基坑邊坡支護(hù)穩(wěn)定性及有限元基本問(wèn)題淺析

金 偉 費(fèi)正耀

（貴州中建建筑科研設(shè)計(jì)院有限公司， 貴州 貴陽(yáng) 550001）

0 引言

以基坑開(kāi)挖工作作為文章的切入點(diǎn)，重點(diǎn)分析了基坑邊坡穩(wěn)定性及支護(hù)方式的選擇，并且對(duì)有限元法進(jìn)行了具體應(yīng)用。

1 基坑開(kāi)挖工作以及支護(hù)方式的相關(guān)概述

通過(guò)對(duì)有關(guān)的資料進(jìn)行分析，我們可以知道，在建筑施工項(xiàng)目進(jìn)行的過(guò)程中，基坑開(kāi)挖工作在其中占有十分重要的位置，基坑開(kāi)挖工作是基礎(chǔ)施工工作的一部分，因此，一直以來(lái)都受到了有關(guān)人員的廣泛關(guān)注。一般情況下，影響基坑開(kāi)挖工作效率的因素有很多，其中，施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況、施工方案的選擇等等都會(huì)在一定程度上影響基坑開(kāi)挖工作的效率。在這種情況下，選擇合適的支護(hù)方式對(duì)施工效率的提升有非常重要的影響。現(xiàn)階段，影響施工項(xiàng)目進(jìn)度的最關(guān)鍵的一個(gè)因素就是支護(hù)方式的選擇，合理的對(duì)支護(hù)手段進(jìn)行確定對(duì)施工進(jìn)度的提升十分關(guān)鍵。不同的學(xué)者都對(duì)支護(hù)方式的選擇進(jìn)行了研究，例如：李青青學(xué)者等人對(duì)建筑物的施工進(jìn)度進(jìn)行了分析，探究了建筑物的形狀對(duì)基坑變形程度的影響，并且結(jié)合了支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移展開(kāi)了論述，具有一定的實(shí)際意義。由于基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，因此，在選擇支護(hù)方式時(shí)需要考慮多種因素，選擇有限元的方法可以降低計(jì)算的復(fù)雜性。

2 工程概況

為了更好的探究基坑邊坡支護(hù)的選擇，我們以某項(xiàng)目作為本次的研究實(shí)例，從工程項(xiàng)目的現(xiàn)場(chǎng)情況以及地質(zhì)條件等兩個(gè)角度對(duì)其進(jìn)行了論述。

2.1 工程現(xiàn)場(chǎng)狀況

該項(xiàng)目建筑面積約為74000m2，基坑深度為9m。受周?chē)鷹l件限制，有部分放坡空間，可采用1:0.5 坡率進(jìn)行開(kāi)挖放坡。坡頂為臨時(shí)施工便道，過(guò)往載土施工車(chē)輛。

2.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)基坑邊坡勘察資料，場(chǎng)地主要為素填土及可塑粉質(zhì)黏土，上覆素填土平均厚度約1m，可塑粉質(zhì)粘土厚9～10m，下伏中風(fēng)化泥巖，地基處的土質(zhì)分布較均勻。素填土重度r=16.7kN/m3，粘聚力c=12kpa,內(nèi)摩擦角φ=10°，可塑粉質(zhì)粘土重度r=21.0kN/m3粘聚力c=42kpa,內(nèi)摩擦角φ=10°。

3 基坑邊坡穩(wěn)定性分析

通過(guò)簡(jiǎn)化bishop 法對(duì)該基坑邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析,穩(wěn)定系數(shù)Fs=1.23，滿足穩(wěn)定性要求。但該邊坡為土質(zhì)邊坡，降水對(duì)土體力學(xué)參數(shù)的影響較大，且場(chǎng)地施工條件較復(fù)雜，坡頂受臨時(shí)施工道路影響荷載較大，故考慮上述兩種不利因素，折減力學(xué)參數(shù)，取可塑粉質(zhì)粘土重度r=21.0kN/m3粘聚力c=35kpa,內(nèi)摩擦角φ=8°，重新計(jì)算穩(wěn)定性Fs=1.02，為欠穩(wěn)定狀態(tài)。

4 錨拉支護(hù)在基坑邊坡支護(hù)中的計(jì)算

4.1 錨拉支護(hù)中錨索自由段長(zhǎng)度的確定

選擇錨拉支護(hù)的方式時(shí)需要對(duì)錨桿（索）自由段的長(zhǎng)度進(jìn)行一定量的確定，一般情況下，要按照有關(guān)的公式對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，我們對(duì)有關(guān)的資料進(jìn)行了分析，可以得出下列的結(jié)論：影響錨桿（索）自由段長(zhǎng)度的因素主要有兩種，這兩種因素分別是滑動(dòng)面的實(shí)際距離以及錨桿（索）在土體中的入射角度。具體的計(jì)算公式如下所示，

