黄土地区基坑开挖对边坡稳定性的影响分析

第43卷第13期山 西建筑Vd.43 No.13
2 0 1 7 年 5 月SHANXI ARCHITECTURE May.2017 • 79 •文章编号：1009-6825 (2017)13-0079-03
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，陕西谓南714000)
摘要: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。

关键词:边坡，有限元模型，基坑，应力
中图分类号:TU472 文献标识码:A
〇引言
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，在模型箱中埋人土压 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~l 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1m,管径约1m;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1m)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。

图1模型箱装置图
表1模型试验土体的物理力学参数
密度/g_cm_3弹性模量/M Pa泊松比粘聚力/kPa内摩擦角/(°)
1.878.40.33521
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 体从上到下分别在〇.1m，0.3 m,0.5 m，0.7 m，0.9 m处埋人土压 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
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
kPa
图3开挖后X方向应力
通过埋人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
收稿日期=2017-02-26
作者简介:梁潇文（1986-),女，
助教
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山西建筑
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。

图4 土体模型
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
节点FX f y
10.746 1E-130.607 5E-12
33383.8-758.2
580.220 3E-12-0.909 5E-12
59-0.100 1E-110.653 7E-12
600.266 5E-12-0.767 4E-12
610.211 4E-120.170 5E-12
620.113 7E-120.966 3E-12
63-0.284 2E-130.113 7E-11
640.113 7E-12-0.102 3E-11
65-0.284 2E-12-0.454 7E-12
66-0.113 7E-120.454 7E-12
67-0.568 4E-130.136 8E-12
3.3计算结果分析
图5开挖前后地层变形图
图6开挖前后X方向的变形图
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。

M N
图7开挖前后X方向的应力图
2) 开挖前后Z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,Z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Z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:f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;f方向的应力大于开挖前应力也说明
了这~'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：最大变形为〇•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〇.〇〇〇 94 mm，所以最后Z方向位
移为0. 129 rrnn，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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第43卷第13期 山 西建筑
Vd . 43 No . 13
2 0 1 7 年 5 月
SHANXI ARCHITECTURE
May . 2017
• 81 •
•施工技术•
文章编号：1009-6825 (2017) 13-0081-02
谈大同市古城墙护城河水系的施工技术要点
刘青丽
(大同市永泰广场，山西大同037000)
摘要:介绍了大同市古城墙护城河修复项目的主要工程量，分析了护城河水系施工的技术难点,并阐述了护城河基坑、防水层、 模板及混凝土的施工方案，总结了具体的施工要点,以确保工程的质量。

关键词:古城墙,护城河，基坑，模板，混凝土
中图分类号:TU 943.1
随着城市的发展，古城修复工程作为城市发展的需要，近几 年来越来越被重视。

古城修复不仅能提升城市的文化品味，而且 能带动城市的旅游发展。

本文以大同市古城墙护城河修复工程 为例，从护城河水系施工时需注意的几个技术要点人手,着重解 决了护城河水系施工时的几个关键技术问题。

1工程概况
大同市古城墙护城河是环绕古城墙外围周边的一个构筑物，
为混凝土结构，大同市东城墙护城河全长7. 6 km ，护城河河道宽
20 m 。

护城河池壁离城墙距离25 m ~ 35 m ，离马面最近处15 m
左右。

因其工程量大，结构特殊,大部分属深基坑施工，技术难度
较大，工程质量要求高，因此本文就该构筑物在施工实施过程中
需解决的几个技术要点做详细施工及技术方案。

主要工程量有:1) 土石方工程:河道土石方工程760 000 m 3;2)钢筋混凝土工程95 000 m 3 ;3)防水工程190 000 m 2。

由于整个工程跨度大，每段长约1.9 km ,沿线地形起伏较大，地 形北高南低，地层土质复杂,标段内有地雜逢存在，因此S tO I 度极大。

2主要技术难点
根据工程所处的水文地质条件，以及工程的具体概况，本项 目主要的技术难点是:深基坑处理、防水处理、池壁超过2 m 时混
凝土池壁浇筑处理、地裂缝处理，伸缩缝处理、施工后浇带处理。

1) 深基坑处理：由于护城河设计常水位为1 042. 50,池底设 计标高为1 041.〇〇,地形由东至西，由南至北逐渐变高，基坑深度
大，机械作业难度大。

2) 防水层处理:护城河毗邻古城墙，护城河防水是结构的重 要部分，因此，护城河的防水尤为重要，伸缩缝、后浇带、阴阳角部
位施工也是本结构技术难点。

3) 混凝土池壁跨度大,每个标段平均600 m ,支模时容易发生 模板走动，混凝土浇筑不均匀等现象，支模难度大，混凝土表观质
文献标识码:A
量控制都是施工重点和难点。

4)
地裂缝处理:经过东城墙及附近地带调查，大庆路断层从
东城墙北段通过，地面物探勘察，大庆路断层在地表已形成宽约
45 m 的异常带，反映在地表形成地裂缝。

地基处理需经调查后设 计上做一定处理，施工时机械作业量和难度都大。

5) 伸缩缝处理:为防止混凝土底板由于气候温度变化（热胀、 冷缩），使结构产生裂缝或破坏而沿底板纵向按设计要求每隔5 m
设置一道伸缩缝，缝宽20 mm 。

伸缩缝的防水施工是个技术难
点，必须处理好。

6) 后浇带处理：由于河道跨度大，为减少施工阶段的收缩应
力和差异沉降，按设计要求沿纵向每隔25 m 设置一道后浇带。

后浇带工程做法、浇筑时间以及养护等是本结构的技术要点，必
须处理好。

3技术难点施工及技术方案
3.1 护城河基坑的施工及技术方案
护城河基坑开挖时采用机械作业，首先要根据地勘部门提供 的地质土层情况来确定河道基坑的放坡坡度，并设置一条临时运 输通道。

1)
本工程施工是在雨季，由于现场开挖面积大，为了防止河
道基坑内积水，影响施工，所以需在基底周围设置一条临时排水
沟，同时设置临时集水坑一个，以上都作为雨季排水措施。

挖掘
机挖土方时，先挖至设计基底标高以上300 mm ,预留的300 mm 用人工清理。

2) 根据施工图纸，在基坑开挖时，应会同甲方、设计、施工、监 理方共同验槽,确认无误后方可施工，基坑底高程的允许偏差为±20 m m 〇
3) 基坑开挖时，要由浅人深。

大于4 m 的基坑采用分级放 坡，局部基坑距离马面较近处，由设计单位出支护方案，支护完成 后再开挖。

Analysis on the impact of foundation excavation of loose region upon slope stability
Liang Xiaowen Zhang Fulong
(Shaanxi Institute of Technology of Profession of Railway Engineering , Weinan 714000, China )
Abstract ： 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 simu ­late the excavation process . Get the slope before and after excavation displacement and stress change , through experiments and numerical simula ­tion analysis and comparison can be seen in the excavation process is the unloading process also destroys the stability of soil structure .Key words ： slope , finite element model , foundation , stress
收稿日期=2017-02-23
作者简介:刘青丽（1969-),女,工程师。