基于強度折減系數(shù)法的基坑數(shù)值仿真分析

趙 川，付建軍，賈檸駿，吳曉旺

（1.武警交通直屬工程部第一工程處,北京 102101;2.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所，武漢 430071; 3.湖南省吉首市保靖縣規(guī)劃辦,吉首 416500 ;4.中鐵五局建筑公司遵義第五分公司，遵義 563000 ）

基于強度折減系數(shù)法的基坑數(shù)值仿真分析

趙 川1，付建軍2，賈檸駿3，吳曉旺4

（1.武警交通直屬工程部第一工程處,北京 102101;2.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所，武漢 430071; 3.湖南省吉首市保靖縣規(guī)劃辦,吉首 416500 ;4.中鐵五局建筑公司遵義第五分公司，遵義 563000 ）

研究表明，由極限平衡法確定的滑動面、安全系數(shù)存在一定誤差，強度折減法以彈塑性力學(xué)為基礎(chǔ)，能準(zhǔn)確給出真實穩(wěn)定系數(shù)的下限。本文以武漢某基坑為例，以強度折減法為基礎(chǔ)，采用flac軟件進行數(shù)值仿真分析，提出了基坑支護的方法，經(jīng)過工程驗證，達到了預(yù)期的支護效果。

極限平衡法；強度折減法；穩(wěn)定系數(shù)；仿真分析

0 前 言

經(jīng)典極限平衡分析法的缺點主要是只適用于均質(zhì)材料，并且通常是根據(jù)邊坡巖體的結(jié)構(gòu)等特征，假想一個滑動面作為危險滑動面，從而計算該假想滑動面相應(yīng)的穩(wěn)定安全系數(shù)。然而，現(xiàn)實中幾乎沒有均質(zhì)的土體，而且計算中要假設(shè)多個危險滑動面進行穩(wěn)定安全系數(shù)的計算，用平面、折線、楔形、圓弧形等常規(guī)的滑動面形式無法反映基坑滑動的真實狀態(tài)[12]。

為了克服和彌補經(jīng)典極限分析法的不足，一種方法是采用彈塑性極限平衡分析法。彈塑性極限平衡法從分析邊坡體的應(yīng)力和變形入手，由邊坡體的應(yīng)力和變形特征來確定邊坡體的極限平衡狀態(tài)，從而避免對邊坡體最小安全系數(shù)的反復(fù)計算及比選，達到減少工作量和提高準(zhǔn)確率的目的。彈塑性極限平衡法中采用強度折減法，在地質(zhì)條件、材料參數(shù)、屈服準(zhǔn)則和本構(gòu)關(guān)系正確的前提下，能夠保證由此得到的穩(wěn)定安全系數(shù)為真實穩(wěn)定安全系數(shù)的下限。彈塑性極限平衡法不必假設(shè)土條間的作用力與破壞面的位置和形狀，因此，該方法能處理復(fù)雜幾何輪廓和邊界條件，有廣泛的適用性和良好的應(yīng)用前景[3][8]。

1 強度折減系數(shù)法

1.1 基本原理

強度折減系數(shù)法認為外荷載保持不變的情況下，邊坡內(nèi)土體所發(fā)揮的最大抗剪強度與外荷載在坡內(nèi)所產(chǎn)生的實際剪應(yīng)力之比，外荷載所產(chǎn)生的實際剪應(yīng)力與抵御外荷載所發(fā)揮的最低強度即按照實際強度指標(biāo)折減后所確定的，實際中得以發(fā)揮的抗剪強度相等。當(dāng)假定邊坡內(nèi)所有土體抗剪強度的發(fā)揮程度相同時，這種抗剪強度折減系數(shù)定義為邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)，由此所確定的安全系數(shù)可以認為是強度儲備安全系數(shù)。在地基極限承載力與傳統(tǒng)邊坡穩(wěn)定性分析中，所采用的傳統(tǒng)安全系數(shù)一般是指荷載增大系數(shù)。

1.2 基本假設(shè)

（1）邊坡巖、土體為理想的彈塑性材料，且本構(gòu)模型為摩爾－庫侖準(zhǔn)則。

（2）失穩(wěn)判斷標(biāo)準(zhǔn)：塑性區(qū)貫通即利用圖形可視化技術(shù)繪制邊坡內(nèi)廣義剪應(yīng)變的分布圖,如果在某一折減系數(shù)下,土體內(nèi)某一幅值的廣義剪應(yīng)變自坡腳底部下方向坡頂上方貫通，則認為此前的折減系數(shù)為安全系數(shù)。

1.3 折減參數(shù)分析

強度折減系數(shù)法的基本原理是將土體參數(shù)C和φ值同時除以一個折減系數(shù)F，得到一組新的C'和φ'值，然后作為新的材料參數(shù)進行試算。當(dāng)邊坡處于臨界狀態(tài)時，即F再稍大一些，邊坡將發(fā)生破壞，對應(yīng)的F被稱為邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)。此時土體即將發(fā)生剪切破壞，即計算結(jié)果是指達到臨界狀態(tài)時的折減系數(shù)F，具體公式為：

2 數(shù)值仿真分析

2.1 工程概況

同時我們亦發(fā)現(xiàn)少數(shù)BF+，AI-2-菌株存在，說明形成BF的形成可能存在其他調(diào)控通路。我們推測AI-2信號是促進BF形成的條件之一，但不是全部條件，CRS表葡菌BF的形成應(yīng)該是多通路共同調(diào)節(jié)。本研究也證實無論何種通路形成BF，鼻淵舒口服液均可有效拮抗。

