土與支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用及邊坡穩(wěn)定性分析

廖霖

摘要：隨著城市化建設(shè)的發(fā)展，建筑深基坑工程得到了迅速發(fā)展。此種技術(shù)率先出現(xiàn)在北京、上海等大型城市，促進(jìn)了城市化的發(fā)展，但是由于基坑施工環(huán)境比較惡劣，必須使用支護(hù)開挖。文章對(duì)基坑工程中土與支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用和邊坡穩(wěn)定性的數(shù)值分析兩方面進(jìn)行了介紹。

關(guān)鍵詞：基坑工程；土與支護(hù)結(jié)構(gòu)；邊坡穩(wěn)定體系；數(shù)值分析；建筑工程 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TU472 文章編號(hào)：1009-2374（2016）31-0096-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.31.048

隨著地下車庫、地下商場(chǎng)等各種大型建筑物的發(fā)展，基坑支護(hù)開始成為主要研究話題。由于我國基坑支護(hù)技術(shù)發(fā)展的比較緩慢，而且很多基坑支護(hù)工程施工條件都非常復(fù)雜，所以必須進(jìn)行支護(hù)。在建筑行業(yè)的快速發(fā)展下，基坑支護(hù)技術(shù)將會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用。

1 概述

基坑支護(hù)工程是一項(xiàng)比較復(fù)雜的工程，涉及結(jié)構(gòu)力學(xué)、地質(zhì)工程等各個(gè)領(lǐng)域。進(jìn)行基坑施工時(shí)，主要進(jìn)行基坑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工和土石開挖等部分，各個(gè)部分相互作用、相互影響。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，基坑支護(hù)具有風(fēng)險(xiǎn)大、臨時(shí)性、區(qū)域性大、地質(zhì)條件差異大、施工方式多、綜合性強(qiáng)等特點(diǎn)。由于此種工程比較復(fù)雜，進(jìn)行研究時(shí)必須從試驗(yàn)研究、理論分析和數(shù)值研究等三方面進(jìn)行。試驗(yàn)研究主要根據(jù)大量試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)和產(chǎn)生的效應(yīng)，選擇適合基坑工程發(fā)展的支護(hù)和開挖方法。理論分析主要以巖石力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)為基礎(chǔ)，對(duì)基坑體系進(jìn)行研究分析。數(shù)值計(jì)算是目前常用的操作方法，主要利用具體的數(shù)值對(duì)基坑開挖和支護(hù)進(jìn)行分析。這三種方法各有利弊，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該將三種方法結(jié)合起來進(jìn)行分析。現(xiàn)階段常用的基坑支護(hù)方法主要有傳統(tǒng)方法、改良方法、噴錨網(wǎng)支護(hù)法和土釘墻支護(hù)法等類型，根據(jù)各地區(qū)環(huán)境、條件等因素，可以針對(duì)性選擇操作方法。

2 土與支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用

2.1 接觸面的非線形彈性-理想塑性模型

2.1.1 構(gòu)建思想。經(jīng)過對(duì)土與支護(hù)結(jié)構(gòu)間的相互關(guān)系分析發(fā)現(xiàn)，土與結(jié)構(gòu)之間存在的接觸帶和接觸帶內(nèi)部土體變形已經(jīng)被眾多研究人員所認(rèn)可。當(dāng)接觸帶切向應(yīng)力較小時(shí)，會(huì)產(chǎn)生剪切變形；強(qiáng)度較大時(shí)，切向變形將無限延伸。對(duì)基坑支護(hù)中土與支護(hù)結(jié)構(gòu)研究時(shí)，可提出非線性彈性-理想塑性模型。在此模型中，利用雙曲線非線性彈性模型表示屈服前解析表面上非線形剪切特性；利用完全塑性理論對(duì)屈服后接觸帶的錯(cuò)動(dòng)變形進(jìn)行表示。

2.1.2 模型NEPP模型彈性塑性矩陣。根據(jù)彈性塑性理論，可以將接觸帶內(nèi)土體的變形劃分成塑性變形和非線形變形兩種，增量可表示為：；接觸帶和彈性應(yīng)變關(guān)系可以表示為：。

