建筑荷载对边坡稳定性的影响探究

郭晓峰（冠县建筑工程质量服务中心，山东冠县 252500）

1 国内外关于边坡稳定性的研究现状

20世纪30年代，瑞典科学家提出了关于滑体移动面的圆弧形观点；20世纪40年代，有学者在瑞典科学家观点的基础上提出了滑移圆弧的圆心位置学说；20世纪50年代之后，又有学者先后提出了关于岩土内部的土条剪力方向关系学说以及极限平衡法等观点。但是这些学说和观点大多还是基于岩土内力的成因和效果分析，对于基坑边坡稳定的安全系数问题，是在20世纪80年代之后，逐步被提及并获得关注的[1]。我国科学家张天宝等亦是在20世纪80年代初期提出了基于数值规划法的基坑边坡稳定安全系数计算式；而后孙君实在总结前人观点的基础上，创造性地提出基于岩土滑动面的最小边坡稳定性系数；20世纪80年代末期至90年代初期，又有学者尝试使用滑动面圆弧与有限元相结合的方法测算边坡稳定系数，并获得一定的进展；进入新世纪，张国祥、李丽民等学者又分别提出了基于边坡的潜在滑移线、边坡的弹塑性应力分析、边坡的潜在滑移面等理论观点，丰富并拓展了边坡稳定性的维护研究理论，为探究建筑荷载对边坡稳定性的影响分析提供了科学的理论支撑[2]。

2 研究内容、方法和技术路线

根据地质情况和建筑结构形式的不同，影响建筑稳定性的关键因素会有比较大的差异，本文通过资料整理和现场勘验，依托FLAC3D建模软件分析某工程项目在自然境况下、在条形基础作用下、在桩基作用下的应力和位移数值，并积极观察该项目不同应力状态下的边坡稳定性系数变化，从而依据科学的理论指导，对数据分析结果进行评价。本文的主要研究内容为：

（1）基于施工现场岩土的勘验情况，对建筑物基坑边坡的岩土进行物理分析和力学参数分析；

（2）基于建模软件和数值分析软件，对典型应力状态下的边坡稳定性安全系数进行测算与分析评价。

3 工程项目地质概况

某房地产开发项目，其地块的地层岩性如表1所示。

表1 某建筑地块的地层岩性状态表

从表1数据信息可以看出，该建筑的地质构造主要以粉土和风化麻岩为主，且大多分布不均匀，每一岩土层的层厚较大，属于较差地质情况。在这种地质构造较差区域开展建筑荷载对边坡稳定性的分析具有一定代表性和积极意义的。

4 基于强度折减法对建筑边坡稳定性进行分析

首先，根据该项目的地质构造情况，对该建筑物边坡面上的所有建筑物进行剖面划分，四个剖面分别为剖面1-1，剖面2-2，剖面3-3，剖面4-4，如图1所示。

图1 边坡面上建筑物剖面划分

借助平板荷载试验，对1-1剖面进行研究分析，1-1剖面的长度为84m，高度为29m，按照工程力学的有关参数值以及CAD制图软件绘制出1-1剖面的地质情况，如图2所示。

图2 1-1剖面地质情况图

根据现场勘验以及实验室岩土试验得出1-1剖面岩土层的各项物理力学参数如表2所示。

表2 1-1剖面位置处岩土层物理力学参数表

此外，1-1剖面位置处为该建筑物的条形基础位置区域，条基长度10m，埋深1.5m；条基下部桩基直径60cm，每个桩基之间的间距是500cm，本文采用建模与数值分析软件分别探究建筑边坡在自然境况下、在条基作用下、在6m深度桩基作用下的建筑边坡稳定性。

利用FLAC3D仿真软件，采取有限元的强度折减法对该建筑在自然境况下的位移进行计算分析，其位移云图如图3（a）和图3（c）所示，其所受应力云图如图3（b）所示。透过该建筑岩土体的边坡应力云图可以看出，本项目的岩土体边坡在自身重力作用下，深度越大，其竖直方向受到的应力也就越大，而且在边坡的坡面附近，其所受应力也出现了偏转现象，偏转后的力学主要特征是边坡所受应力逐渐平行于坡面。通过FLAC3D软件进行有限元数值模拟分析，依托位移的突变增量与边坡的主应变增量云图，分析和判断该建筑边坡潜在的滑移面位置，同时，借助该软件计算出本项目的边坡在自然境况下的如图3（d）所示的主应变增量云图。从图3（d）可以看出，该建筑物的边坡在自然境况下由顶部至底部呈现弧形斜隙增量变化，因此，边坡顶部的应力变化对于弧形斜隙方向上的安全影响较大，该稳定性的系数K约为4.24。

