徑Y(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，結(jié)構(gòu)大部分破壞，礦物成分顯著變化，風(fēng)化裂隙很發(fā)育。巖石堅(jiān)硬程度等級為極軟巖，巖體完整程度為極破碎，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ級，巖層層厚6.80～9.10 m。

2.2 ?②-Ⅲ強(qiáng)風(fēng)化花崗巖下亞帶（γ53）

黃褐色～灰褐色～淺肉紅色，中粗?；◢徑Y(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，結(jié)構(gòu)大部分破壞，礦物成分顯著變化，風(fēng)化裂隙很發(fā)育。巖石堅(jiān)硬程度等級為軟巖，巖體完整程度為極破碎，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ級，巖層層厚3.40～3.60 m。

2.3 ?③中風(fēng)化花崗巖（γ53）

黃褐色～灰褐色～淺肉紅色，中粗?；◢徑Y(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，結(jié)構(gòu)部分破壞，沿節(jié)理面有次生礦物，風(fēng)化裂隙發(fā)育，巖石堅(jiān)硬程度等級為較軟巖～較硬巖，巖體完整程度為較破碎，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅳ級。

根據(jù)項(xiàng)目巖土工程勘察報(bào)告及工程地質(zhì)手冊，各巖層物理力學(xué)參數(shù)取值見表1[2]。

3?坡率法分析坡道穩(wěn)定性

根據(jù)勘察報(bào)告查找《工程地質(zhì)手冊》，坡道處邊坡巖體類型為Ⅲ類～Ⅳ類，查表得巖質(zhì)邊坡坡率允許值范圍為1∶0.50～1∶1.00[2]；根據(jù)《建筑邊坡技術(shù)規(guī)程》（GB50330—2013），邊坡巖體類型為Ⅲ類～Ⅳ類的巖質(zhì)邊坡，邊坡高度在8～15 m范圍時(shí)，邊坡坡率允許值范圍為1∶0.75～1∶1.00[3]。施工坡道西側(cè)上部邊坡土體坡率為1∶1.04～1∶1.35滿足規(guī)范要求，而施工坡道根部處邊坡高度為14 m，寬度為1.5 m，換算坡率為1∶0.11，遠(yuǎn)高于規(guī)范允許值，據(jù)此應(yīng)判定施工坡道橫向坡率不滿足規(guī)范要求。但根據(jù)施工單位以往工程經(jīng)驗(yàn)，該施工坡道地質(zhì)情況良好滿足施工期間使用要求，施工期間不會發(fā)生失穩(wěn)破壞。最終，直至項(xiàng)目完工施工坡道一直運(yùn)轉(zhuǎn)良好未發(fā)生失穩(wěn)破壞問題。

4?有限元法分析施工坡道穩(wěn)定性

為驗(yàn)證案例中施工坡道及周邊土體的穩(wěn)定性并確定其安全系數(shù)及可能發(fā)生失穩(wěn)的部位，本文采用ANSYS有限元軟件進(jìn)行分析。ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，在土木工程、機(jī)械制造、國防軍工等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，在土木工程領(lǐng)域，工程師經(jīng)常利用其強(qiáng)大的模擬分析能力解決工程難題。

施工坡道的穩(wěn)定性可轉(zhuǎn)化為邊坡穩(wěn)定性問題進(jìn)行分析，在土木工程領(lǐng)域邊坡穩(wěn)定分析主要采用有限元強(qiáng)度折減法。有限元強(qiáng)度折減法不僅可以簡單、準(zhǔn)確地確定邊坡的安全系數(shù)，還能自動尋找邊坡潛在的破壞位置，已經(jīng)在巖土工程中大量應(yīng)用。有限元強(qiáng)度折減法的基本原理是將土體材料的強(qiáng)度參數(shù)黏聚力和內(nèi)摩擦角同時(shí)除以一個折減系數(shù)，得到一組新值，作為一組新的參數(shù)輸入再進(jìn)行試算，當(dāng)計(jì)算不收斂時(shí)取前一次的折減系數(shù)即為坡體的最小穩(wěn)定安全系數(shù)，此時(shí)坡體達(dá)到極限平衡狀態(tài)，發(fā)生剪切破壞[4]。本文也將利用ANSYS有限元分析軟件采用強(qiáng)度折減法進(jìn)行施工坡道三維穩(wěn)定性分析。