如果不考慮切向和法向耦合，可以將接觸面彈性系數(shù)矩陣表示成：，式中：Dnn表示界面向量，

其與法向相對(duì)位移具有曲線關(guān)系；Dss表示界面切向模量，是切向應(yīng)力的函數(shù)。經(jīng)過反復(fù)計(jì)算微分等可以得

出：，式中：[Dep]表示非線性彈性-理

想塑性模型增量的塑性矩陣。

2.2 接觸帶單元非線性有限元計(jì)算方法

2.2.1 接觸帶單元厚度計(jì)算。接觸帶單元厚度確定是影響計(jì)算精確度的主要因素。只有合理確定好接觸帶單元厚度，才能真實(shí)地反映存在的情況。相關(guān)人士經(jīng)過研究，將接觸帶單元范圍控制在0.01～0.1之間。雖然此范圍比較合理，但是由于確定時(shí)難以把握，而且單元厚度與單元長度及錯(cuò)動(dòng)位移有聯(lián)系，因此取值時(shí)應(yīng)該取最小值。本次研究認(rèn)為，接觸帶單元厚度不僅和以上因素有關(guān)，還與荷外界條件具有很大聯(lián)系。進(jìn)行單位厚度確定時(shí)，可以利用試算法進(jìn)行確定，將厚度確定為0.01B、0.02B到0.1B，并將其和實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行比較。

2.2.2 非線形迭代方法。可以使用非線性迭代方法對(duì)接觸面的應(yīng)力-應(yīng)變非線形關(guān)系進(jìn)行計(jì)算。本次使用修正Newton-Raphson進(jìn)行迭代計(jì)算。將接觸面兩側(cè)物體按彈性模型計(jì)算，用i表示荷載次數(shù)，計(jì)算如下：第一，完成第i-1增加計(jì)算后，可以將此區(qū)域屈服函數(shù)不等式表示為，如果將應(yīng)力、應(yīng)變和位移表示為，接觸帶單元應(yīng)力矩陣可以表示為；第二，施加荷載后，可以得到彈性位移增量為，總外力荷載為；第三，根據(jù)彈性位移增量對(duì)線形應(yīng)變求解，與前一步施加真實(shí)迭加為，最后根據(jù)運(yùn)算得出塑性系數(shù)；第四，根據(jù)應(yīng)力矩陣和屈服函數(shù)得出流動(dòng)向量，并計(jì)算塑性矩陣；第五，確定塑性矩陣后，求出等效節(jié)點(diǎn)荷載；第六，求出殘差力，得出不平衡殘差力產(chǎn)生的額殘差位移；第七，計(jì)算總位移，根據(jù)非線形彈性應(yīng)力矩陣得出彈塑性系數(shù)矩陣，同時(shí)完成全部增量；第八，計(jì)算出節(jié)點(diǎn)位移、應(yīng)變和應(yīng)力。

2.3 接觸帶單元模型驗(yàn)證

2.3.1 算例概況。將某滑塊放置在基座上，基座彈性模量E=240GPa，泊松比v=0.163，頂面受壓為25kPa，不計(jì)算各自體力。初始滑塊模量是=120MPa，初始法向模量是240MPa，接觸粘接力是0，摩擦角為45。，破壞比=0.75，接觸單元厚度是0.2cm。

2.3.2 滑動(dòng)前后變形和應(yīng)力分析。模塊未發(fā)生滑動(dòng)前，基座和模塊之間產(chǎn)生連續(xù)變形，此時(shí)滑塊的位移是剪切位移。不設(shè)置接觸單位并將基座滑塊作為整體考慮，會(huì)發(fā)生很小形變，而且不會(huì)因接觸界面變化為連續(xù)。根據(jù)上述分析可以發(fā)現(xiàn)，滑塊發(fā)生滑動(dòng)前，接觸帶單元和計(jì)算對(duì)結(jié)果影響不大，發(fā)生滑動(dòng)后，計(jì)算結(jié)果顯著。

