摘要：為消除地基土的濕陷性，綜合考慮安全性、經(jīng)濟性、施工工期要求以及對周邊環(huán)境的影響等多種因素，文章根據(jù)工程實際情況設(shè)計出地基處理的合理方法，并結(jié)合施工方案提出有效安全的邊坡支護方案。通過對挖填土方的過程進行計算，利用Flac3D軟件對邊坡穩(wěn)定性進行數(shù)值模擬，分析了邊坡的應(yīng)力、位移及破壞特征，進而揭示了邊坡的變形破壞機理，得出該方案的可靠性和可行性，驗證了邊坡支護方案的可實施性和安全性。

關(guān)鍵詞：地基處理;邊坡支護;邊坡穩(wěn)定性;Flac3D軟件;數(shù)值模擬

0 引言

工程場地處于土石丘陵區(qū)，場地地形起伏較大，西側(cè)、南側(cè)較高，東側(cè)、北側(cè)較低。由于場地中含有濕陷性黃土，濕陷性等級為一級，所以本工程需要通過計算選擇合適的地基處理的方法，從而提高地基承載力，減少地基沉降和滲透等問題，確保上部基礎(chǔ)和建筑結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。工程基礎(chǔ)開挖和回填土的施工過程中會出現(xiàn)邊坡穩(wěn)定性問題，本文通過工程實際工況和相關(guān)規(guī)范確定邊坡支護方案，并利用計算與Flac3D數(shù)值模擬來確定方案的可實施性，減少甚至杜絕因邊坡失穩(wěn)造成的影響施工進度和經(jīng)濟性等問題。

1 地基處理和支護方案的確定

1.1 工程地質(zhì)條件

場地上覆地層主要為第四系全新統(tǒng)人工填土層（Q4s）、第四系上更新統(tǒng)坡洪積層（Q3sl+pl和第四系中更新統(tǒng)洪積層（Q2pl，巖性主要為素填土、黃土狀粉土、黃土狀粉質(zhì)黏土。下伏基巖主要由古生界石炭系本溪組（Cb2）頁巖及鋁土礦和奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組（O2s灰?guī)r組成。根據(jù)現(xiàn)場鉆探揭露的巖芯及量測場區(qū)出露巖石，下伏基巖傾角較小，近水平狀。

根據(jù)現(xiàn)場鉆探成果及地層的地質(zhì)時代、成因類型、巖性及分布埋藏特征，場地地層由新到老描述如下：

（1）第四系全新統(tǒng)人工填土（Q4s）。素填土：黃褐色、灰褐色，稍濕、稍密。主要成分為粉質(zhì)黏土和碎石。層厚一般為1.00～9.20 m。該層在場區(qū)周邊分布較普遍。

（2）第四系上更新統(tǒng)坡洪積層（Q3sl+pl）。黃土狀粉土：黃褐色，稍濕，稍密。土質(zhì)均勻，大孔隙豎向節(jié)理，可見少量風(fēng)化巖屑。層厚一般為1.00～8.00 m。

（3）第四系中更新統(tǒng)洪積層（Q2pl）。黃土狀粉質(zhì)黏土：褐紅色、棕紅色，稍濕，硬塑，土質(zhì)均勻，含少量石灰碎塊。層厚一般為2.00～8.70 m。

（4）古生界石炭系中統(tǒng)本溪組（C2b）。頁巖和鋁土礦：灰褐色，強風(fēng)化，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，巖芯呈碎塊狀，易碎。層厚一般為6.35～17.80 m。產(chǎn)狀近水平向。

（5）奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組（O2s）。粉質(zhì)黏土：棕紅、黃色，硬塑。含石灰?guī)r碎塊，為溶洞填充物。該層在場區(qū)北側(cè)和東側(cè)拐角處揭露。層厚為0.40～10.60 m?；?guī)r：灰褐色，強風(fēng)化，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，巖芯呈碎塊狀。層厚一般為0.90～20.60 m。

場地地下水類型主要有松散巖類孔隙水和碳酸鹽巖類巖溶水。松散巖類孔隙水位于不易蓄水的黃土狀粉質(zhì)黏土中，碳酸鹽巖類巖溶水埋深在百米以下，對場地建設(shè)影響小。工程場地地震基本烈度為7度，廠址建筑場地均屬于建筑抗震一般地段。場地內(nèi)無飽和狀態(tài)的粉土或砂土地層分布，可不考慮地震液化對建（構(gòu)）筑物的影響。

