應變局部化理論在基坑設計中的應用

陳祖樹

摘要：基坑設計是現階段建筑工程施工建設中的一個重點內容，其設計質量不僅影響到建筑工程整體質量，同時也對建筑工程的安全性、穩定性有著直接的影響。本文先對黏性土剪切變形規律以及應變局部理論進行探討，并結合工程案例對應變局部化理論在基坑設計中的應用進行分析。

關鍵詞：基坑設計；應變局部化理論；具體應用

引言

基坑工程的設計水平與建筑施工質量有著較為緊密的聯系，一旦基坑工作出現問題，將導致建筑工程出現質量問題。近幾年來，伴隨著國內建筑行業的快速發展，基坑設計水平得到了顯著提升。對于黏性土等復雜地質條件的基坑工程設計工作來說，要注重應變局部理論的應用，進而提升基坑設計的質量與效果。

1.黏性土剪切形成的規律分析

在進行黏性土基坑工程的設計工作時，要注意黏性土局部化的線管問題。同時，還要對施工現場的黏性土土樣進行相應的應變壓縮試驗。在進行試驗的過程中，不僅要對黏性土的常規參數進行統計，同時還要對土樣的側向變形進行分析，對于土樣上下兩端的孔隙水壓力變化狀況要引起重視。在這一理論指導之下，在進行黏性土的分析過程中，數據采集的類型主要包含以下幾點：首先，要對黏性土的初始損傷、剪切帶開始時的受力狀況進行分析；其次，要對應力峰值等內容進行研究。大量的實驗表明，對于剪切帶開始時的分叉應變量來說，其數值明顯小于應變峰值時出現的相關應變量。另外，不管土體周圍的壓力是何值，試驗過程中剪切力始終沒有超過應力峰值時出現的應變力。但是，剪切帶完全形成之后，這時所產生的應變值始終超過峰值時所表現出的應變值。

2.應變局部化理論的概述

2.1理論分析

通過在不排水平面條件下進行黏性土側向變形應變實驗，定量的對黏性土剪切帶的形成進行了研究，并且得到了以下一些規律：一方面，土樣在加荷的初期出現了均勻的側向膨脹現象，并且當豎向應變值達到某一數值時，土樣一端的側向膨脹變形速率出現了顯著的加劇現象，而對于土樣另一端側向膨脹變形來說，其速率明顯減緩，這樣一來就形成鮮明的差異變形對比。另一方面，試驗過程中豎向應變和橫向應變的曲線存在著明顯的分叉現象，并且所對應的豎向應變與剪切帶逐漸地形成了特征應變，這也就是分叉應變。試驗過程中，隨著土樣局部區域變形的逐步加劇，土樣出現了大變形的狀況，并且這些局部化變形問題以及破壞問題在目前的深基坑與隧道工程施工過程中較為常見。

2.2應變局部化理論的物理描述

對于應變局部化現象而言，它在力學方面被描述成一個相對狹窄的應變集中區域。之后，在根據連續介質細觀力學進行相應的定義。在這個區域中，相應的變形率與帶外區域有著明顯的不同，并且這一區域的變形場存在著不均勻的現象。但是，對于帶外區域變形場來說卻始終保持連續。就土體應變局部化最常見的現象而言，主要在宏觀剪切帶中出現，并且這一過程中速度場通過剪切帶始終保持連續。另外，速度梯度通過剪切帶進行跳躍，但是這一過程中速度以及速度梯度保持均勻。如果假設x2是剪切帶的法線方向，那么在這一局部坐標體系中，剪切帶內外的附加速度的梯度分布狀況可以用下圖1來表示。

