滑坡地带深基坑开挖有限元数值分析——以重庆万州万达广场工程为例

张继川，石立国，张茅

（中国建筑第二工程局有限公司西南分公司，重庆 400021）

0 引言

深基坑开挖不仅要保证基坑本身的安全与稳定，而且还要有效地控制由于基坑施工引起的变形及其对周围环境的影响，研究深基坑开挖变形规律及其控制技术，对于深基坑的设计施工具有重要的指导意义[1-2]。

西部山区土地资源贫乏，人们为了合理地利用土地资源经常在边坡上修筑各类建筑物与构筑物。在斜坡体上开挖深基坑的力学原理较为复杂，在设计计算过程中不但需要考虑基坑自身的稳定问题，还需要考虑基坑开挖对滑坡体的影响，对于滑坡地带的深基坑开挖技术在国内外研究资料较少[3]。

目前对深基坑稳定性计算常常采用极限平衡法与有限元法[4]。极限平衡法计算简单，但不能计算基坑的位移，不能考虑施工的整个过程，因此常常用于简单基坑的计算。近年来，考虑支护结构和土体共同作用的二维、三维有限元分析[5]也被广泛采用。陆新征[6]考虑支护结构和土体之间的相互作用，对基坑进行了施工全过程的三维有限元弹塑性分析和模拟。沈磊[7]总结模拟施工开挖全过程的三维有限元分析模型，分析总结了长峰商城超大深基坑逆作法施工地下连续墙水平变形和基坑周边地表土体沉降特征。

本文以重庆市万州区和平广场滑坡地带深基坑开挖工程为例，结合有限元数值模拟方法，采用ABAQUS有限元软件，研究了滑坡地带深基坑开挖变形控制理论及其加固方法。计算结果表明:抗滑桩及抗滑键加固可以有效地减弱上部结构的沉降及滑动效应，能减小基坑开挖对整体结构土层以及支护桩产生的内力变化效应，也能减少抗滑桩产生的内力及位移变化效应。

1 滑坡地带深基坑开挖数值模拟

1.1 问题描述

重庆万州万达广场工程位于重庆市万州区和平广场滑坡堆积体内的南部，地处长江左岸与其一级支流苎溪河交汇处，为长江三峡工程库区重点勘察防治的“四大滑坡”之一，属三峡库区列入规划必须治理的地质灾害体。

拟建场地位于重庆市万州区和平广场冯家院片区，处于重庆市万州区和平广场滑坡堆积体内的南部（见图1）。和平广场堆积体是以崩滑堆积为主，坡积、河流冲积为辅混合形成的。堆积体呈横长型，前缘高程108～147m，后缘高程210～215m，横长2.5km，面积105万m2，总体积1950万m3。 该滑坡体上建筑物密集，荷载较大。本文利用ABAQUS数值分析软件，研究了滑坡地带深基坑开挖的力学响应，分析了滑坡体上深基坑开挖对坡面建筑物的影响及其加固措施，从而提出基于变形可控的滑坡地带深基坑开挖及其治理方法。

图1 基坑施工总体规划图

1.2 变形体物质组成差异

根据地质勘查，变形体物质组成差异如下:

上部人工填土厚度0.8～4.10m；下部粉质粘土为崩坡积土滑坡堆积层，块、碎石含量较高，其厚度2.46～27.20m；基岩为砂质泥岩、砂泥岩互层。

1.3 模型材料参数

实体部件包括基岩、土体、挡墙和混凝土支护桩及抗滑桩。其中基岩、混凝土挡墙，混凝土支护桩和抗滑桩定义为弹性材料；土体不仅考虑其弹性形变，还需考虑土体本身的内摩擦角及粘聚力，故同时考虑弹性及摩尔—库仑模型。

基岩:密度2200kg/m3，杨氏弹性模量E=200MPa，泊松比0.25。

混凝土材料:密度2400kg/m3，杨氏弹性模量E=300MPa，泊松比0.2。

土体:密度1950kg/m3，杨氏弹性模量E=20MPa，泊松比0.25。 粘聚力c=20kPa，内摩擦角20°。

1.4 有限元模型

依据地形地貌图，采取典型剖面，借助ABAQUS有限元软件，建立有限元模型，其中:土体、基岩和挡土墙、桩部件均采用Hex-Structure的网格划分，单元类型采用C3D8I（8节点六面体线性非协调模式单元），线性非协调模式单元只在中心存在一个积分点，通过外插值和平均后得到节点应力。

