土方填挖区域加固设计数值模拟研究

摘要：为消除地基土的湿陷性，综合考虑安全性、经济性、施工工期要求以及对周边环境的影响等多种因素，文章根据工程实际情况设计出地基处理的合理方法，并结合施工方案提出有效安全的边坡支护方案。通过对挖填土方的过程进行计算，利用Flac3D软件对边坡稳定性进行数值模拟，分析了边坡的应力、位移及破坏特征，进而揭示了边坡的变形破坏机理，得出该方案的可靠性和可行性，验证了边坡支护方案的可实施性和安全性。

关键词：地基处理;边坡支护;边坡稳定性;Flac3D软件;数值模拟

0 引言

工程场地处于土石丘陵区，场地地形起伏较大，西侧、南侧较高，东侧、北侧较低。由于场地中含有湿陷性黄土，湿陷性等级为一级，所以本工程需要通过计算选择合适的地基处理的方法，从而提高地基承载力，减少地基沉降和渗透等问题，确保上部基础和建筑结构的安全性和耐久性。工程基础开挖和回填土的施工过程中会出现边坡稳定性问题，本文通过工程实际工况和相关规范确定边坡支护方案，并利用计算与Flac3D数值模拟来确定方案的可实施性，减少甚至杜绝因边坡失稳造成的影响施工进度和经济性等问题。

1 地基处理和支护方案的确定

1.1 工程地质条件

场地上覆地层主要为第四系全新统人工填土层（Q4s）、第四系上更新统坡洪积层（Q3sl+pl和第四系中更新统洪积层（Q2pl，岩性主要为素填土、黄土状粉土、黄土状粉质黏土。下伏基岩主要由古生界石炭系本溪组（Cb2）页岩及铝土矿和奥陶系中统上马家沟组（O2s灰岩组成。根据现场钻探揭露的岩芯及量测场区出露岩石，下伏基岩倾角较小，近水平状。

根据现场钻探成果及地层的地质时代、成因类型、岩性及分布埋藏特征，场地地層由新到老描述如下：

（1）第四系全新统人工填土（Q4s）。素填土：黄褐色、灰褐色，稍湿、稍密。主要成分为粉质黏土和碎石。层厚一般为1.00～9.20 m。该层在场区周边分布较普遍。

（2）第四系上更新统坡洪积层（Q3sl+pl）。黄土状粉土：黄褐色，稍湿，稍密。土质均匀，大孔隙竖向节理，可见少量风化岩屑。层厚一般为1.00～8.00 m。

（3）第四系中更新统洪积层（Q2pl）。黄土状粉质黏土：褐红色、棕红色，稍湿，硬塑，土质均匀，含少量石灰碎块。层厚一般为2.00～8.70 m。

（4）古生界石炭系中统本溪组（C2b）。页岩和铝土矿：灰褐色，强风化，泥质结构，层状构造，岩芯呈碎块状，易碎。层厚一般为6.35～17.80 m。产状近水平向。

（5）奥陶系中统上马家沟组（O2s）。粉质黏土：棕红、黄色，硬塑。含石灰岩碎块，为溶洞填充物。该层在场区北侧和东侧拐角处揭露。层厚为0.40～10.60 m。灰岩：灰褐色，强风化，隐晶质结构，层状构造，岩芯呈碎块状。层厚一般为0.90～20.60 m。

场地地下水类型主要有松散岩类孔隙水和碳酸盐岩类岩溶水。松散岩类孔隙水位于不易蓄水的黄土状粉质黏土中，碳酸盐岩类岩溶水埋深在百米以下，对场地建设影响小。工程场地地震基本烈度为7度，厂址建筑场地均属于建筑抗震一般地段。场地内无饱和状态的粉土或砂土地层分布，可不考虑地震液化对建（构）筑物的影响。

1.2 地基处理

本工程场地平整标高为920 m，利用Htcad软件采用方格网法进行土方量计算[1]，计算时将厂址分为6个小的区域，分别进行土方量的计算并汇总。区域分布图见图1，断面图见图2。

土方量计算结果见表1。

该场地为非自重性湿陷性黄土，湿陷等级为一级（轻微），压缩性较高，适合用强夯法进行地基处理。强夯法的加固效果显著，可消除地基土的湿陷性，提高地基承载力，且具有施工方便、缩短工期、节省费用等优点[2-3]。在采用强夯法进行地基处理的过程中，分层夯压，每层厚度为4 m，夯实深度为6～7 m。地基土夯实后相对密度≥0.95，强夯拟夯3～5遍。

1.3 边坡支护方案

挖方边坡南侧有高边坡存在，西南角和西侧局部紧邻征地红线，但边坡高度≤6 m，可采取重力式挡墙进行支护。综合考虑工程工期、施工难度和工程经济等因素，采用1∶1坡率进行削坡减载，每8 m一级，中间设2 m宽的马道。西南角及西侧中部局部区域离用地边界较近，局部只有3 m宽，设垂直重力式挡土墙支护，墙顶宽0.5 m，墙底宽1.7 m，挡土墙高度为3～6 m，嵌入场地地面以下为1 m。

场地北侧和东侧均为填方边坡，采用坡率为1∶1进行填方施工，每8 m一级，中间设2 m宽的马道。填方边坡加设有纺土工布，考虑自然边坡和填方的结合紧密程度，对自然边坡局部进行削坡形成台阶状，同时也方便土工布的埋设。