式中： ls——錨桿非錨固段長(zhǎng)度（m）

a——錨桿傾角（°）

a1——錨桿的錨頭中點(diǎn)至基坑底面的距離（°）

a2——基坑底面至基坑外側(cè)主動(dòng)土壓力強(qiáng)度與基坑內(nèi)側(cè)被動(dòng)土壓力強(qiáng)度等值點(diǎn)O 的距離（m）；對(duì)成層土，當(dāng)存在多個(gè)等值點(diǎn)時(shí)應(yīng)按其中最深的等值點(diǎn)計(jì)算；

d ——擋土構(gòu)件的水平尺寸（m）

jm——O 點(diǎn)以上各土層按厚度加權(quán)的等效內(nèi)摩擦角（°）。

4.2 錨拉支護(hù)下錨索錨固段長(zhǎng)度的確定

與錨拉支護(hù)下拉桿自由段長(zhǎng)度的確定相同，錨固段長(zhǎng)度的確定也需要進(jìn)行公式的計(jì)算，具體的計(jì)算公式如下所示：

d ——錨桿的錨固直徑（m）

li——錨桿的錨固段在第i 層土中的長(zhǎng)度（m）

qsk——錨固段與第i 層土的極限粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（kpa）

5 有限元基本問(wèn)題分析

5.1 有限元法概述

現(xiàn)階段，工程項(xiàng)目在進(jìn)行的過(guò)程中使用有限元的方式對(duì)支護(hù)方式進(jìn)行確定十分的常見(jiàn)，最近幾年來(lái)使用最廣泛的有限元的方式為ABAQUS 有限元法。最經(jīng)典的方法為“強(qiáng)度折減法”。也就是說(shuō)，通過(guò)折減模型材料的粘聚力和摩擦角，觀察模型的塑性區(qū)發(fā)展和剪切變形程度。

5.2 有限元法特點(diǎn)

應(yīng)用此種方式進(jìn)行計(jì)算時(shí)，需要考慮四個(gè)關(guān)鍵的特點(diǎn)，這四個(gè)特點(diǎn)分別是：（1）要降低支護(hù)結(jié)構(gòu)以及排水體系對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的影響，建筑物在修筑的過(guò)程中，周?chē)临|(zhì)的情況對(duì)建筑物質(zhì)量的影響程度較大，因此，選擇支護(hù)方式時(shí)要注重對(duì)土質(zhì)結(jié)構(gòu)的保護(hù)；（2）要嚴(yán)格的按照有關(guān)公式的計(jì)算確定剪脹角的度數(shù)，沒(méi)有特殊要求的情況下，要將剪脹角的度數(shù)限制在零左右，以此來(lái)提高精準(zhǔn)程度；（3）有限元模擬方式的選擇也非常的重要，現(xiàn)階段，使用最廣泛的有限元模擬方式是三維有限元模擬法，三維有限元模擬法對(duì)提高邊坡穩(wěn)定性有非常重要的作用，但是需要特別注意的是，選擇有限元模擬方式時(shí)應(yīng)該按照對(duì)稱(chēng)性的工作原理；除此之外，周?chē)寥澜Y(jié)構(gòu)的限制能力也應(yīng)該考慮進(jìn)內(nèi)。在應(yīng)用不同的支護(hù)方式時(shí)應(yīng)該選擇不同的支護(hù)方案，支護(hù)方案的確定非常的重要，要根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況進(jìn)行確定。

5.3 有限元分析確定滑動(dòng)面

在應(yīng)用有限元分析自然放坡時(shí)，需要對(duì)滑動(dòng)面進(jìn)行確定，在對(duì)滑動(dòng)面進(jìn)行確定時(shí)需要考慮多種因素，采用極限平衡分析的方法可以提高滑動(dòng)面確定的精準(zhǔn)程度，一般情況下，滑動(dòng)面的形狀以圓弧狀為主，在確定滑動(dòng)面時(shí)，我們需要應(yīng)用到不同的軟件，現(xiàn)階段，使用最廣泛的軟件技術(shù)為 ABAQUS 軟件。

6 結(jié)束語(yǔ)

在計(jì)算基坑邊坡穩(wěn)定性時(shí)需要考慮多種不利的因素，不僅要考慮周?chē)牡刭|(zhì)情況，還需要考慮施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況。以工程項(xiàng)目為研究實(shí)例進(jìn)行分析，通過(guò)采用有限元的方式對(duì)其進(jìn)行了分析，選擇了錨拉支護(hù)的方式。