基坑边坡顶部地表变形影响因素分析

，，

(中国地质大学 工程学院， 武汉 430074)

1 研究背景

近年来，随着城市建设的发展，城市高层和超高层建筑不断兴起，随之而来的深基坑工程越来越多[1]。因基坑边坡变形导致周边建筑物变形甚至破坏的事件时有发生，严重威胁人类的生命和财产安全。边坡破坏机理研究表明，边坡上部因中下部岩土体变形牵引产生拉应力而拉裂破坏[2]。缪林昌等[3]认为土体的强度参数与含水量关系密切，随含水量的增大，强度参数降低，影响边坡的稳定性。李兆平等[4]研究了基坑边坡开挖对强度参数的影响。姚裕春认为开挖不可避免地会对坡体产生扰动，不同的施工方法、时序会造成不同影响范围[5]。

以巴东县巴楚新时代文化广场基坑边坡地表变形为例，对造成基坑边坡顶部地表的影响因素进行调查研究，利用FLAC软件进行数值模拟分析，并为下一步的施工提出了相关建议，通过对此基坑边坡的研究可为三峡库区以及有着类似地质环境地区的基坑边坡开挖建设提供指导。

2 工程概况

研究区域位于湖北省巴东县西壤坡社区西部，拟建广场场地东南侧以巴山路沿江大道为界，沿江大道东南侧有5栋居民楼，西南侧以冲沟为界，西北侧和北东南侧以通往旅游码头专用公路为界。

场地分布的主要地层有三迭系巴东组第二、第三段和第四系残坡积物，其中，三迭系巴东组第二段(T2b2)为紫红色中厚层状泥质粉砂岩，粉砂质泥岩，夹灰绿色钙质泥岩，据区域资料该段总厚419 m，是分布于广场范围内的主要地层；三迭系巴东组第三段(T2b3)主要出露在研究区域北东地段，为灰色、灰黄色灰岩，含泥灰岩，呈中厚层状，与(T2b2)在区内呈断层接触；第四系残坡积物(Qel+dl)为紫红色碎、块石土，结构松散，分布在整个研究区域的表层，厚5～20 m。研究区域次级褶皱和断层发育，场地位于官渡口向斜南翼，地层结构为单斜构造，产状为330°～350°∠10°～20°，场地为斜交顺向坡，其南侧发育有一条东西向断裂。

3 裂隙发育特征

2011-12初巴山路沿江大道弯道内侧局部地表出现了明显变形迹象，图1为地表裂隙平面分布图。调查资料显示，地表共发育18条裂隙(表1)。据表1可知，文化广场场地东南侧民房室外，沿江大道地面及施工围墙均有大量裂隙分布，其中沿江大道和民房室外的裂隙呈北东—南西方向展布，走向与文化广场边坡走向平行，裂隙宽度达数厘米，延伸长度达数十米，其规模大于围墙上的裂隙。

图1 地表裂隙平面分布

表1 地表裂隙发育及展布情况统计

根据2011-12初民房外设置的6个沉降观测点以及场地周边设置的20个位移观测点监测数据表明：至2012-04-30，5栋房屋未发生沉降，沿江大道和挡土墙顶部水平位移明显，多处最大累计变形量达37 mm；之后路面裂隙仍在进一步扩展；至2012-07-04，张开度最大扩展达21 mm，一般为6～16 mm。这表明在文化广场施工期间，裂隙均出现扩展破坏。

4 变形影响因素

基坑变形的影响因素主要包括自然环境因素、设计因素和施工因素。3种因素具有连续性和不确定性，每种因素的合理与否都会影响基坑工程的稳定性[6]。据研究区域岩性及构造发育情况可知，场地的地质环境比较脆弱，易诱发边坡岩土体变形，这是影响裂隙产生和扩展的重要内在因素。在此脆弱的地质环境条件下，开挖坡体可能会对临近坡体产生不同程度的影响；同时，外界作用无疑会加剧脆弱环境条件下开挖坡体的环境恶化。对巴东地区的工程地质概况综合分析可知，外界作用主要包括地震、降雨和库水位升降等。研究表明，降雨是诱发巴东地区发生滑坡地质灾害的重要影响因素[7]。

