黃土地區(qū)基坑開(kāi)挖對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響分析

梁瀟文 張福龍

(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714000)

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黃土地區(qū)基坑開(kāi)挖對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響分析

梁瀟文 張福龍

(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714000)

采用大型模型試驗(yàn)和結(jié)構(gòu)有限元分析軟件ANSYS，分析了某邊坡的穩(wěn)定性，在模型箱中埋入土壓力盒，測(cè)定邊坡開(kāi)挖前后土體應(yīng)力的變化情況，并通過(guò)殺死單元的方式模擬了基坑開(kāi)挖過(guò)程，得到邊坡開(kāi)挖前后位移以及應(yīng)力變化，經(jīng)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬比較表明，基坑開(kāi)挖過(guò)程既是卸載的過(guò)程同時(shí)也破壞了土體原有結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

邊坡，有限元模型，基坑，應(yīng)力

0 引言

目前邊坡在施工開(kāi)挖的過(guò)程中很容易造成滑坡，特別是對(duì)于深挖路塹高邊坡，邊坡開(kāi)挖對(duì)邊坡的穩(wěn)定性有較大的影響，目前，更多的研究集中在邊坡開(kāi)挖之后，土體因載荷變化而引起的穩(wěn)定性問(wèn)題，研究表明邊坡開(kāi)挖后土體自身是一個(gè)卸載過(guò)程，很容易引起滑坡，并已成為影響邊坡穩(wěn)定性的重要因素之一，本文結(jié)合蘭州市城市規(guī)劃展覽館基坑開(kāi)挖工程，通過(guò)大型載荷試驗(yàn)和大型結(jié)構(gòu)有限元軟件ANSYS對(duì)邊坡進(jìn)行分析，在模型箱中埋入土壓力盒，測(cè)定邊坡開(kāi)挖前后土體應(yīng)力的變化情況，同時(shí)通過(guò)大型結(jié)構(gòu)有限元軟件ANSYS模擬開(kāi)挖前后土體應(yīng)力和位移的變化情況，分析邊坡開(kāi)挖后土坡的穩(wěn)定性，研究結(jié)果對(duì)同類(lèi)型工程有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。

1 工程概況

蘭州市城市規(guī)劃展覽館場(chǎng)地位于蘭州市城關(guān)區(qū)北濱河路南側(cè)，東臨蘭州市自然能源研究所，南臨黃河。建設(shè)用地總面積約17畝，總建筑面積約15 000 m2?；用娣e約4 900 m2。擬建物地上5層，地下1層，該場(chǎng)地較開(kāi)闊，南側(cè)地面高程在1 513.59 m～1 513.90 m之間，高差0.31 m，場(chǎng)地中部及北側(cè)地面高程在1 515.13 m～1 516.13 m之間，高差1.00 m。地貌單元屬黃河北岸河漫灘及Ⅰ級(jí)階地交匯部位。據(jù)相關(guān)方介紹及現(xiàn)場(chǎng)勘查，該基坑南側(cè)緊鄰黃河，在河堤人行道下方有一道天然氣管線(xiàn)，埋深約1.5 m，該管線(xiàn)在基坑開(kāi)挖前將移至本次開(kāi)挖基坑北側(cè)，新管線(xiàn)距基坑上口線(xiàn)約3.3 m，埋深約1.5 m；東側(cè)基坑上口線(xiàn)距離馬路約25 m，有一條東西向管線(xiàn)垂直基坑邊線(xiàn)，埋深約1 m，管徑約1 m；北側(cè)基坑上口線(xiàn)距離馬路約6.7 m，此外據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查，分別有一條給水管線(xiàn)(埋深約1.7 m，管徑約0.5 m)和一條排水管線(xiàn)(埋深約5 m，管徑約1 m)與坑壁平行，緊靠北側(cè)地下車(chē)庫(kù)；基坑西側(cè)場(chǎng)地較簡(jiǎn)單，無(wú)建筑物，但是上述管線(xiàn)均由東向西穿過(guò)，不排除基坑場(chǎng)地內(nèi)埋有管線(xiàn)的可能。

2 模型試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)裝置

根據(jù)相似比要求，模型試驗(yàn)與工程實(shí)體應(yīng)該滿(mǎn)足尺寸相似、荷載相似以及邊界條件相似的原理，本文模型實(shí)驗(yàn)相似比取1∶10，其余條件與實(shí)際工程條件保持一致，試驗(yàn)裝置主要分兩部分介紹，第一部分是模型箱，試驗(yàn)采用長(zhǎng)200 cm寬100 cm高100 cm的自制模型箱,見(jiàn)圖1,第二部分是模型試驗(yàn)土體，試驗(yàn)選用的土體為蘭州市城市規(guī)劃展覽館場(chǎng)地的原狀粘土，具體模型試驗(yàn)土體的物理參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 模型試驗(yàn)土體的物理力學(xué)參數(shù)