3.基坑設計分析

隨著國內建筑行業的不斷發展，支護基坑工程的設計計算理論也逐漸趨于完善。近幾年來，我國關于基坑設計的規范、標準逐漸出臺，這也極大地提升了基坑設計工作的質量與水平。但是，在進行基坑支護工程的設計中，基坑工程大多被視為一些臨時性的工程，并且設計過程中所取的相關安全系數較低。另外，由于受到施工現場地質、水文條件的影響，導致了基坑工程經常出現坍塌事故。這樣一來，不僅不利于建筑工程施工質量的提升，同時也嚴重的威脅到了廣大人民群眾的生命與財產安全。因而，在進行基坑設計時，要注重一些細節性問題的處理，同時還要對基坑位移變形狀況進行嚴格的監測與控制。對于復雜地質條件下的基坑設計來說，要注重應變局部變形理論的應用，并且要根據施工現場的具體狀況合理選擇基坑支護形式，進而不斷提升基坑設計質量，確保建筑工程的安全性與穩定性。

4.案例分析

4.1工程概況

某工程位于廣州市，并且整個工程呈現南北走向。在進行工程施工過程中，基坑的開挖深度不一，但都在1 2m～15.6m區間內，并且基坑的寬度在16.1m～22.1m之間。由于這一工程的工程量相對較大，因而施工過程中圍欄結構采用了多種形式。

4.2基坑穩定性的驗算

在進行基坑穩定性的驗算工作中，嚴格按照土體峰值應力變化時的剪切強度以及土體抗剪強度指標展開相關的計算工作，并且計算過程中相關參數如下表1所示。

從上述表格中的相關數據可以看出：為了提升對于應變局部變化的認識，要采用剪切帶開始形成時的抗剪切強度指標進行基坑工程的相關試驗工作，并且試驗所得出的相關安全系數都好于峰值狀態下所表現出的抗剪切系數。在進行基坑墻底抗隆起安全系數的計算與分析工作中，試驗得到的安全系數與峰值應力狀態下所得到的安全系數相比，明顯要小很多。因而，通過試驗結論可以表明，在進行基坑應力抗剪強度的計算與分析過程中，要注重基坑安全系數較小的黏性土局部化應變值的分析與處理工作，同時還要確保所獲得的黏性土應變局部化相對應的基坑安全系數要盡可能的小，這樣一來才能有效地控制施工質量，進而提升建筑工程的安全效果。

4.3基于基坑設計的有限元分析

4.3.1有限元原理的研究

對于有限元原理而言，其實質上是一種近似數值估算的計算方法，該理論需要建立在力學模型的基礎上。在進行基坑工程的開挖與支護過程中，屬于一種三維性問題，因而在進行拐角位置處的處理時，基坑會受垂直基坑壁的影響與約束。但是，從基坑邊坡失穩的最危險條件來分析，因為基坑壁平面方向重點線和垂直方向平面之間有著一定的聯系，再加上基坑的開挖面積相對較大，進而造成了基坑在平面上兩側坑壁約束力相對較小。因此，在進行數據分析工作時，可以認為它們之間是不會受到相鄰基坑的影響。

4.3.2結果分析

試驗過程中，工作人員通過建立結構模型并采用有限元理論進行分析。通過相關數據的研究，可以得出以下幾點結論：一方面，在進行基坑開挖時，土體最終的位移量如下：其中，最大值是20.00mm，對于最大水平位移來說，其數值是11.0mm。同時，基坑開挖過程中最大的豎向位移是19.7mm；另一方面，由于受到土體局部變化作用的影響，導致了基坑的受力狀況發生變化，并且得到的土體最大位移量是36.20mm，土體的水平位移是20.50mm，所得到的最大豎向位移為35.60mm。通過對上述結果進行分析，并且考慮到土體局部化的條件，得出土體所產生的位移量超過整體位移量，并且在一些深基坑工程中，其對于應變局部化的影響較為明顯，因而技術人員要對這一問題引起重視。

結語

隨著國內城市化進程的不斷加快，我國的建筑行業與交通領域獲得了快速發展。在進行工程項目建設的過程中，所有土體都存在相應程度的應變局部化現象，并且在剪切開始時所產生的周圍壓力和強度之間存在著正比關系。因此，在進行基坑工程設計時，其分析過程中要對土體應變局部化現象進行考慮，并且要分析其對于試驗結果的影響。同時，還要將這一理論應用到實際的基坑設計中，進而提升基坑設計的科學性。