1.2 地基處理

本工程場地平整標高為920 m，利用Htcad軟件采用方格網(wǎng)法進行土方量計算[1]，計算時將廠址分為6個小的區(qū)域，分別進行土方量的計算并匯總。區(qū)域分布圖見圖1，斷面圖見圖2。

土方量計算結(jié)果見表1。

該場地為非自重性濕陷性黃土，濕陷等級為一級（輕微），壓縮性較高，適合用強夯法進行地基處理。強夯法的加固效果顯著，可消除地基土的濕陷性，提高地基承載力，且具有施工方便、縮短工期、節(jié)省費用等優(yōu)點[2-3]。在采用強夯法進行地基處理的過程中，分層夯壓，每層厚度為4 m，夯實深度為6～7 m。地基土夯實后相對密度≥0.95，強夯擬夯3～5遍。

1.3 邊坡支護方案

挖方邊坡南側(cè)有高邊坡存在，西南角和西側(cè)局部緊鄰征地紅線，但邊坡高度≤6 m，可采取重力式擋墻進行支護。綜合考慮工程工期、施工難度和工程經(jīng)濟等因素，采用1∶1坡率進行削坡減載，每8 m一級，中間設(shè)2 m寬的馬道。西南角及西側(cè)中部局部區(qū)域離用地邊界較近，局部只有3 m寬，設(shè)垂直重力式擋土墻支護，墻頂寬0.5 m，墻底寬1.7 m，擋土墻高度為3～6 m，嵌入場地地面以下為1 m。

場地北側(cè)和東側(cè)均為填方邊坡，采用坡率為1∶1進行填方施工，每8 m一級，中間設(shè)2 m寬的馬道。填方邊坡加設(shè)有紡?fù)凉げ?，考慮自然邊坡和填方的結(jié)合緊密程度，對自然邊坡局部進行削坡形成臺階狀，同時也方便土工布的埋設(shè)。

2 邊坡穩(wěn)定性計算

2.1 邊坡穩(wěn)定判別依據(jù)

邊坡工程安全等級為二級，根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB50330-2013）中第5.2.3條規(guī)定[4]：邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)一般工況應(yīng)>1.3，地震工況應(yīng)>1.1。當(dāng)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)小于邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)時應(yīng)對邊坡進行處理。

2.2 邊坡剖面選取

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報告，邊坡大部分都處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。設(shè)計時選取7條典型的剖面，包括南側(cè)的高挖方邊坡及場址北側(cè)和東側(cè)的高填方邊坡，選取時盡量地靠近或經(jīng)過鉆孔位置使得到的橫斷面圖能更準確地反映真實的地質(zhì)狀況，使選取的坡面更有代表性。剖面在工程地質(zhì)平面圖上的位置如圖3所示。

2.3 工程參數(shù)確定

為了取得邊坡治理的設(shè)計參數(shù)評價指標，現(xiàn)場在鉆孔中采取各土層及下伏塊石巖塊等樣本作室內(nèi)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)試驗，各試驗成果按《巖土工程勘察規(guī)范》（2009年版）（GB 50021-2001）及《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB50007-2011）的有關(guān)公式進行數(shù)理統(tǒng)計，對無條件進行試驗的巖體按類似工程經(jīng)驗確定。邊坡穩(wěn)定性計算主要物理力學(xué)參數(shù)見表2。

2.4 邊坡穩(wěn)定性計算

挖方邊坡以手算為主，手算時，根據(jù)公式制作excel表格用極限平衡法求解邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)。填方邊坡以Geo-slope電算[5-6]分析為主，分別求出支護前、支護后、考慮地震、考慮超載的穩(wěn)定系數(shù)。計算結(jié)果見表3和下頁表4。

從表3～4中可以看出，處理后的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)一般工況均>1.3，地震工況均>1.1，滿足穩(wěn)定性的要求，該設(shè)計符合設(shè)計要求。

3 Flac3D數(shù)值模擬研究

3.1 Flac3D 簡介

Flac3D起源于流體動力學(xué)，其全稱為快速拉格朗日有限差分分析方法 （Fast Lagrangiall Analysis of Continua）。該軟件系統(tǒng)于20世紀 70 年代中期誕生于美國，其使用范圍貫穿于交通、水利、地質(zhì)、環(huán)境及土木建筑等工程領(lǐng)域[7]。其作為巖土工程領(lǐng)域的一種主要數(shù)值分析方法，從誕生到現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于解決巖土實際工程問題，并取得了相當(dāng)?shù)某删?。由于其自身作為顯式有限差分法，不必形成總體剛度矩陣，能騰出一定的內(nèi)存空間，尤其在大變形問題、非線性問題及非穩(wěn)定性分析方面具有獨到優(yōu)勢。