1.5 边界和荷载条件

1.5.1 接触边界条件

(1)位移约束条件:分别约束土体、基岩在纵横断面的纵向位移U1和横向位移U3，约束基岩底面的三个方向位移U1、U2、U3。

(2)接触边界条件:岩石和土层之间施加接触边界条件，并采用罚函数接触算法计算岩石与土层之间的相互作用。

1.5.2 荷载条件

(1)重力荷载:对整个模型结构施加重力，重力加速度为9.8m/s2。

(2)坡面附加荷载:采用均布荷载对坡面建筑物进行模拟，其荷载大小为200kN/m2。

1.6 计算工况

在开挖过程中采用分层、放坡开挖，开挖深度为20m，分为8层，每层开挖深度为2.5m，在开挖到10m时，在距支护桩8m的位置采用1:1的放坡开挖，如图2。

图2 滑坡带深基坑开挖示意图

在计算中，分别采用基坑支护桩加固；基坑支护桩+双排抗滑桩加固；基坑支护桩+双排抗滑桩+双排抗滑键加固的方式分别进行计算，从而通过比较给出最优加固方式。

2 计算结果分析

2.1 Mises内力对比分析

平衡地应力后，开挖所造成的整体结构内力变化云图如图3所示。可知，开挖所造成的结构内力变化主要发生在上缘已建成的建筑物作用外荷载的区域内，尤其是最上部阶梯状土层范围内。

图3 支护桩工况基坑开挖滑坡体Mises内力云图

图4给出抗滑桩支护基坑开挖滑坡体Mises内力云图可知，开挖所造成的结构内力变化主要发生在上缘已建成的建筑物作用外荷载的区域内，当采用抗滑桩支护时，抗滑桩可以有效地加固桩后滑坡体，相比于没有抗滑桩加固的情况，整体结构内力变化值略微减小。

图4 支护桩+抗滑桩工况基坑开挖滑坡体Mises内力云图

由图5可以看出，打入埋入式抗滑键以后，上部已建成建筑物所在处土体产生的内力变化相对于前面两种情况有所减小，而抗滑键与基岩接触部分会产生一定的应力集中效应。由此可知，抗滑键对整体结构的滑动起到了一定的抵抗作用。

图5 支护桩+抗滑桩+抗滑键工况基坑开挖滑坡体Mises内力云图

2.2 位移对比分析

图6给出了3种工况下的支护桩顶水平位移与开挖深度的关系曲线，可以看出:随着开挖深度的增加，支护桩顶水平位移逐渐增大，当开挖深度达到放坡开挖深度时（10m），支护桩顶水平位移增加缓慢，逐渐趋于平稳；三种工况下支护桩顶水平位移数量级发生改变，即支护桩加固工况支护桩顶水平位移为23cm，支护桩+抗滑桩工况支护桩顶水平位移为25mm，支护桩+抗滑桩+抗滑键工况支护桩顶水平位移为4mm。这说明经过抗滑桩和抗滑桩+抗滑键组合结构的加固，能有效控制支护桩顶水平位移。

图6 三种工况下支护桩顶水平位移关系曲线

图7给出了2种工况下的抗滑桩顶水平位移与开挖深度的关系曲线，可以看出:采用抗滑桩+抗滑键加固可以有效的减小抗滑桩顶水平位移，且2号桩顶位移大于1号桩顶位移。

图7 抗滑桩顶水平位移关系曲线

图8给出了3种工况下的坡面水平位移与距基坑距离的关系曲线，可以看出:随着距基坑距离的增大，坡面水平位移逐渐减小，且经过抗滑桩和抗滑桩+抗滑键组合结构的加固，能有效控制基坑开挖时上坡面建构筑物的水平位移。抗滑桩+抗滑键组合结构的控制效果最优。

图8 三种工况下距基坑距离-坡面水平位移关系曲线

3 结论

万州万达广场深基坑开挖过程对上部已建成建筑物会产生一定的影响，为减弱上部结构的沉降及滑动效应，相应的进行了抗滑桩及抗滑键加固。

通过分析我们发现，对于整体结构内应力的变化主要集中在上部已建成建筑物所在点下部的土层内，由于该区域上部直接受到了外荷载作用，所以开挖产生的影响在该区域相对明显。

土层产生的位移以沿着坡面的滑动为主，产生的沉降效应相对是次要的。滑动面呈滑弧状，在距离开挖区50m范围以内尤为明显，而上层已建成建筑物的区域受到开挖产生的位移影响相对较小。

经过抗滑桩和抗滑桩+抗滑键组合结构的加固，能有效控制基坑开挖时上坡面建、构筑物的水平位移。抗滑桩+抗滑键组合结构的控制效果最优。

[1]Nagaraj T s，M K， Sridharan A.incremental loading device for stress path and strength testing of soils[J].Geoteehnieal Testing Joumal， 1981， 4(2)，:110-118.

[2]Balasubramaniam A S，Chaudhry A R.Deformation and streng the haraeteristies of soft Bangkok clay[J].Joumal of the Geoteehnieal Engineering Division， 1978，104(9):1153-1167.

[3]石立国，张茅，余德浩，等. 重庆万州万达项目滑坡地带基坑开挖土体变形控制技术研究 [J].重庆建筑，2012(12):4-6.

[4]杨光华.深基坑支护结构的实用计算方法及其应用[M].地质出版社，2004.

[5]孙钧，汪炳监.地下结构有限元法分析[M].上海:同济大学出版社，1988.

[6]陆新征，宋二祥，吉林，等. 某特深基坑考虑支护结构与土体共同作用的三维有限元分析 [J].岩土工程学报，2003，25(4):488-491.

[7]沈磊，陆余年，岳建勇.超大深基坑变形特征的数值模拟及其实测分析 [J].地下空间与工程学报，2005，1(4):538-542.