黄土地区基坑开挖对边坡稳定性的影响分析

梁潇文 张福龙

(陕西铁路工程职业技术学院，陕西 渭南 714000)



黄土地区基坑开挖对边坡稳定性的影响分析

梁潇文 张福龙

(陕西铁路工程职业技术学院，陕西 渭南 714000)

采用大型模型试验和结构有限元分析软件ANSYS，分析了某边坡的稳定性，在模型箱中埋入土压力盒，测定边坡开挖前后土体应力的变化情况，并通过杀死单元的方式模拟了基坑开挖过程，得到边坡开挖前后位移以及应力变化，经实验和数值模拟比较表明，基坑开挖过程既是卸载的过程同时也破坏了土体原有结构的稳定性。

边坡，有限元模型，基坑，应力

0 引言

目前边坡在施工开挖的过程中很容易造成滑坡，特别是对于深挖路堑高边坡，边坡开挖对边坡的稳定性有较大的影响，目前，更多的研究集中在边坡开挖之后，土体因载荷变化而引起的稳定性问题，研究表明边坡开挖后土体自身是一个卸载过程，很容易引起滑坡，并已成为影响边坡稳定性的重要因素之一，本文结合兰州市城市规划展览馆基坑开挖工程，通过大型载荷试验和大型结构有限元软件ANSYS对边坡进行分析，在模型箱中埋入土压力盒，测定边坡开挖前后土体应力的变化情况，同时通过大型结构有限元软件ANSYS模拟开挖前后土体应力和位移的变化情况，分析边坡开挖后土坡的稳定性，研究结果对同类型工程有一定的指导和借鉴意义。

1 工程概况

兰州市城市规划展览馆场地位于兰州市城关区北滨河路南侧，东临兰州市自然能源研究所，南临黄河。建设用地总面积约17亩，总建筑面积约15 000 m2。基坑面积约4 900 m2。拟建物地上5层，地下1层，该场地较开阔，南侧地面高程在1 513.59 m～1 513.90 m之间，高差0.31 m，场地中部及北侧地面高程在1 515.13 m～1 516.13 m之间，高差1.00 m。地貌单元属黄河北岸河漫滩及Ⅰ级阶地交汇部位。据相关方介绍及现场勘查，该基坑南侧紧邻黄河，在河堤人行道下方有一道天然气管线，埋深约1.5 m，该管线在基坑开挖前将移至本次开挖基坑北侧，新管线距基坑上口线约3.3 m，埋深约1.5 m；东侧基坑上口线距离马路约25 m，有一条东西向管线垂直基坑边线，埋深约1 m，管径约1 m；北侧基坑上口线距离马路约6.7 m，此外据现场勘查，分别有一条给水管线(埋深约1.7 m，管径约0.5 m)和一条排水管线(埋深约5 m，管径约1 m)与坑壁平行，紧靠北侧地下车库；基坑西侧场地较简单，无建筑物，但是上述管线均由东向西穿过，不排除基坑场地内埋有管线的可能。

2 模型试验

2.1 试验装置

根据相似比要求，模型试验与工程实体应该满足尺寸相似、荷载相似以及边界条件相似的原理，本文模型实验相似比取1∶10，其余条件与实际工程条件保持一致，试验装置主要分两部分介绍，第一部分是模型箱，试验采用长200 cm宽100 cm高100 cm的自制模型箱,见图1,第二部分是模型试验土体，试验选用的土体为兰州市城市规划展览馆场地的原状粘土，具体模型试验土体的物理参数见表1。

表1 模型试验土体的物理力学参数

2.2 模型测试内容说明

模型土压力测试，当被测结构物内土应力发生变化时，土压力计感应板同步感受应力的变化，感应板将会产生变形，变形传递给振弦转变成振弦应力的变化，从而改变振弦的振动频率,土体从上到下分别在0.1 m,0.3 m,0.5 m,0.7 m,0.9 m处埋入土压力盒，通过导线连接到静态应变仪上来测试模拟开挖前后各层土压力的变化值。

2.3 模型试验结果分析

通过埋入土中的土压力盒测定水平土压力值，从图2数据可以看出开挖前水平应力大致呈线性状态，土中水平应力呈均匀增大，而开挖后水平方向的应力有所增大，这是因为边坡开挖后应力释放的结果，同时从图3可以看出靠近坡顶的位置应力增加比较明显，这是应力集中的表现。

3 数值模拟

3.1 有限元模型的建立

结合实例建立平面有限元模型，如图4所示，模型尺寸：长2.0 m，宽1.0 m，坡度为1∶0.5；边界条件：上部为自由边界，左右两侧水平约束，下边界水平与竖直方向同时约束，土体施加重力荷载。计算采用的物理力学参数见表1。

3.2 施工过程模拟

本次计算主要分析基坑开挖的过程，首先模拟土体在自重下的初始应力，然后再计算开挖后的土体应力，边坡开挖后所施加的节点力见表2，即将需要开挖的部分单元“杀死”，然后进行迭代计算，通过ANSYS模拟可以很好的分析基坑开挖的过程，单元被杀死后，单元荷载将变为0。

表2 开挖后节点力

3.3 计算结果分析

1)开挖前后土体地层变形分析。由图5可以看出土体在重力作用下的变形为0.19 mm，而开挖后土体变形为0.85 mm，总变形量反而增大，说明边坡开挖对于土体是一个卸载的过程，使得土体开挖后变形增大。

2)开挖前后X方向位移变形分析。图6分别表示土体边坡开挖前后X方向的位移变化，X方向的位移由自重作用下的0.000 94 mm变为0.13 mm，说明开挖后X方向的位移增大，再次说明边坡开挖对于边坡来说是卸载的过程，导致边坡位移增大。

3)开挖前后X方向应力分析。图7分别表示土体边坡开挖前后X方向应力的变化，应力由开挖前的-316.87 MPa变为7 852.22 MPa，直观的说明了边坡开挖是应力释放的过程。

4 结语

根据模型试验结果和数值模拟计算结果分析比较得到以下结论：

1)基坑开挖后的地层变形值大于开挖前的值，而且X方向的位移值还大于未开挖基坑的值,这说明基坑开挖对于边坡相当于是一个卸载的过程，开挖后X方向的应力大于开挖前应力也说明了这一点。

2)从边坡开挖过程仿真分析地层变形和位移结果可以看出：最大变形为0.85 mm,而X方向的最大位移为0.13 mm(开挖后的值)，在初始应力场下的位移为0.000 94 mm,所以最后X方向位移为0.129 mm,说明边坡横向位移很小，边坡不会滑移，是稳定的。

3)从边坡开挖后的地层变形图可以看出土体向上耸起，这也是应力释放的表现。

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Analysis on the impact of foundation excavation of loose region upon slope stability

Liang Xiaowen Zhang Fulong

(ShaanxiInstituteofTechnologyofProfessionofRailwayEngineering,Weinan714000，China)

A large scale model test and finite element analysis software ANSYS to analyze the stability of side slope, soil pressure box buried in the model box, the measurement of the change of the slope before and after excavation of soil stress, at the same time by killing the unit to simulate the excavation process. Get the slope before and after excavation displacement and stress change, through experiments and numerical simulation analysis and comparison can be seen in the excavation process is the unloading process also destroys the stability of soil structure.

slope, finite element model, foundation, stress

1009-6825(2017)13-0079-03

2017-02-26

梁潇文(1986- )，女，助教

TU472

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