据长江三峡总公司提供的地震数据，巴东县境内2011-09-01至2012-05-11期间发生地震43次，地震震级均很小，最大震级仅M1.7级。巴东县周边发生的地震震级最大为M4.4级，震中距巴东县均在数十至数百公里之间。故地震对场地边坡稳定性的影响甚微。

2011-09-01至2012-04-29期间长江水位经历了上升阶段、最高水位稳定期和水位下降阶段，当长江水位即将上升至175 m高程时，施工场地内抗滑桩孔内地下水位埋置深度约20 m；根据2012-04-29基桩孔内地下水位实测数据表明，地下水位埋置深度至少20 m，此时长江水位为163.0 m。场地所在区域岩土体为强透水性介质，地下水位变化与库水位升降过程几乎可同步，难以形成较大水力梯度的潜水面，因长江水位升降导致的静水压力变化不明显。因此，库水位升降对此次边坡顶部地表变形影响极小。

4.1 人类工程活动

施工扰动对岩土体性质的影响主要表现为：应力状态的改变、应力路径的改变、含水量及孔隙比的变化、岩土体结构破坏及岩土体化学成分的改变，这均不利于边坡的稳定性[8]。

在边坡开挖过程中，不同的施工时序必然引起开挖坡体产生不同的应力松弛程度，使坡体产生不同程度的变形，对开挖坡体的稳定性造成影响[5]。施工顺序不当时，开挖边坡在应力调整过程中将会由于变形过大而导致破坏失稳。文化广场在2011-09至2012-03初施工期间，主要进行场地平整和土方开挖，挖土方量约4 200 m3，2012-03初，开始进行抗滑桩施工，对基坑东侧壁(沿江大道外侧边坡)进行支护。文化广场施工顺序总体为“场地整平-边坡开挖-基础桩-抗滑桩”。经调查发现，文化广场在开挖过程中未进行及时的支护，这改变了坡体单元的应力路径，对边坡的稳定性不利。

2011-12-03在研究区域设立了观测点进行变形监测，2012-02-13监测资料表明巴山路沿江弯道内局部地表变形进一步加剧，地裂缝明显加宽，沿江大道旁房屋墙体裂缝轻度加剧。同年3月16日，房屋周边地表与墙体裂隙变形有加剧现象。2011-12至2012-02期间，巴东县在降雨量极小的条件下地表变形扩展不断加剧，在这期间土方开挖持续进行，由此可见，土方开挖对此次地表变形影响较大，边坡开挖扰动了边坡的地质环境，开挖后坡体的应力发生了调整，在斜坡上方沿江大道和民房一带形成拉应力集中区，导致浅表层土体张拉破坏。因此，人工开挖对基坑边坡顶部地表变形有着决定性的作用。

4.2 降 雨

许多水-岩(土)方面的研究都证实，水是造成岩土损伤及边坡破坏的决定因素。工程实践中大量的临时边坡失稳往往发生在降雨之后,可见水是可能引起或促发边坡失稳的一个重要因素。

由表2可知，2011-11共降雨18 d，总降雨量达109.5 mm，大于多年月平均降雨量。并出现2次连阴雨，持续时间分别为6 d和5 d。总降雨量和降雨时间增加明显，根据变形发生时间分析发现裂隙产生、扩展的时间和降雨期几乎可同步。而2012年3月份和4月份降雨时间分别达12 d和14 d，在此期间，地表裂隙扩展速度加剧。由于土体的强度参数与含水量关系密切，随含水量的增大，强度参数降低，而土体的含水量与持续降雨时间及降雨强度有着密切的关系[3]。因此，在上述2段降雨期间内，降雨量的急剧增加是导致地表及墙面变形破坏的原因之一。同时，水入渗对边坡岩土体起软化作用，必然对边坡单元的结构造成损伤[9]。基坑边坡一定范围内岩土体为强透水性介质，有利于降雨的入渗，同时，对于第2强降雨阶段，由于基坑开挖改变了局部的水环境系统，及地表裂隙的产生为水的入渗创造了更为有利的条件，随水入渗强度的增大，边坡岩土体结构损伤逐渐增强，使边坡的稳定性迅速降低，因而出现变形加剧现象。由此可见，文化广场东南侧地表变形的产生及加剧受降雨的影响较大。

