基于ANSYS验证某基坑工程施工坡道及周边岩土的稳定性

宋加兴 张伟 孟宪伟 刘毅

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2312-5042-2881

作者简介：

宋加兴（1993—），男，本科，工程师，研究方向为土木工程。

张伟（1974—），男，本科，工程师，研究方向为土木工程。

孟宪伟（1980—），男，本科，高级工程师，研究方向为土地管理。

摘  要：施工坡道是施工单位为保证基坑工程顺利实施采取的施工措施，一般根据以往工程经验设置，施工期间坡道及周边支护未施工部位的土体是否稳定，并不在设计考虑范围内，依据工程经验设置的施工坡道有时并不能满足规范要求，但却能够满足施工期间使用要求。基于某建筑基坑实例尝试采用ANSYS有限元软件对施工单位根据经验设置的施工坡道进行分析验证，希望能够为施工坡道的设置提供一种理论支持。

关键词：基坑工程   施工坡道   边坡稳定性   强度折减法

中图分类号：TU43

建筑基坑在施工时为了便于土方作业往往需要设置施工坡道，无法按照设计要求做到整体分层开挖。坡道按留置位置可以分为边侧留置和中部留置两种情形。对于宽度较小的基坑，由于坡道两侧均靠近支护结构，故无须考虑坡道横向稳定问题，仅仅按照规范要求沿纵向留置好坡度即可。但对于面积较大的深基坑，施工坡道往往会留置在基坑中部或边侧，特别是坡道设置在基坑边侧时，坡道土体范围内支护结构尚未施工，依靠预留坡道的土体是否能够满足边坡稳定及坡道施工荷载要求，目前主要由现场技术人员通过经验判断，无法从计算上给出准确结论。此外，有时施工坡道设置并不能满足规范要求，但直至项目完工依然保持平稳运行，这需要一线技术人员对其进行总结分析。

笔者查阅大量资料未发现对施工坡道进行稳定分析的相关案例及文献资料。由于施工坡道属于三维边坡稳定问题，通过查阅文献发现在某些大型水利工程中有使用ANSYS有限元软件进行三维稳定分析的相关实践案例，且与二维分析相比，三维边坡稳定分析得到的结果更加符合工程实际[1]，笔者尝试将该方法应用于建筑基坑施工坡道及周边土体的稳定性，同时为施工单位的工程经验提供计算依据。

1 工程概况

本文案例为青岛某建筑基坑工程，基坑设计南北向长约159 m，东西向宽约80 m，开挖深度2.12～14.44 m，基坑北侧设计采用放坡+土钉墙支护形式，西侧支护设计采用钢管桩+预应力锚杆肋梁支护形式。工程分两期建设，施工单位根据前期施工组织设计将坡道设置在建筑基坑西北角，受施工进度及其他因素影响西侧二期支护结构未施工且均位于坡道范围内。现场坡道总长约70 m，高约14 m，坡道顶面宽度6 m，坡顶处紧邻基坑支护一侧，为不影响主体结构施工，施工坡道临近基坑一侧坡率为1∶0.11，坡底距离西侧支护约13.5 m。坡道设置情况如图1所示，图中32、33点为支护结构已施工区域和未施工区域的分界点。

2 地质情况

根据项目岩土工程勘察报告并结合现场土石方开挖情况，坡道附近岩层分布情况如下。

2.1  ②-Ⅰ强风化花岗岩上亚带（γ53）

黄褐色～褐色，中粗粒花岗结构，块状构造，结构大部分破坏，矿物成分显著变化，风化裂隙很发育。岩石坚硬程度等级为极软岩，岩体完整程度为极破碎，岩体基本质量等级为Ⅴ级，岩层层厚6.80～9.10 m。

2.2  ②-Ⅲ强风化花岗岩下亚带（γ53）

黄褐色～灰褐色～浅肉红色，中粗粒花岗结构，块状构造，结构大部分破坏，矿物成分显著变化，风化裂隙很发育。岩石坚硬程度等级为软岩，岩体完整程度为极破碎，岩体基本质量等级为Ⅴ级，岩层层厚3.40～3.60 m。

2.3  ③中风化花岗岩（γ53）

黄褐色～灰褐色～浅肉红色，中粗粒花岗结构，块状构造，结构部分破坏，沿节理面有次生矿物，风化裂隙发育，岩石坚硬程度等级为较软岩～较硬岩，岩体完整程度为较破碎，岩体基本质量等级为Ⅳ级。

