邊坡失穩框架結構的安全評估及施工建議

趙瑩

黃淮學院建筑工程學院（463000）

邊坡失穩框架結構的安全評估及施工建議

趙瑩

黃淮學院建筑工程學院（463000）

隨著山區景點建設項目的不斷開發，在邊坡上建設辦公樓及娛樂設施時有發生，而既建結構整體安全評估因缺乏相應規范一直是工程界的難點之一。文中依托某粉質邊坡預修建六層框架辦公樓工程實例，采用理論分析、數值模擬和現場實測數據分析等方法，對預建建筑結構和粉質邊坡的整體安全穩定性進行研究。并計算出安全系數，以便為同類工程實踐提供一定程度上的參考。

邊坡；強度折減；破壞過程；安全系數

0 引言

邊坡穩定性分析涉及公路、水電、土建等諸多工程領域，是巖土力學問題研究的重要環節內容[1]，亦是工程界研究的重要內容之一。邊坡穩定性的分析方法較多，主要包括理論分析、模型實驗和數值模擬。理論分析較難準確反映實際工況，模型實驗多少縮尺模型[2]，材料的相似性和滑坡機理較難準確量化。隨著計算機技術的不斷發展，數值模擬成為工程界研究邊坡的一個重要趨勢。

結合強度折減法建立有限元模型，通過不斷折減巖土強度參數黏聚力和摩擦角來計算邊坡失穩時的安全系數[3]。失穩判斷主要從兩個方面綜合考慮：一是有限元計算不收斂；二是形成貫通的塑性變形區。利用有限元計算安全系數分為兩種：局部安全系數和整體安全系數，邊坡穩定性分析多考慮局部安全系數。通過有限元計算邊坡的安全系數,可以對易發生滑坡災害的邊坡提出相應的加固措施。

這里結合某土質邊坡上6層框架辦公樓工程實例，建立二維有限元模型，對修建結構的安全穩定性進行評價。

1 工程概況

圖1 立面示意圖

某地區邊坡上建6層框架辦公樓，框架1～2層混凝土等級為C35，3～6層混凝土等級為C30。基礎采用柱下鋼筋混凝土條形基礎。框架與邊坡位置剖面圖如圖1所示。

邊坡巖體彈性模量E=120 MPa，泊松比V= 0.32，黏聚力c=13 KPa，摩擦角=22°。

2 有限元模型建立

采用大型通用有限元分析軟件ABAQUS建立模型。模型尺寸參考圖2。為反映邊坡強度折減中破壞面應力集中和位移變化特征，將模型單元局部網格進行細化。邊坡采用CPE4R（平面應變縮減實體單元）模擬，框架采用BEAM（梁）單元模擬；模型采用STRUCTURE(結構化分析)劃分網格；模型邊界條件采用固定約束，兩側限制法向位移。模型網格劃分如圖3所示。

圖2 Mohr-Coulomb模型中的屈服面

圖3 模型網格圖

模型荷載示意圖如圖4所示。邊坡主要考慮巖體自重，建筑物結構僅考慮自重荷載，對于地震等復雜工況下的荷載組合暫不考慮。有限元模型計算中，邊坡巖體采用Mohr-Coulomb本構模型，其他結構采用線彈性本構模型。

圖4 模型荷載圖

Mohr-Coulomb屈服面函數為：

式中：φ摩擦角，c為黏聚力，Rmc是控制屈服面在P平面上形狀的函數，q是剪應力，p是平均主應力。

3 邊坡失穩框架結構安全評估

邊坡強度失穩破壞的判據：

1）結構面出現較大位移，且位移變化趨勢處于自由狀態；

2）形成貫通的塑性區；

3）有限元計算不收斂。

安全系數定義：邊坡強度參數由c和φ折減到c'和φ'，則相應的安全系數為：

圖5 位移等值線云圖

圖5是邊坡失穩時的位移云圖，從圖5可知：左側邊坡形成貫通的位移面，且在底角出現最大位移值20 mm；位移滑動面基本位于既建建筑物的樁基下面。圖6是邊坡失穩時的塑性區云圖。結合圖6可知：邊坡失穩時的破壞面最早位于左側坡腳。從圖7計算安全系數與坡腳位移曲線可知，拐出現點時對應的安全系數為0.72。為保證既建6層框架結構安全，建議施工前采用相應的加固措施。

圖6 塑性區云圖

圖7 Fr與U1的變化關系

4 安全施工建議

為保證建筑物結構施工、后期使用的安全，建議施工中采取以下主要措施：

施工前制訂完整的專項施工方案，并設置專門的安全生產人員，對施工人員進行崗前培訓。

邊坡采用“抗滑樁”進行加固，具體施工位置、樁間距或埋深，應結合現場資料進行計算確認，并編制方案進行專家論證，經專家同意后方可施工。

建筑基坑施工過程中，應加強基坑支護，并對邊坡的側向變形進行動態監測，一旦發現問題及時進行處理。

5 結論

結合工程實例，建立有限元模型，對既有邊上修建建筑結構安全進行評估，研究得出的主要結論如下：

通過巖體強度參數黏聚力和摩擦角，可與直觀揭示邊坡失穩破壞的位移特征和塑性滑動面，為邊坡設計、施工提供工程實踐參考數據。

評價結果表明，在既建建筑物結構荷載的影響下，邊坡整體穩定性較差，建議在辦公樓建設前采取加固措施。

參考文獻:

[1]GriffithsDVandLanePA.SloPeStability Analysisby Finite Elements[J].Geoteehnique,1999,49(3)：387-403.

[2]王棟,年廷凱,陳煜淼.邊坡穩定有限元分析中的三個問題[J].巖土力學.2007(1).

[3]周維垣,楊強等.巖石力學數值計算方法7MI.北京：中國電力出版社,2005.