表2 2011年9月至2012年4月降雨量统计

5 模拟验证分析

数值计算软件FLAC在岩土工程对材料的弹塑性分析、大变形分析以及模拟施工过程等领域有其独特的优势[10]，本文采用 FLAC 软件结合强度折减法对边坡的稳定性及坡体的位移情况进行分析，验证降雨和人工开挖对文化广场东南侧地表变形的影响。选取如图2所示剖面为计算剖面，所建立的地质模型以文化广场为中心，两侧适当延展，以此为原则，建立了地质模型(图3)，模型两侧边界采用法向位移约束，底部位移固定。模型中所涉及的岩土体物理力学参数根据现场勘察情况及巴东县同类边坡防治经验综合取值，如表3所示。

图2 斜坡稳定性分析地质剖面

图4为广场开挖后的暴雨工况，模拟中岩土体均采用饱和参数，由图4可知，文化广场开挖后，开挖区一定范围内为主要变形区，变形量约为0.02～0.04 m，其次是模型前缘地表，变形量约为0.04～0.06 m，变形量最大区域位于沿江大道及文化广场场地靠近沿江大道附近，最大位移约0.18 m。这说明基坑开挖后，坡顶拉应力集中，逐渐形成拉裂缝并迁移发展，这与现场调查所得裂隙分布范围相一致。

图3 边坡变形分析地质模拟模型

表3 岩土体物理力学参数表

图4 边坡位移等值线图

经计算，文化广场在开挖后天然状态下的稳定性系数为2.37，降雨状态下的稳定性系数为1.45，进一步说明降雨降低了坡体的强度参数，改变了岩土体的结构，对裂缝的产生及边坡的稳定性有着重大的影响。但边坡开挖后在暴雨工况下贯通性剪切面尚未形成，边坡处于局部变形阶段，边坡整体失稳的可能性较小。

随着基坑的进一步开挖，如果地质环境或条件恶化，边坡整体产生加速蠕动的可能性较大，易形成贯通的潜在滑动面，可能产生进一步变形破坏甚至失稳。因此，基坑在后续的开挖过程中必须及时加强支护，施工尽量避开雨季或雨天停工；及时采取补救措施，坡顶地表裂缝应用喷射混凝土尽快封闭，防止雨水对其进一步破坏；必须加强监测，重点监测建筑物的沉降、倾斜、裂缝的变化和基坑支护结构的变形、地表裂缝变化等方面，注意对周边建筑的保护；同时对设计施工方案进行更改优化，并尽快施工。

6 结 论

(1) 沿江大道和民房室外的裂隙大多呈北东—南西方向展布，走向与文化广场边坡走向平行，其规模大于围墙上的裂隙。在文化广场施工期间，裂隙均呈现较明显的扩展现象。

(2) 文化广场及其邻近地区的岩土体工程性质差是影响裂隙产生和扩展的重要内在因素。文化广场基坑开挖施工是诱发裂隙形成的主要外动力因素，降雨作用则加剧了边坡变形程度。

(3) 地表裂隙纵向尺寸小，仅涉及坡体浅表层。目前边坡尚处于局部变形阶段，边坡的整体稳定性较好。

(4) 本文的数值模拟对于分析同类型的基坑边坡顶部变形的问题是有效可行的，可为相关的工程实践提供参考。

(5) 对于山区，在边坡处开挖基坑兴建高层建筑时，应采取有效的基坑边坡加固措施以保证边坡的稳定性及坡顶邻近建筑物的安全。

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