發(fā)生滑動(dòng)后，模塊位移相對(duì)較小，事實(shí)上基座發(fā)生了位移，只是位移較小，繪制時(shí)覆蓋不計(jì)。另外從豎向位移也可以看出，基座滑動(dòng)沒有發(fā)生由于接觸面帶來的嵌入問題，所以可以看出，模量和相對(duì)變形非線性關(guān)系穩(wěn)定。

3 邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析

邊坡表示具有傾斜或者具有垂直坡面的巖土體，可以將其劃分為人工邊坡和天然邊坡兩種類型，是一種為了滿足人們的需求而修建的。如果在設(shè)計(jì)中不能控制好其穩(wěn)定性，將會(huì)造成嚴(yán)重的生命和財(cái)產(chǎn)安全隱患，所以必須進(jìn)行加固處理。

3.1 極限平衡條分法

3.1.1 極限安全平衡條分法中安全系數(shù)。經(jīng)過反復(fù)研究，安全系數(shù)定義最終被瑞典人Pettersson提出，假設(shè)土坡在膜滑動(dòng)面滑動(dòng)，可以根據(jù)平衡條件計(jì)算出安全系數(shù)。可以將力矩安全系數(shù)表示為，式中：表示發(fā)生第i滑動(dòng)面產(chǎn)生

的額安全系數(shù)；表示i條互動(dòng)土體產(chǎn)生的最大抗滑力距；表示第i條滑動(dòng)的實(shí)際滑動(dòng)力距。

3.1.2 極限平衡分法存在的問題。對(duì)此種方法進(jìn)行計(jì)算時(shí)，第一，必須具有滑動(dòng)面，然后根據(jù)安全系數(shù)求滑動(dòng)面，無論使用哪種方法，最終求出數(shù)據(jù)都有偏差；第二，此種方法只考慮滑動(dòng)面位置和形狀，無法考慮巖土體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系；第三，屬于認(rèn)為假定，對(duì)實(shí)際距離和安全系數(shù)的影響有待論證。

3.2 強(qiáng)度折減彈塑性有限元

3.2.1 強(qiáng)度折減技術(shù)。很多天然或支護(hù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的破壞位置和形狀，可以對(duì)其穩(wěn)定安全系數(shù)進(jìn)行確定，但是由于很多斷面比較復(fù)雜，同時(shí)邊坡穩(wěn)定性容易受到降雨和施工等眾多因素的影響，導(dǎo)致傳統(tǒng)平衡分條法受到了影響。經(jīng)過人們的反復(fù)探索，最后將抗剪強(qiáng)度定義成：荷載穩(wěn)定下，邊坡內(nèi)土體的最大抗剪強(qiáng)度和實(shí)際剪應(yīng)力之比，外界產(chǎn)生的剪應(yīng)力和抵御剪應(yīng)力可以根據(jù)實(shí)際前度指標(biāo)折減確定。這種方法確定的系數(shù)為邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)。基于折減概念和相關(guān)分析，將齊納切面土體的正應(yīng)力和抗剪強(qiáng)度表示成和。該土體安全系

數(shù)為：

3.2.2 強(qiáng)度折減有限元法。強(qiáng)度折減技術(shù)可以對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。在計(jì)算機(jī)技術(shù)的帶動(dòng)下，可以利用折減有限元進(jìn)行傾斜邊坡、直立邊坡等的研究，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。現(xiàn)階段強(qiáng)度折減有限元主要存在失穩(wěn)指標(biāo)不一致、折減計(jì)算不精確、元法本身的特點(diǎn)。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，可以利用塑性應(yīng)變分布區(qū)解決邊坡不連續(xù)

問題。

4 結(jié)語

本文主要對(duì)基坑共層中土與支護(hù)結(jié)構(gòu)作用及邊坡穩(wěn)定性數(shù)值進(jìn)行了分析，進(jìn)行有限元基坑支護(hù)中土與結(jié)構(gòu)作用時(shí)，必須及時(shí)進(jìn)行思路轉(zhuǎn)變，同時(shí)使用其他數(shù)值方法對(duì)相互作用進(jìn)行探究。由于基坑工程會(huì)受到時(shí)間影響，可以利用粘性效應(yīng)對(duì)變形特性進(jìn)行研究。

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