考虑随机性的深基坑土质边坡安全评价

周桓竹 尉迟衍春

(1.青岛理工大学土木工程学院，山东 青岛 266033； 2.东营市建设工程施工图审查中心,山东 东营 257000)

深基坑属于建筑工程中的重大危险源工程，边坡处理不当时极易发生安全事故。对深基坑边坡进行安全系数验算，确定合理支护方案显得尤为重要。陈祖煜[1]院士通过通用条分法，自动搜索临界滑裂面的方法进行土压力计算、风险分析以及三维分析；郑颖人院士等人[2]从工程治理的角度详细阐述了边坡与滑坡产生的机理、病害类型与处置方法；王玲[3]利用GEO-SLOPE软件中的SLOPE/W模块计算某土质边坡的稳定安全系数及确定最危险滑动面。2014年5月，孝感安陆市某市政工程管道沟槽边坡发生严重二次坍塌事故。由此可见，边坡安全问题不容忽视。本文以极限平衡理论为依据，利用Slide软件对边坡进行分析计算，验证方案合理性。

1 相关理论和软件概述

1.1 极限平衡理论

边坡稳定分析领域中最常用的一种方法就是极限平衡法，以摩尔—库仑抗剪强度理论为基础，将边坡滑动体划分为若干垂直土条，建立作用在这些垂直土条上的力的平衡方程，求解安全系数，此法也称为条分法。从早期的瑞典法到适用于圆弧滑裂面的Bishop法，再到适用于任意形状、全面满足静力平衡条件的Morgenstern Price法，其理论体系趋于严密，极限平衡法目前已经发展成为一个具有完整理论体系的、成熟的分析方法[4]。

由于边坡稳定问题中存在诸多静不定问题，极限平衡法将其转变为静定可解，虽然使问题的严密性受损，但对稳定性计算的精度影响并非很大，因此，它使分析计算工作大为简化。

1.2 软件概述

Slide是加拿大RocScience公司的产品，该软件使用垂直条块极限平衡分析方法来分析滑动面的稳定性，可分析单条滑面，也可使用自动搜索方法来搜寻给定边坡的临界滑动面。集成了Bishop，Janbu，Spencer，GLE/M-P和其他一些方法；可考虑多种材料模型：各向异性、非线性摩尔—库仑等；可进行边坡稳定性概率分析；可查看任意一条或全部已搜索到的潜在滑动面，可对任意滑面显示详细计算信息；集成了有限元法，稳态地下水建模、分析和数据解释程序。

2 工程概况

2.1 工程简介

此项目为孝感市东城新区20 km2范围内的新建市政基础设施项目，“五横九纵”共14条道路。管道工程是基坑开挖施工的主要内容，其中雨水管等埋深较浅，不大于4 m，使用明槽开挖方式施工，自然放坡，无支撑结构。乾坤大道污水管埋深较深，使用顶管施工工艺。

2.2 地质情况

该区域属于垄岗平原，地势变化大，高差可达13 m，地层自上而下为：①耕表土，以粘性土为主，含少量植物根系；②粉质粘土，含少量高岭土团块，均匀性较好；③粘土，含少量铁锰质氧化物及高岭土成分，均匀性较好；④粉质粘土，含少量铁锰质结核及条带状高岭土，均匀性较好。各土层物理力学指标参数见表1。

表1 基坑边坡材料参数

2.3 边坡情况

以乾坤大道某桩号处8 m深基坑作为算例。该基坑边坡设为二级边坡，坡比为1∶0.75，坡脚向上4 m垂直高度的地方设1.5 m宽的平台。边坡几何形状见图1。沟槽内开挖的土方需临时堆放在坡顶两侧，管道安装结束进行回填。堆土距离沟槽边缘1 m,堆土宽度为6 m，土堆对边坡的荷载按照均布荷载30 kN/m2计算。由于该区地下水位低，因此不考虑水流渗透对边坡的影响。

3 安全系数验算

在参数面板中输入边界坐标、地层坐标，定义地层参数(见图2)，外部荷载，滑动面剖面线选择圆弧(如图3所示)滑动面方向(见图4)，考虑基坑土层内摩擦角与粘聚力的随机性，软件搜索出最危险滑动面，并计算出安全系数，如图5所示，得到安全系数为1.554。

4 结果分析

根据建筑边坡工程技术规范[5]，对于二级边坡土质边坡安全系数大于1.30即表明边坡处于稳定状态，因此该边坡的坡面设置方案是合理的。除此之外，本文创新点在于考虑了土层内摩擦角与粘聚力的变异性，并用正态随机变量模拟了这种变异性，并将其反映到了危险滑动面搜索上，由图5可见，除了临界滑动面以外，在不同高程处均有危险滑动面通过，这些不同的危险滑动面对于基坑边坡的支护设计极其重要。可见此随机性对于危险滑动面的分布存在显著影响，需要引起工程人员的高度重视。

5 结语

利用Slide软件计算边坡稳定性，能够极大提高工作效率。本文创新性的从考虑基坑土层内摩擦角与粘聚力的随机性出发，使用软件搜索出最危险滑动面，并计算出安全系数。利用垂直条块极限平衡分析方法来分析滑动面的稳定性，大幅度提高计算准确性，能够反映边坡的力学特征。另外实际工程施工中，边坡受雨水渗透因素影响较为明显，应严格控制坡顶堆载高度及范围，及时做好基坑边坡防排水和监测工作。一旦发现隐患，可立即解除。