2 边坡稳定性计算

2.1 边坡稳定判别依据

边坡工程安全等级为二级，根据《建筑边坡工程技术规范》（GB50330-2013）中第5.2.3条规定[4]：边坡稳定安全系数一般工况应>1.3，地震工况应>1.1。当边坡稳定性系数小于边坡稳定安全系数时应对边坡进行处理。

2.2 边坡剖面选取

根据工程地质勘察报告，边坡大部分都处于基本稳定状态。设计时选取7条典型的剖面，包括南侧的高挖方边坡及场址北侧和东侧的高填方边坡，选取时尽量地靠近或经过钻孔位置使得到的横断面图能更准确地反映真实的地质状况，使选取的坡面更有代表性。剖面在工程地质平面图上的位置如图3所示。

2.3 工程参数确定

为了取得边坡治理的设计参数评价指标，现场在钻孔中采取各土层及下伏块石岩块等样本作室内岩石的物理力学性质试验，各试验成果按《岩土工程勘察规范》（2009年版）（GB 50021-2001）及《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）的有关公式进行数理统计，对无条件进行试验的岩体按类似工程经验确定。边坡稳定性计算主要物理力学参数见表2。

2.4 边坡稳定性计算

挖方边坡以手算为主，手算时，根据公式制作excel表格用极限平衡法求解边坡稳定安全系数。填方边坡以Geo-slope电算[5-6]分析为主，分别求出支护前、支护后、考虑地震、考虑超载的稳定系数。计算结果见表3和下页表4。

从表3～4中可以看出，处理后的边坡稳定性系数一般工况均>1.3，地震工况均>1.1，满足稳定性的要求，该设计符合设计要求。

3 Flac3D数值模拟研究

3.1 Flac3D 简介

Flac3D起源于流体动力学，其全称为快速拉格朗日有限差分分析方法 （Fast Lagrangiall Analysis of Continua）。该软件系统于20世纪 70 年代中期诞生于美国，其使用范围贯穿于交通、水利、地质、环境及土木建筑等工程领域[7]。其作为岩土工程领域的一种主要数值分析方法，从诞生到现在广泛应用于解决岩土实际工程问题，并取得了相当的成就。由于其自身作为显式有限差分法，不必形成总体刚度矩阵，能腾出一定的内存空间，尤其在大变形问题、非线性问题及非稳定性分析方面具有独到优势。

Flac3D采用的是有限差分网格，与常用的有限元网格相比存在一些不同，Flac3D的网格和节点都是按照（I，J坐标系来建立的，I表示水平的X轴，J表示竖直方向的Y轴。图4数学网格中标出了节点I-J坐标系，图中黑点位置对应的坐标就是（I，J，阴影部分网格对应的坐标系就是（I，J）。实际模拟过程中可变换为图5所示的物理网格[8-10]。

3.2 数值模拟计算

设计中对场地南侧22 m高边坡进行了三维有限元分析，与二维的计算分析形成参考对照，所用到的土层特性参数如表5所示。模型采用摩尔库伦准则，用强度折减法计算边坡稳定性系数[11-13]，通过求得的稳定性系数与规范中的要求相比较，同时考虑塑性区的范围是否贯通及参考坡面水平位移云图[14]，综合判断边坡的稳定性情况，更好地为设计提供参考，以具备安全性、经济性，满足设计要求。

根据实际情况和参数，建立边坡模型如图6所示。

用强度折减法算得的最后安全系数KS=1.146 875，大于边坡安全储备系数1.10。

3.3 数值模拟过程及结果

计算过程中的塑性区分布云图如图7所示，最后一次计算的塑性区分布云图如图8所示。

从图7可以看出，之前的塑性区在第二级边坡处有贯通的趋势，结合图8的当前塑性区分布可知，当前塑性区没有贯通，边坡处于基本稳定状态，故之前的塑性区虽有贯通趋势但并未贯通。坡脚处和第二级平台坡脚处容易发生失稳，施工时应注意对这些范围进行监测，通过边施工，边监测反馈，更好地指导设计与施工，提高工程的安全性，有效防止意外事件发生。

水平位移云图如图9所示，仅第三级边坡有水平位移，最大位移为7.62 cm。

剪应变率云图如图10所示，可以看出通过坡脚处一弧形带范围的剪应变率最大，该处正好为潜在的滑移面，与前面的分析过程正好吻合。

综上所述，该高边坡削坡减载后处于基本稳定状态，坡面水平位移不大，塑性区未贯通，该设计可靠。施工时采用逆作法进行施工，做好临时排水和永久排水工作，并建立监测反馈机制，在坡面第一级和第二级坡脚处设置监测点，观察位移变形情况，为施工提供指导。

4 结语

本工程根据场地实际情况设计出地基处理的合理方法，并且结合施工方案提出安全有效的边坡支护方案。通过对挖填土方的过程进行计算，得出该方案的可靠性和可行性。此外，本文利用Flac3D软件对边坡稳定性进行数值模拟，分析了边坡的应力、位移及破坏特征，进而揭示了边坡的变形破坏机理。结果显示，边坡坡面水平位移不大，基本处于稳定状态，同时与以手算得出的挖方边坡和以Geo-slope电算得到的填方边坡的边坡稳定性系数相比较，Flac3D软件得出的数据比较合理，而且更加直观地体现边坡在开挖过程中的变化，所以Flac3D软件在边坡稳定性分析方面有很好的适用性。

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作者简介：曾祥泽（1987—），工程师，从事高速公路项目建设管理及建设技术应用研究工作。