4.1?有限元模型建立

巖土材料在自然界中較為復(fù)雜，巖層中存在許多節(jié)理裂隙，受到多種因素影響，在進(jìn)行數(shù)值分析時(shí)為了能夠方便計(jì)算，做出以下假設(shè)：（1）同一巖層材料為均勻介質(zhì)，不考慮內(nèi)部材料各向異性；（2）基坑內(nèi)巖層為理想彈塑性材料；（3）不考慮溫度、地震力、滲流場、地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力等問題；（4）不考慮巖層開挖后隨時(shí)間進(jìn)一步風(fēng)化問題；（5）已按設(shè)計(jì)施工的支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠保證其設(shè)計(jì)部位的安全，不考慮其與施工坡道之間的相互影響。

為有效模擬施工坡道與周邊巖土的穩(wěn)定情況，截取坡道周邊1～2倍基坑深度范圍的巖土體建立有限元三維模型，施工坡道根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行1∶1建立模型。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)坡道縱向坡率較小，坡道根部在該方向不會發(fā)生失穩(wěn)破壞，為提高軟件運(yùn)行效率，建模時(shí)不考慮北側(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)及以外土體；已完成支護(hù)部分建模時(shí)對其施加水平方向約束。

根據(jù)項(xiàng)目巖土工程勘察報(bào)告將場地下方不同巖層做分層處理，分層時(shí)忽略巖層分界面起伏變化，根據(jù)施工坡道附近地質(zhì)剖面圖中巖層傾向及層厚變化將巖層分界面簡化為斜平面。由于施工坡道為不規(guī)則平面，模型建立后采用SOLID95固體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，SOLID95是比3-D，8節(jié)點(diǎn)固體單元SOLID45更高級的單元，它能夠吸收不規(guī)則形狀的單元而精度不發(fā)生損失；同時(shí)，SOLID95單元有可并立的位移形狀并且對于曲線邊界的模型有很好的適應(yīng)性。由于模型尺寸較大，為提高軟件運(yùn)行效率，網(wǎng)格劃分寬度取1.5 m。有限元實(shí)體模型共劃分190?908個單元，建立271?049個節(jié)點(diǎn)，模型分析采用D-P本構(gòu)模型[5]。施工坡道及周邊巖土體建模情況如圖所示，圖中不同顏色代表不同的地質(zhì)分層。

4.2 模型加載求解

對施工坡道模型各邊界及已施工的支護(hù)結(jié)構(gòu)施加三向約束，模型中巖土體整體施加豎向自重荷載。由于施工期間施工坡道主要承擔(dān)渣土外運(yùn)及鋼筋等材料運(yùn)輸作業(yè)任務(wù)，綜合考慮取施工荷載為56 t，加載面積取3 m×10.5 m；施工車輛在邊坡上運(yùn)行時(shí)應(yīng)與施工坡道臨空面保持足夠的安全距離，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行時(shí)車道軌跡以及加載要求，施工荷載與施工坡道臨空面邊線距離取1.5?m，施工荷載按均布荷載均勻施加在荷載作用面范圍內(nèi)坡道中部的各個節(jié)點(diǎn)，方向豎直向下。在ANSYS中通過設(shè)置載荷步模擬施工車輛行駛在坡道不同位置時(shí)的工況，由于軟件分析中荷載需要通過單元體節(jié)點(diǎn)施工給結(jié)構(gòu)模型，因此定義車輛每移動1個網(wǎng)格寬度即1.5m作為一個工況進(jìn)行分析，分別計(jì)算車輛從施工坡道底部運(yùn)動至頂部各工況下施工坡道及周邊巖土體的穩(wěn)定性。依次對折減系數(shù)F=1、F=1.1……時(shí)各巖層的黏聚力和內(nèi)摩擦角進(jìn)行折減，然后重新加載分析直至計(jì)算結(jié)果不再收斂。

4.3 模型計(jì)算結(jié)果及分析

經(jīng)過軟件不斷迭代分析，當(dāng)F=3.7時(shí)計(jì)算結(jié)果不再收斂，計(jì)算結(jié)果如圖3～圖6所示：

根據(jù)軟件分析結(jié)果，施工坡道及周邊土體的安全系數(shù)為3.6。根據(jù)圖3“F=1時(shí)塑性應(yīng)變矢量圖”可知，當(dāng)安全系數(shù)F=1即正常使用情況下，施工坡道周圍巖層均為彈性變形，未發(fā)生塑性變形；說明施工期間，施工坡道及周邊巖土體將保持穩(wěn)定滿足使用要求，符合技術(shù)人員經(jīng)驗(yàn)判斷。當(dāng)安全系數(shù)F=3.6時(shí)，邊坡處于極限平衡狀態(tài)，塑性變形最大部位位于西側(cè)已施工支護(hù)結(jié)構(gòu)和未施工支護(hù)結(jié)構(gòu)的分界線附近，該處沿坡道橫向最大變形為34.6 mm，沿坡道縱向最大變形為4.8 mm，失穩(wěn)主要沿施工坡道橫斷面方向進(jìn)行。當(dāng)F＞3.6時(shí)，施工坡道及周邊巖土體將發(fā)生失穩(wěn)破壞[6]。