武漢某基坑工程開挖深度8.0m，周邊環(huán)境條件簡單，擬建場地土層如下，①雜填土，厚度1.6m；②淤泥，厚度2.4m；③粘土，灰褐色—黃褐色，飽和硬塑，厚度2.8m；④粘土，黃褐色，飽和硬塑，厚度2.9m；⑤粘土，黃褐—棕紅色，局部夾礫石；厚度10m。根據(jù)勘察報告，不考慮地下水的影響。

2.2 模型及參數(shù)選擇

計算模型取高度為17.7m，建筑長度取34m，見圖1、圖2，各土層的計算參數(shù)見表1，采用1:1的坡率放坡，計算所得安全系數(shù)。

圖1 基坑模型

圖2 邊界條件

表1 仿真分析計算參數(shù)

2.3 安全系數(shù)穩(wěn)定分析

Flac軟件數(shù)值仿真分析結(jié)果見圖3，極限平衡法分析結(jié)果見圖4，由圖可知，強度折減法計算的最小安全系數(shù)0.93，極限平衡法計算所得最小安全系數(shù)為0.801。安全系數(shù)區(qū)別的原因在于強度折減法考慮了土體強度與變形的關(guān)系，能更真實反應(yīng)土層位移、應(yīng)力場；兩種方法都認為基坑最危險滑動面發(fā)生在基坑上部，且滑動溢出邊界面處在淤泥土層中，認為此基坑不會發(fā)生深層滑動。

圖3 強度折減法安全系數(shù)

圖4 極限平衡法安全系數(shù)

2.4 基坑安全穩(wěn)定控制措施

為了保證安全生產(chǎn)、控制基坑變形，擬采用以下方案：

(2) 在坑邊土體2 3m范圍內(nèi)噴射混凝土進行硬化處理，使鄰空面土體形成整體穩(wěn)定性；

(3) 由計算結(jié)果判定基坑很難產(chǎn)生深層滑動，整個基坑采用1：1放坡并對坡面采用噴射混凝土＋1m短土釘護面。

(4) 在基坑底面、頂面設(shè)置明溝排水；

工程實踐結(jié)果證明，采用以上方法進行基坑支護，能實現(xiàn)預(yù)期支護效果。

3 結(jié)語

（1）極限平衡法屬于剛體力學(xué)范疇，強度折減法屬于變形力學(xué)范疇，由于它考慮了土體強度與變形的關(guān)系，因此理論上能更真實反映出安全系數(shù)的理論精確解。

（2）強度折減法和極限平衡法都是以摩爾－庫侖強度準(zhǔn)則為基礎(chǔ)，都認為土體發(fā)生破壞主要是由于抗剪強度不夠，因此可以采用注漿、打錨桿等措施來增強土體自身、滑動面上抗剪強度。

（3）表層噴射混凝土，使土體由二向應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)槿驊?yīng)力狀態(tài)，土體抗剪強度明顯增加。

[1] GB 50007—2002 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范.

[2] 趙明階,何光春,王多垠.邊坡工程處理技術(shù)[M].北京:人民交通出版社,2003.

[3] 張魯渝,鄭穎人,趙尚毅等.有限元強度折減系數(shù)法計算土坡穩(wěn)定安全系數(shù)的精度研究[J].水利學(xué)報,2003,(1):21～26.

[4] 趙尚毅,鄭穎人,張玉芳.極限分析有限元法講座—Ⅱ有限元強度折減法中邊坡失穩(wěn)的判據(jù)探討[J].巖土力學(xué),2005,26(2):332～336.

[5] 遲世春,關(guān)立軍.基于強度折減的拉格朗日差分方法分析土坡穩(wěn)定性[J].巖土工程學(xué)報,2004,26(1):42～46. [6] 陳祖煜.土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析原理·方法·程序[M].北京:中國水利水電出版社,2003.

[7] 欒茂田,武亞軍,年延凱.強度折減有限元法中邊坡失穩(wěn)的塑性區(qū)判據(jù)及其應(yīng)用[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報,2003,23(3):1～8.

[8] 鄭穎人.巖土材料屈服與破壞及邊(滑)坡穩(wěn)定分析方法研討[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2007, 26(4): 649～661.

Numerical Simulation of Foundation Pit Based on the Shear Strength Reduction

ZHAO Chuan1, FU Jianjun2, JIA Ningjun3, WU Xiaowang4
（1.The First Engineering Section of Traffic Engineering Sector Directly Under the Armed Police Force, Beijing 102101; 2. Institute of Rock and Soil Mechanics, CAS, Wuhan, Hunan 430071; 3. Jishou City, Hunan Province Baojing Country Planning Office, Jishou 416500 4.The Fifth Subcompany of China Railway No.5 Engineering Group Co. Ltd, Zunyi, Guiyang 563000）

The related studies show that the stability coefficient and sliding surface acquired by limit equilibrium method are lack of trueness. Shear strength reduction based on elastic and plastic mechanics can give the lower limit of the realistic stability coeffcient. This paper takes the foundation pit in Wuhan as an example; the numerical simulation is done by the Fast Lagrangian Analysis of continua (FLAC) according to shear strength reduction; at last puts forward a support method for the foundation pits. The engineering practice has proved the support method up to the anticipation effect.

limit equilibrium method; shear strength reduction; stability efficient; numerical simulation

TU431

A

1007-1903（2009）03-0029-03