根据项目岩土工程勘察报告及工程地质手册，各岩层物理力学参数取值见表1[2]。

3 坡率法分析坡道稳定性

根据勘察报告查找《工程地质手册》，坡道处边坡岩体类型为Ⅲ类～Ⅳ类，查表得岩质边坡坡率允许值范围为1∶0.50～1∶1.00[2]；根据《建筑边坡技术规程》（GB50330—2013），边坡岩体类型为Ⅲ类～Ⅳ类的岩质边坡，边坡高度在8～15 m范围时，边坡坡率允许值范围为1∶0.75～1∶1.00[3]。施工坡道西侧上部边坡土体坡率为1∶1.04～1∶1.35满足规范要求，而施工坡道根部处边坡高度为14 m，宽度为1.5 m，换算坡率为1∶0.11，远高于规范允许值，据此应判定施工坡道横向坡率不满足规范要求。但根据施工单位以往工程经验，该施工坡道地质情况良好满足施工期间使用要求，施工期间不会发生失稳破坏。最终，直至项目完工施工坡道一直运转良好未发生失稳破坏问题。

4 有限元法分析施工坡道稳定性

为验证案例中施工坡道及周边土体的稳定性并确定其安全系数及可能发生失稳的部位，本文采用ANSYS有限元软件进行分析。ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件，在土木工程、机械制造、国防军工等领域都有着广泛的应用，在土木工程领域，工程师经常利用其强大的模拟分析能力解决工程难题。

施工坡道的稳定性可转化为边坡稳定性问题进行分析，在土木工程领域边坡稳定分析主要采用有限元强度折减法。有限元强度折减法不仅可以简单、准确地确定边坡的安全系数，还能自动寻找边坡潜在的破坏位置，已经在岩土工程中大量应用。有限元强度折减法的基本原理是将土体材料的强度参数黏聚力和内摩擦角同时除以一个折减系数，得到一组新值，作为一组新的参数输入再进行试算，当计算不收敛时取前一次的折减系数即为坡体的最小稳定安全系数，此时坡体达到极限平衡状态，发生剪切破坏[4]。本文也将利用ANSYS有限元分析软件采用强度折减法进行施工坡道三维稳定性分析。

4.1 有限元模型建立

岩土材料在自然界中较为复杂，岩层中存在许多节理裂隙，受到多种因素影响，在进行数值分析时为了能够方便计算，做出以下假设：（1）同一岩层材料为均匀介质，不考虑内部材料各向异性；（2）基坑内岩层为理想弹塑性材料；（3）不考虑温度、地震力、渗流场、地质构造应力等问题；（4）不考虑岩层开挖后随时间进一步风化问题；（5）已按设计施工的支护结构能够保证其设计部位的安全，不考虑其与施工坡道之间的相互影响。

为有效模拟施工坡道与周边岩土的稳定情况，截取坡道周边1～2倍基坑深度范围的岩土体建立有限元三维模型，施工坡道根据现场实测数据进行1∶1建立模型。根据工程经验坡道纵向坡率较小，坡道根部在该方向不会发生失稳破坏，为提高软件运行效率，建模时不考虑北侧支护结构及以外土体；已完成支护部分建模时对其施加水平方向约束。

根据项目岩土工程勘察报告将场地下方不同岩层做分层处理，分层时忽略岩层分界面起伏变化，根据施工坡道附近地质剖面图中岩层倾向及层厚变化将岩层分界面简化为斜平面。由于施工坡道为不规则平面，模型建立后采用SOLID95固体单元进行网格划分，SOLID95是比3-D，8节点固体单元SOLID45更高级的单元，它能够吸收不规则形状的单元而精度不发生损失；同时，SOLID95单元有可并立的位移形状并且对于曲线边界的模型有很好的适应性。由于模型尺寸较大，为提高软件运行效率，网格划分宽度取1.5 m。有限元实体模型共划分190 908个单元，建立271 049个节点，模型分析采用D-P本构模型[5]。施工坡道及周边岩土体建模情况如图所示，图中不同颜色代表不同的地质分层。

4.2 模型加载求解

对施工坡道模型各边界及已施工的支护结构施加三向约束，模型中岩土体整体施加竖向自重荷载。由于施工期间施工坡道主要承担渣土外运及钢筋等材料运输作业任务，综合考虑取施工荷载为56 t，加载面积取3 m×10.5 m；施工车辆在边坡上运行时应与施工坡道临空面保持足够的安全距离，根据实际运行时车道轨迹以及加载要求，施工荷载与施工坡道临空面边线距离取1.5 m，施工荷载按均布荷载均匀施加在荷载作用面范围内坡道中部的各个节点，方向竖直向下。在ANSYS中通过设置载荷步模拟施工车辆行驶在坡道不同位置时的工况，由于软件分析中荷载需要通过单元体节点施工给结构模型，因此定义车辆每移动1个网格宽度即1.5m作为一个工况进行分析，分别计算车辆从施工坡道底部运动至顶部各工况下施工坡道及周边岩土体的稳定性。依次对折减系数F=1、F=1.1……时各岩层的黏聚力和内摩擦角进行折减，然后重新加载分析直至计算结果不再收敛。