根據(jù)坡率法分析結(jié)果，施工坡道最危險(xiǎn)處應(yīng)位于坡道根部靠近基坑一側(cè)部位，該處邊坡坡度及高度均較大，根據(jù)現(xiàn)場施工技術(shù)人員經(jīng)驗(yàn)判斷，該處也應(yīng)是最危險(xiǎn)部位。但根據(jù)模型計(jì)算分析結(jié)果，施工坡道及周邊巖土體施工期間最危險(xiǎn)部位位于東側(cè)已施工支護(hù)結(jié)構(gòu)區(qū)域和未施工支護(hù)結(jié)構(gòu)區(qū)域的交界處，該處巖土體有繞過支護(hù)結(jié)構(gòu)向外滑動的趨勢?？梢?，僅靠技術(shù)人員的施工經(jīng)驗(yàn)不能對施工坡道及周邊巖土體的穩(wěn)定性做出最準(zhǔn)確的判斷。根據(jù)建模分析情況，危險(xiǎn)點(diǎn)位于該處的原因主要有三點(diǎn)，具體敘述如下。

一方面，場地內(nèi)施工坡道周邊上部強(qiáng)風(fēng)化巖層與下部中風(fēng)化巖層分界面由北向南傾斜，致使軟件分析危險(xiǎn)點(diǎn)處與北側(cè)坡道根部處相比地質(zhì)情況相對較差的強(qiáng)風(fēng)化巖層厚度較大。另一方面，軟件分析危險(xiǎn)點(diǎn)處位于支護(hù)結(jié)構(gòu)已施工與未施工交界處，結(jié)構(gòu)存在突變，該處支護(hù)結(jié)構(gòu)背后巖土體坡度垂直，主動土壓力相對較大，突變處巖土體強(qiáng)度及剛度較支護(hù)結(jié)構(gòu)均較低，對巖土體滑動限制能力有限，因此危險(xiǎn)點(diǎn)處巖土體有繞過支護(hù)結(jié)構(gòu)向外滑動的趨勢。此外，北側(cè)坡道根部處由于有沿施工坡道方向上巖土體的制約作用，滑動主要沿坡道橫斷面方向進(jìn)行；而軟件分析危險(xiǎn)點(diǎn)處靠近基坑一側(cè)土體沿坡道橫向及縱向均為邊坡，該處巖土體較少對該處可能產(chǎn)生的滑坡制約作用較弱。

5 結(jié)語

施工坡道作為基坑工程的一種常用的施工措施，不在設(shè)計(jì)考慮范圍內(nèi)，由于它也是構(gòu)成工程安全必不可少的一環(huán)，而施工單位技術(shù)人員往往又不具備相應(yīng)的計(jì)算分析能力，對施工坡道可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)性不能做出最準(zhǔn)確的判斷，筆者認(rèn)為也應(yīng)引起足夠的重視，不能僅僅憑借施工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行論斷。本文基于某建筑基坑工程實(shí)例，首次利用ANSYS有限元軟件采用三維建模方式驗(yàn)證建筑基坑工程中施工坡道及周邊土體的穩(wěn)定性，通過分析計(jì)算得出施工坡道的安全系數(shù)及可能失穩(wěn)部位，希望能為現(xiàn)場技術(shù)人員提供一種分析施工坡道穩(wěn)定性的方法；同時(shí)也希望一線技術(shù)人員能夠利用有限元軟件等工具與傳統(tǒng)的施工經(jīng)驗(yàn)相互印證，在確保施工安全的同時(shí)，也為我國的工程建設(shè)積累寶貴的技術(shù)資料。

參考文獻(xiàn)：

[1] 杜九博，楊士瑞，吳先敏，等.基于三維精細(xì)模型的水利工程高邊坡穩(wěn)定分析[J].人民黃河，2019，41（9）：129-131，154.

[2] 工程地質(zhì)手冊編委會.工程地質(zhì)手冊[M].?5版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2018：185-186，1091-1092.

[3] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范：GB50330—2013[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2023.

[4] 聶高波.基于強(qiáng)度折減法的土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性研究[D].鄭州：河南大學(xué)，2021.

[5] CAD/CAM/CAE技術(shù)聯(lián)盟.ANSYS 19.0土木工程有限元分析入門與提高[M].北京：清華大學(xué)出版社，2020.

[6] 多仁杰.巖質(zhì)邊坡有限元強(qiáng)度折減法的應(yīng)用研究[J].山西建筑，2022，48（21）：96-99.