Flac3D采用的是有限差分網(wǎng)格，與常用的有限元網(wǎng)格相比存在一些不同，F(xiàn)lac3D的網(wǎng)格和節(jié)點都是按照（I，J坐標系來建立的，I表示水平的X軸，J表示豎直方向的Y軸。圖4數(shù)學(xué)網(wǎng)格中標出了節(jié)點I-J坐標系，圖中黑點位置對應(yīng)的坐標就是（I，J，陰影部分網(wǎng)格對應(yīng)的坐標系就是（I，J）。實際模擬過程中可變換為圖5所示的物理網(wǎng)格[8-10]。

3.2 數(shù)值模擬計算

設(shè)計中對場地南側(cè)22 m高邊坡進行了三維有限元分析，與二維的計算分析形成參考對照，所用到的土層特性參數(shù)如表5所示。模型采用摩爾庫倫準則，用強度折減法計算邊坡穩(wěn)定性系數(shù)[11-13]，通過求得的穩(wěn)定性系數(shù)與規(guī)范中的要求相比較，同時考慮塑性區(qū)的范圍是否貫通及參考坡面水平位移云圖[14]，綜合判斷邊坡的穩(wěn)定性情況，更好地為設(shè)計提供參考，以具備安全性、經(jīng)濟性，滿足設(shè)計要求。

根據(jù)實際情況和參數(shù)，建立邊坡模型如圖6所示。

用強度折減法算得的最后安全系數(shù)KS=1.146 875，大于邊坡安全儲備系數(shù)1.10。

3.3 數(shù)值模擬過程及結(jié)果

計算過程中的塑性區(qū)分布云圖如圖7所示，最后一次計算的塑性區(qū)分布云圖如圖8所示。

從圖7可以看出，之前的塑性區(qū)在第二級邊坡處有貫通的趨勢，結(jié)合圖8的當(dāng)前塑性區(qū)分布可知，當(dāng)前塑性區(qū)沒有貫通，邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，故之前的塑性區(qū)雖有貫通趨勢但并未貫通。坡腳處和第二級平臺坡腳處容易發(fā)生失穩(wěn)，施工時應(yīng)注意對這些范圍進行監(jiān)測，通過邊施工，邊監(jiān)測反饋，更好地指導(dǎo)設(shè)計與施工，提高工程的安全性，有效防止意外事件發(fā)生。

水平位移云圖如圖9所示，僅第三級邊坡有水平位移，最大位移為7.62 cm。

剪應(yīng)變率云圖如圖10所示，可以看出通過坡腳處一弧形帶范圍的剪應(yīng)變率最大，該處正好為潛在的滑移面，與前面的分析過程正好吻合。

綜上所述，該高邊坡削坡減載后處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，坡面水平位移不大，塑性區(qū)未貫通，該設(shè)計可靠。施工時采用逆作法進行施工，做好臨時排水和永久排水工作，并建立監(jiān)測反饋機制，在坡面第一級和第二級坡腳處設(shè)置監(jiān)測點，觀察位移變形情況，為施工提供指導(dǎo)。

4 結(jié)語

本工程根據(jù)場地實際情況設(shè)計出地基處理的合理方法，并且結(jié)合施工方案提出安全有效的邊坡支護方案。通過對挖填土方的過程進行計算，得出該方案的可靠性和可行性。此外，本文利用Flac3D軟件對邊坡穩(wěn)定性進行數(shù)值模擬，分析了邊坡的應(yīng)力、位移及破壞特征，進而揭示了邊坡的變形破壞機理。結(jié)果顯示，邊坡坡面水平位移不大，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，同時與以手算得出的挖方邊坡和以Geo-slope電算得到的填方邊坡的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)相比較，F(xiàn)lac3D軟件得出的數(shù)據(jù)比較合理，而且更加直觀地體現(xiàn)邊坡在開挖過程中的變化，所以Flac3D軟件在邊坡穩(wěn)定性分析方面有很好的適用性。

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作者簡介：曾祥澤（1987—），工程師，從事高速公路項目建設(shè)管理及建設(shè)技術(shù)應(yīng)用研究工作。