4.3 模型计算结果及分析

经过软件不断迭代分析，当F=3.7时计算结果不再收敛，计算结果如图3～图6所示：

根据软件分析结果，施工坡道及周边土体的安全系数为3.6。根据图3“F=1时塑性应变矢量图”可知，当安全系数F=1即正常使用情况下，施工坡道周围岩层均为弹性变形，未发生塑性变形；说明施工期间，施工坡道及周边岩土体将保持稳定满足使用要求，符合技术人员经验判断。当安全系数F=3.6时，边坡处于极限平衡状态，塑性变形最大部位位于西侧已施工支护结构和未施工支护结构的分界线附近，该处沿坡道横向最大变形为34.6 mm，沿坡道纵向最大变形为4.8 mm，失稳主要沿施工坡道横断面方向进行。当F＞3.6时，施工坡道及周边岩土体将发生失稳破坏[6]。

根据坡率法分析结果，施工坡道最危险处应位于坡道根部靠近基坑一侧部位，该处边坡坡度及高度均较大，根据现场施工技术人员经验判断，该处也应是最危险部位。但根据模型计算分析结果，施工坡道及周边岩土体施工期间最危险部位位于东侧已施工支护结构区域和未施工支护结构区域的交界处，该处岩土体有绕过支护结构向外滑动的趋势。可见，仅靠技术人员的施工经验不能对施工坡道及周边岩土体的稳定性做出最准确的判断。根据建模分析情况，危险点位于该处的原因主要有三点，具体叙述如下。

一方面，场地内施工坡道周边上部强风化岩层与下部中风化岩层分界面由北向南倾斜，致使软件分析危险点处与北侧坡道根部处相比地质情况相对较差的强风化岩层厚度较大。另一方面，软件分析危险点处位于支护结构已施工与未施工交界处，结构存在突变，该处支护结构背后岩土体坡度垂直，主动土压力相对较大，突变处岩土体强度及刚度较支护结构均较低，对岩土体滑动限制能力有限，因此危险点处岩土体有绕过支护结构向外滑动的趋势。此外，北侧坡道根部处由于有沿施工坡道方向上岩土体的制约作用，滑动主要沿坡道横断面方向进行；而软件分析危险点处靠近基坑一侧土体沿坡道横向及纵向均为边坡，该处岩土体较少对该处可能产生的滑坡制约作用较弱。

5 结语

施工坡道作为基坑工程的一种常用的施工措施，不在设计考虑范围内，由于它也是构成工程安全必不可少的一环，而施工单位技术人员往往又不具备相应的计算分析能力，对施工坡道可能出现的危险性不能做出最准确的判断，笔者认为也应引起足够的重视，不能仅仅凭借施工经验进行论断。本文基于某建筑基坑工程实例，首次利用ANSYS有限元软件采用三维建模方式验证建筑基坑工程中施工坡道及周边土体的稳定性，通过分析计算得出施工坡道的安全系数及可能失稳部位，希望能为现场技术人员提供一种分析施工坡道稳定性的方法；同时也希望一线技术人员能够利用有限元软件等工具与传统的施工经验相互印证，在确保施工安全的同时，也为我国的工程建设积累宝贵的技术资料。

参考文献：

[1] 杜九博，杨士瑞，吴先敏，等.基于三维精细模型的水利工程高边坡稳定分析[J].人民黄河，2019，41（9）：129-131，154.

[2] 工程地质手册编委会.工程地质手册[M]. 5版.北京：中国建筑工业出版社，2018：185-186，1091-1092.

[3] 中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑边坡工程技术规范：GB50330—2013[S].北京：中国建筑工业出版社，2023.

[4] 聂高波.基于强度折减法的土质边坡稳定性研究[D].郑州：河南大学，2021.

[5] CAD/CAM/CAE技术联盟.ANSYS 19.0土木工程有限元分析入门与提高[M].北京：清华大学出版社，2020.

[6] 多仁杰.岩质边坡有限元强度折减法的应用研究[J].山西建筑，2022，48（21）：96-99.