邊坡失穩(wěn)框架結(jié)構(gòu)的安全評估及施工建議

趙瑩

黃淮學(xué)院建筑工程學(xué)院（463000）

邊坡失穩(wěn)框架結(jié)構(gòu)的安全評估及施工建議

趙瑩

黃淮學(xué)院建筑工程學(xué)院（463000）

隨著山區(qū)景點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目的不斷開發(fā)，在邊坡上建設(shè)辦公樓及娛樂設(shè)施時(shí)有發(fā)生，而既建結(jié)構(gòu)整體安全評估因缺乏相應(yīng)規(guī)范一直是工程界的難點(diǎn)之一。文中依托某粉質(zhì)邊坡預(yù)修建六層框架辦公樓工程實(shí)例，采用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)分析等方法，對預(yù)建建筑結(jié)構(gòu)和粉質(zhì)邊坡的整體安全穩(wěn)定性進(jìn)行研究。并計(jì)算出安全系數(shù)，以便為同類工程實(shí)踐提供一定程度上的參考。

邊坡；強(qiáng)度折減；破壞過程；安全系數(shù)

0 引言

邊坡穩(wěn)定性分析涉及公路、水電、土建等諸多工程領(lǐng)域，是巖土力學(xué)問題研究的重要環(huán)節(jié)內(nèi)容[1]，亦是工程界研究的重要內(nèi)容之一。邊坡穩(wěn)定性的分析方法較多，主要包括理論分析、模型實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬。理論分析較難準(zhǔn)確反映實(shí)際工況，模型實(shí)驗(yàn)多少縮尺模型[2]，材料的相似性和滑坡機(jī)理較難準(zhǔn)確量化。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)值模擬成為工程界研究邊坡的一個(gè)重要趨勢。

結(jié)合強(qiáng)度折減法建立有限元模型，通過不斷折減巖土強(qiáng)度參數(shù)黏聚力和摩擦角來計(jì)算邊坡失穩(wěn)時(shí)的安全系數(shù)[3]。失穩(wěn)判斷主要從兩個(gè)方面綜合考慮：一是有限元計(jì)算不收斂；二是形成貫通的塑性變形區(qū)。利用有限元計(jì)算安全系數(shù)分為兩種：局部安全系數(shù)和整體安全系數(shù)，邊坡穩(wěn)定性分析多考慮局部安全系數(shù)。通過有限元計(jì)算邊坡的安全系數(shù),可以對易發(fā)生滑坡災(zāi)害的邊坡提出相應(yīng)的加固措施。

這里結(jié)合某土質(zhì)邊坡上6層框架辦公樓工程實(shí)例，建立二維有限元模型，對修建結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)。

1 工程概況

圖1 立面示意圖

某地區(qū)邊坡上建6層框架辦公樓，框架1～2層混凝土等級為C35，3～6層混凝土等級為C30?；A(chǔ)采用柱下鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)?？蚣芘c邊坡位置剖面圖如圖1所示。

邊坡巖體彈性模量E=120 MPa，泊松比V= 0.32，黏聚力c=13 KPa，摩擦角=22°。

2 有限元模型建立

采用大型通用有限元分析軟件ABAQUS建立模型。模型尺寸參考圖2。為反映邊坡強(qiáng)度折減中破壞面應(yīng)力集中和位移變化特征，將模型單元局部網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化。邊坡采用CPE4R（平面應(yīng)變縮減實(shí)體單元）模擬，框架采用BEAM（梁）單元模擬；模型采用STRUCTURE(結(jié)構(gòu)化分析)劃分網(wǎng)格；模型邊界條件采用固定約束，兩側(cè)限制法向位移。模型網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖2 Mohr-Coulomb模型中的屈服面

圖3 模型網(wǎng)格圖

模型荷載示意圖如圖4所示。邊坡主要考慮巖體自重，建筑物結(jié)構(gòu)僅考慮自重荷載，對于地震等復(fù)雜工況下的荷載組合暫不考慮。有限元模型計(jì)算中，邊坡巖體采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，其他結(jié)構(gòu)采用線彈性本構(gòu)模型。

圖4 模型荷載圖

Mohr-Coulomb屈服面函數(shù)為：

式中：φ摩擦角，c為黏聚力，Rmc是控制屈服面在P平面上形狀的函數(shù)，q是剪應(yīng)力，p是平均主應(yīng)力。

3 邊坡失穩(wěn)框架結(jié)構(gòu)安全評估

邊坡強(qiáng)度失穩(wěn)破壞的判據(jù)：

1）結(jié)構(gòu)面出現(xiàn)較大位移，且位移變化趨勢處于自由狀態(tài)；

2）形成貫通的塑性區(qū)；

3）有限元計(jì)算不收斂。

安全系數(shù)定義：邊坡強(qiáng)度參數(shù)由c和φ折減到c'和φ'，則相應(yīng)的安全系數(shù)為：

圖5 位移等值線云圖

圖5是邊坡失穩(wěn)時(shí)的位移云圖，從圖5可知：左側(cè)邊坡形成貫通的位移面，且在底角出現(xiàn)最大位移值20 mm；位移滑動面基本位于既建建筑物的樁基下面。圖6是邊坡失穩(wěn)時(shí)的塑性區(qū)云圖。結(jié)合圖6可知：邊坡失穩(wěn)時(shí)的破壞面最早位于左側(cè)坡腳。從圖7計(jì)算安全系數(shù)與坡腳位移曲線可知，拐出現(xiàn)點(diǎn)時(shí)對應(yīng)的安全系數(shù)為0.72。為保證既建6層框架結(jié)構(gòu)安全，建議施工前采用相應(yīng)的加固措施。

圖6 塑性區(qū)云圖

圖7 Fr與U1的變化關(guān)系

4 安全施工建議

為保證建筑物結(jié)構(gòu)施工、后期使用的安全，建議施工中采取以下主要措施：

施工前制訂完整的專項(xiàng)施工方案，并設(shè)置專門的安全生產(chǎn)人員，對施工人員進(jìn)行崗前培訓(xùn)。

邊坡采用“抗滑樁”進(jìn)行加固，具體施工位置、樁間距或埋深，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場資料進(jìn)行計(jì)算確認(rèn)，并編制方案進(jìn)行專家論證，經(jīng)專家同意后方可施工。

建筑基坑施工過程中，應(yīng)加強(qiáng)基坑支護(hù)，并對邊坡的側(cè)向變形進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)進(jìn)行處理。

5 結(jié)論

結(jié)合工程實(shí)例，建立有限元模型，對既有邊上修建建筑結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行評估，研究得出的主要結(jié)論如下：

通過巖體強(qiáng)度參數(shù)黏聚力和摩擦角，可與直觀揭示邊坡失穩(wěn)破壞的位移特征和塑性滑動面，為邊坡設(shè)計(jì)、施工提供工程實(shí)踐參考數(shù)據(jù)。

評價(jià)結(jié)果表明，在既建建筑物結(jié)構(gòu)荷載的影響下，邊坡整體穩(wěn)定性較差，建議在辦公樓建設(shè)前采取加固措施。

參考文獻(xiàn):

[1]GriffithsDVandLanePA.SloPeStability Analysisby Finite Elements[J].Geoteehnique,1999,49(3)：387-403.

[2]王棟,年廷凱,陳煜淼.邊坡穩(wěn)定有限元分析中的三個(gè)問題[J].巖土力學(xué).2007(1).

[3]周維垣,楊強(qiáng)等.巖石力學(xué)數(shù)值計(jì)算方法7MI.北京：中國電力出版社,2005.