基于有限元的重庆某基坑边坡破坏机理研究

万财华，章 涛

（1.重庆中交置业有限公司，重庆 401320；2.重庆交通大学河海学院，重庆 400074）

1 工程概况

某基坑边坡位于重庆市巴南区李家沱-鱼洞组团项目规划用地范围内，该项目西临万达广场和巴南区政府，北临旭辉城。拟建场地建筑面积214 000m2。由6栋高层建筑（1～6号楼）、27栋多层住宅（7～33号楼）、1所幼儿园（34号楼）、地下车库、配套用房及商业网点组成。场地平场后，场地东侧与高速路位置存在4.5～26.0m高的环境边坡，该段边坡总长度约413m。

2 工程地质条件

2.1 地形地貌

场地总体地形呈东高西低，地形坡角10°～20°，局部地段因工程建设形成填挖方边坡，边坡坡角30°～60°。地面高程为212.000～255.000m，相对高差约43m。场地最高点位于场地东侧ZY293的用地红线边，高程约261.430m；最低点位于场地西南角的已建德普外国语学校5F教学楼处，高程约210.900m。

场地西北侧的ZY1及ZY9钻孔区域因德普外国语学校多功能厅的修建，在该建筑东侧（即本次勘察用地红线边）形成最大高度约19m的挖方岩质边坡，坡角45°～55°，该边坡已采取锚喷支护处理。而在场地内分布较多的前期施工单位现场办公区及农民工宿舍，本次勘察的外业工作期间已逐步拆迁。

2.2 地质构造

根据区域地质资料，场地内无断层及构造破碎带通过。场地构造上位于川东南弧形构造带的宣汉—重庆平行褶皱束的南延部分，地质构造上位于南温泉背斜西翼，岩层呈单斜产出。

在场地基岩露头区测得岩层产状260°～272°∠65°～72°（优势产状：265°∠68°），层面结合程度差，属软弱结构面。经地质调查及资料收集，场地基岩构造裂隙较发育。在基岩露头上测得两组构造裂隙，其特征叙述如下。

1）裂隙J1 产状10°～30°∠30°～48°（优势产状：20°∠38°），裂隙延伸长度1～4m，间距0.2～0.6m，裂隙张开1～3mm，裂面平直，泥质充填，结合程度很差，属软弱结构面。

2）裂隙J2 产状188°～215°∠50°～77°（优势产状：205°∠72°），裂隙延伸长度0.3～2.0m，间距1～4m。裂隙张开1～3mm，泥质充填，裂面较平缓，结合程度很差，属软弱结构面。

2.3 地层及岩性

1）素填土（Q4ml）碎块石多呈次棱角状，含量20%～25%，粒径一般20～330mm，局部达800mm。结构松散～稍密状态，稍湿，为机械无序堆填，堆填时间2～3年。钻探揭示层厚0.40～31.30m（ZY299）。

2）粉质黏土（Q4el+dl）黄色、褐黄色、黄灰色为主，多呈可塑状，场地中部低洼地带及现状水塘区域的表层0～1.50m呈软塑。含少许强风化砂岩、泥岩碎粒，粒径5～20mm。切面稍有光泽，韧性中等，干强度中等，无摇振反应，为残坡积成因。钻探揭示层厚 0.30～6.50m（ZY43）。

3）砂岩（Ss）灰黄色、褐灰色、灰色，中细粒结构，厚层状构造。主要矿物成分石英、长石，次为云母及暗色矿物，钙泥质胶结。该层零星分布于场地内，根据本次勘察钻探揭示，其单层厚度薄，一般1～3m或以薄层状间夹于泥岩及页岩中。

4）页岩（Sh）黄褐色、深灰、灰黑色，泥质结构，薄层状构造，主要由黏土矿物组成，局部可见薄层黑色介壳灰岩伴生，无规律。

5）泥岩（Ms）黄褐色、紫红～红褐色、局部呈灰色，主要矿物成分为黏土矿物，泥质结构，中～厚层状构造，局部含砂质较重。

3 Midas GTS NX简介

Midas是韩国POSCO集团在1989年开发的产品，Midas GTS NX是Midas系列软件中针对岩土领域研发的通用有限元分析软件，该软件前处理功能强大，建模方便快速，且支持静力、动力、渗流、应力-渗流耦合、固结、施工阶段、边坡稳定等多种分析类型，适用于地铁、隧道、边坡、基坑、桩基、水工、矿山等各种实际工程的准确建模与分析，并提供多种专业化建模助手和数据库[1-4]。Midas GTS NX建模分析求解及后处理过程如图1所示。

