土與支護結構相互作用及邊坡穩定性分析

廖霖

摘要：隨著城市化建設的發展，建筑深基坑工程得到了迅速發展。此種技術率先出現在北京、上海等大型城市，促進了城市化的發展，但是由于基坑施工環境比較惡劣，必須使用支護開挖。文章對基坑工程中土與支護結構的作用和邊坡穩定性的數值分析兩方面進行了介紹。

關鍵詞：基坑工程；土與支護結構；邊坡穩定體系；數值分析；建筑工程 文獻標識碼：A

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

隨著地下車庫、地下商場等各種大型建筑物的發展，基坑支護開始成為主要研究話題。由于我國基坑支護技術發展的比較緩慢，而且很多基坑支護工程施工條件都非常復雜，所以必須進行支護。在建筑行業的快速發展下，基坑支護技術將會得到更加廣泛的應用。

1 概述

基坑支護工程是一項比較復雜的工程，涉及結構力學、地質工程等各個領域。進行基坑施工時，主要進行基坑結構設計、施工和土石開挖等部分，各個部分相互作用、相互影響。經過分析發現，基坑支護具有風險大、臨時性、區域性大、地質條件差異大、施工方式多、綜合性強等特點。由于此種工程比較復雜，進行研究時必須從試驗研究、理論分析和數值研究等三方面進行。試驗研究主要根據大量試驗的結構和產生的效應，選擇適合基坑工程發展的支護和開挖方法。理論分析主要以巖石力學和結構力學為基礎，對基坑體系進行研究分析。數值計算是目前常用的操作方法，主要利用具體的數值對基坑開挖和支護進行分析。這三種方法各有利弊，在實際應用中應該將三種方法結合起來進行分析?，F階段常用的基坑支護方法主要有傳統方法、改良方法、噴錨網支護法和土釘墻支護法等類型，根據各地區環境、條件等因素，可以針對性選擇操作方法。

2 土與支護結構相互作用

2.1 接觸面的非線形彈性-理想塑性模型

2.1.1 構建思想。經過對土與支護結構間的相互關系分析發現，土與結構之間存在的接觸帶和接觸帶內部土體變形已經被眾多研究人員所認可。當接觸帶切向應力較小時，會產生剪切變形；強度較大時，切向變形將無限延伸。對基坑支護中土與支護結構研究時，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屈服后接觸帶的錯動變形進行表示。

2.1.2 模型NEPP模型彈性塑性矩陣。根據彈性塑性理論，可以將接觸帶內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：；接觸帶和彈性應變關系可以表示為：。

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

其與法向相對位移具有曲線關系；Dss表示界面切向模量，是切向應力的函數。經過反復計算微分等可以得

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算方法

2.2.1 接觸帶單元厚度計算。接觸帶單元厚度確定是影響計算精確度的主要因素。只有合理確定好接觸帶單元厚度，才能真實地反映存在的情況。相關人士經過研究，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，但是由于確定時難以把握，而且單元厚度與單元長度及錯動位移有聯系，因此取值時應該取最小值。本次研究認為，接觸帶單元厚度不僅和以上因素有關，還與荷外界條件具有很大聯系。進行單位厚度確定時，可以利用試算法進行確定，將厚度確定為0.01B、0.02B到0.1B，并將其和實際測量值進行比較。

2.2.2 非線形迭代方法?？梢允褂梅蔷€性迭代方法對接觸面的應力-應變非線形關系進行計算。本次使用修正Newton-Raphson進行迭代計算。將接觸面兩側物體按彈性模型計算，用i表示荷載次數，計算如下：第一，完成第i-1增加計算后，可以將此區域屈服函數不等式表示為，如果將應力、應變和位移表示為，接觸帶單元應力矩陣可以表示為；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，根據彈性位移增量對線形應變求解，與前一步施加真實迭加為，最后根據運算得出塑性系數；第四，根據應力矩陣和屈服函數得出流動向量，并計算塑性矩陣；第五，確定塑性矩陣后，求出等效節點荷載；第六，求出殘差力，得出不平衡殘差力產生的額殘差位移；第七，計算總位移，根據非線形彈性應力矩陣得出彈塑性系數矩陣，同時完成全部增量；第八，計算出節點位移、應變和應力。

2.3 接觸帶單元模型驗證

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 滑動前后變形和應力分析。模塊未發生滑動前，基座和模塊之間產生連續變形，此時滑塊的位移是剪切位移。不設置接觸單位并將基座滑塊作為整體考慮，會發生很小形變，而且不會因接觸界面變化為連續。根據上述分析可以發現，滑塊發生滑動前，接觸帶單元和計算對結果影響不大，發生滑動后，計算結果顯著。

發生滑動后，模塊位移相對較小，事實上基座發生了位移，只是位移較小，繪制時覆蓋不計。另外從豎向位移也可以看出，基座滑動沒有發生由于接觸面帶來的嵌入問題，所以可以看出，模量和相對變形非線性關系穩定。

3 邊坡穩定性數值分析

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。如果在設計中不能控制好其穩定性，將會造成嚴重的生命和財產安全隱患，所以必須進行加固處理。

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。經過反復研究，安全系數定義最終被瑞典人Pettersson提出，假設土坡在膜滑動面滑動，可以根據平衡條件計算出安全系數?？梢詫⒘匕踩禂当硎緸?，式中：表示發生第i滑動面產生

的額安全系數；表示i條互動土體產生的最大抗滑力距；表示第i條滑動的實際滑動力距。

3.1.2 極限平衡分法存在的問題。對此種方法進行計算時，第一，必須具有滑動面，然后根據安全系數求滑動面，無論使用哪種方法，最終求出數據都有偏差；第二，此種方法只考慮滑動面位置和形狀，無法考慮巖土體應力-應變關系；第三，屬于認為假定，對實際距離和安全系數的影響有待論證。

3.2 強度折減彈塑性有限元

3.2.1 強度折減技術。很多天然或支護結構簡單的破壞位置和形狀，可以對其穩定安全系數進行確定，但是由于很多斷面比較復雜，同時邊坡穩定性容易受到降雨和施工等眾多因素的影響，導致傳統平衡分條法受到了影響。經過人們的反復探索，最后將抗剪強度定義成：荷載穩定下，邊坡內土體的最大抗剪強度和實際剪應力之比，外界產生的剪應力和抵御剪應力可以根據實際前度指標折減確定。這種方法確定的系數為邊坡穩定安全系數。基于折減概念和相關分析，將齊納切面土體的正應力和抗剪強度表示成和。該土體安全系

數為：

3.2.2 強度折減有限元法。強度折減技術可以對邊坡穩定性進行分析。在計算機技術的帶動下，可以利用折減有限元進行傾斜邊坡、直立邊坡等的研究，具有很強的適應性?，F階段強度折減有限元主要存在失穩指標不一致、折減計算不精確、元法本身的特點。經過分析發現，可以利用塑性應變分布區解決邊坡不連續

問題。

4 結語

本文主要對基坑共層中土與支護結構作用及邊坡穩定性數值進行了分析，進行有限元基坑支護中土與結構作用時，必須及時進行思路轉變，同時使用其他數值方法對相互作用進行探究。由于基坑工程會受到時間影響，可以利用粘性效應對變形特性進行研究。

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