图3 自然境况下位移云图（a）和（c）、所受应力变化云图（b）、主应变增量云图（d）

对案例项目在自然境况下的边坡位移和应力进行云图分析后，再利用软件对该建筑边坡在条形基础作用下不同荷载的应力进行分析，其应力云图如图4所示。当条形基础所受荷载由300kN逐渐增加至1300kN时，建筑边坡周围的深度也在呈非线性增加，在条形基础的中部以下，其受到的应力大于对应部位的初始应力；在靠近条形基础两端的以下部位，在一定的深度范围内，边坡所受应力反而逐渐减小，应力的迹线也在发生偏移，由内及外逐渐恢复到初始的应力状态。此外，当建筑物边坡在300kN～1300kN的荷载作用影响下，边坡在竖直方向的位移也持续增大，最大位移值达到4.95E-04，这充分说明边坡顶部所受建筑荷载增加，将对边坡的安全产生负面影响，边坡发生滑塌的概率明显增加。

图4 条形基础下不同的荷载应力云图

图5 条形基础下桩基不同的荷载应力云图

继续沿着前文软件模拟和分析思路，当桩基础深度为6m时，同样对桩基上部施加300kN～1300kN的荷载，该建筑边坡在桩基上部所受荷载作用下的应力云图如图5所示。从图5（a）的300kN逐渐增加至图5（f）所示的1300kN，可以很明显地透过颜色变化（云图蓝色逐渐消失，红色面积越来越大）看出，桩基所受荷载越大，边坡竖直方向上所受应力越大，边坡产生滑移的概率也就越高。透过软件测算，桩基上部荷载为1300kN时，边坡最大位移值达到2.43E-04。

5 边坡稳定性分析

5.1 条基上部荷载作用下的稳定性分析

本项目建筑边坡在条形基础上部荷载作用下的边坡稳定性系数如图6所示，当上部荷载为300kN时，边坡稳定性系数3.69；当上部荷载为500kN时，边坡稳定性系数3.51；当上部荷载为700kN时，边坡稳定性系数3.32；当上部荷载为900kN时，边坡稳定性系数3.01；当上部荷载为1100kN时，边坡稳定性系数2.79；当上部荷载为1300kN时，边坡稳定性系数2.53。

图6 条形基础下的边坡稳定系数图

按照我国目前的有关规范要求，当边坡稳定性系数＞1.3时，处于稳定状态；1.03≤边坡稳定性系数≤1.05时，处于基本稳定状态；1.00≤边坡稳定性系数＜1.05时，趋于稳定状态；边坡稳定性系数＜1.00时，为不稳定状态[3]。

综合以上信息，300kN～1300kN的上部荷载变化，虽然对于边坡的稳定性产生了一定影响，但是1300kN荷载作用下对应的稳定性系数2.53＞1.3，属于稳定状态。

5.2 桩基上部荷载作用下的稳定性分析

本项目建筑边坡在深度为6m的桩基上部荷载作用下的边坡稳定性系数，如图7所示，当上部荷载为300kN时，边坡稳定性系数3.71；当上部荷载为500kN时，边坡稳定性系数3.53；当上部荷载为700kN时，边坡稳定性系数3.35；当上部荷载为900kN时，边坡稳定性系数3.21；当上部荷载为1100kN时，边坡稳定性系数3.02；当上部荷载为1300kN时，边坡稳定性系数2.85。根据边坡稳定性系数要求，亦可知在桩基上部荷载作用下，本项目的建筑边坡（2.85＞1.3）是稳定可靠的。

图7 桩基受荷载作用下的边坡稳定系数图

6 结语

利用FLAC 3D仿真软件，借助有关数学方法对建筑荷载影响下的边坡进行稳定性计算和监测是比较科学、客观和可靠的，可以作为广大从业者在施工过程中监测防控边坡安全的一种措施手段。