图1 Midas GTS NX数值分析过程

Midas GTS NX与其他岩土数值模拟软件相比，该软件的二维、三维建模过程更直观、快速，具有可视化建模界面，能快速准确生成自动网格，具有各种专业的岩土分析模块和强大的后处理功能。Midas GTS NX提供了丰富岩土本构模型，如弹性、莫尔-库伦、邓肯-张、德鲁克-普拉格、霍克-布朗、修正摩尔-库伦、剑桥、特雷斯卡等模型[5-6]。

4 边坡三维数值模拟

4.1 模型建立

建立该项目边坡工点模型，概化边坡地质计算模型，如图2所示。

图2 三维计算模型

三维模型采用Midas GTS NX建模进行分析。模型总共有20 786个节点，共29 103个单元。根据实际地形和概化情况，将模型分为3部分，最上部分为泥岩层，下部为砂岩层，最下部为基岩层。岩层参数如表1所示。岩土体模型采用摩尔-库伦本构模型，单元类型为平面应变，考虑路堑边坡开挖工况。

表1 岩层参数

三维计算模型的网格划分是根据尺寸以往项目数值计算经验进行确定的，表层泥岩层单元长度控制在3m，下部砂岩层单元长度控制在4m，最下部基岩层单元长度控制在5m。

4.2 计算模型结果分析

从沿模型边坡长度方向的位移云图可得到路堑边坡开挖坡面处有较大位移，在顶部泥岩层与下部砂岩层交界的层间结构面位移尤其较大。

从边坡竖向位移云图可得到开挖坡面坡顶处和坡脚处是发生竖向位移最集中的位置，其中坡顶处坡体向下发生较大位移，而在坡脚位置处坡体出现竖向向上的分量位移，由于坡体在坡脚位置滑移剪出所产生的向上的分量位移。

从边坡坡体等效塑性应变云图可知，边坡在开挖位置的坡脚至坡顶出现贯通的圆弧带状塑性区域，并在开挖坡面处位置塑性应变达到最大。塑性区在坡脚以上位置几乎平行于边坡开挖面，在坡脚及以下位置平行于层状结构面。塑性区在坡体后缘贯通至坡顶形成拉裂。

综上，该坡体发生塑性屈服区位置与实际挖方边坡现场调查数据一致。

5 破坏机理

1）该段坡体由于坡脚处人工开挖切断原有岩层，从而使自然坡度发生变化，破坏了原来的平衡，产生了大量的临空面，致使坡脚产生应力集中，根据文献[7]可求出该段边坡应力集中段长度约40m。

2）由于重庆地区降雨量丰富，炭质泥岩受水的作用，泥岩软化效应明显，层间抗剪强度降低，强度由峰值强度迅速降低至残余强度。当上覆岩体的下滑力大于实际抗滑力时，坡顶产生张拉裂缝，边坡前段发生滑移-拉裂破坏。前段坡体破坏后，后段坡体前缘卸荷临空，再次发生应力集中，若边坡下滑力大于实际抗剪阻力时，后段将发生破坏；若边坡下滑力等于或小于实际抗滑力时，边坡应力重新调整，暂时保持稳定，但暴雨、地震等外在因素下，边坡还会继续破坏。

研究表明，这类边坡的变形破坏，其进程主要取决于滑移面即炭质泥岩的产状和性质。如果岩层倾角大于其内摩擦角，一旦该滑移面被揭露临空，后缘拉裂面一出现即迅速破坏。

6 结语

1）对重庆某基坑边坡进行有限元分析得到：塑性区在坡脚以上位置几乎平行于边坡开挖面，在坡脚及以下位置平行于层状结构面；开挖坡面坡顶处和坡脚处是发生竖向位移最为集中的位置，其中坡顶处坡体向下发生较大位移，而在坡脚位置处坡体出现竖向向上的分量位移。

2）研究表明：炭质泥岩的软化作用及路堑挖方卸载是导致坡体破坏的2个主要原因，其中炭质泥岩的易滑特征起主导作用，工程建设中应多加重视。