2.2 模型測(cè)試內(nèi)容說(shuō)明

模型土壓力測(cè)試，當(dāng)被測(cè)結(jié)構(gòu)物內(nèi)土應(yīng)力發(fā)生變化時(shí)，土壓力計(jì)感應(yīng)板同步感受應(yīng)力的變化，感應(yīng)板將會(huì)產(chǎn)生變形，變形傳遞給振弦轉(zhuǎn)變成振弦應(yīng)力的變化，從而改變振弦的振動(dòng)頻率,土體從上到下分別在0.1 m,0.3 m,0.5 m,0.7 m,0.9 m處埋入土壓力盒，通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)連接到靜態(tài)應(yīng)變儀上來(lái)測(cè)試模擬開(kāi)挖前后各層土壓力的變化值。

2.3 模型試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)埋入土中的土壓力盒測(cè)定水平土壓力值，從圖2數(shù)據(jù)可以看出開(kāi)挖前水平應(yīng)力大致呈線(xiàn)性狀態(tài)，土中水平應(yīng)力呈均勻增大，而開(kāi)挖后水平方向的應(yīng)力有所增大，這是因?yàn)檫吰麻_(kāi)挖后應(yīng)力釋放的結(jié)果，同時(shí)從圖3可以看出靠近坡頂?shù)奈恢脩?yīng)力增加比較明顯，這是應(yīng)力集中的表現(xiàn)。

3 數(shù)值模擬

3.1 有限元模型的建立

結(jié)合實(shí)例建立平面有限元模型，如圖4所示，模型尺寸：長(zhǎng)2.0 m，寬1.0 m，坡度為1∶0.5；邊界條件：上部為自由邊界，左右兩側(cè)水平約束，下邊界水平與豎直方向同時(shí)約束，土體施加重力荷載。計(jì)算采用的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

3.2 施工過(guò)程模擬

本次計(jì)算主要分析基坑開(kāi)挖的過(guò)程，首先模擬土體在自重下的初始應(yīng)力，然后再計(jì)算開(kāi)挖后的土體應(yīng)力，邊坡開(kāi)挖后所施加的節(jié)點(diǎn)力見(jiàn)表2，即將需要開(kāi)挖的部分單元“殺死”，然后進(jìn)行迭代計(jì)算，通過(guò)ANSYS模擬可以很好的分析基坑開(kāi)挖的過(guò)程，單元被殺死后，單元荷載將變?yōu)?。

表2 開(kāi)挖后節(jié)點(diǎn)力

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

1)開(kāi)挖前后土體地層變形分析。由圖5可以看出土體在重力作用下的變形為0.19 mm，而開(kāi)挖后土體變形為0.85 mm，總變形量反而增大，說(shuō)明邊坡開(kāi)挖對(duì)于土體是一個(gè)卸載的過(guò)程，使得土體開(kāi)挖后變形增大。

2)開(kāi)挖前后X方向位移變形分析。圖6分別表示土體邊坡開(kāi)挖前后X方向的位移變化，X方向的位移由自重作用下的0.000 94 mm變?yōu)?.13 mm，說(shuō)明開(kāi)挖后X方向的位移增大，再次說(shuō)明邊坡開(kāi)挖對(duì)于邊坡來(lái)說(shuō)是卸載的過(guò)程，導(dǎo)致邊坡位移增大。

3)開(kāi)挖前后X方向應(yīng)力分析。圖7分別表示土體邊坡開(kāi)挖前后X方向應(yīng)力的變化，應(yīng)力由開(kāi)挖前的-316.87 MPa變?yōu)? 852.22 MPa，直觀(guān)的說(shuō)明了邊坡開(kāi)挖是應(yīng)力釋放的過(guò)程。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果分析比較得到以下結(jié)論：

1)基坑開(kāi)挖后的地層變形值大于開(kāi)挖前的值，而且X方向的位移值還大于未開(kāi)挖基坑的值,這說(shuō)明基坑開(kāi)挖對(duì)于邊坡相當(dāng)于是一個(gè)卸載的過(guò)程，開(kāi)挖后X方向的應(yīng)力大于開(kāi)挖前應(yīng)力也說(shuō)明了這一點(diǎn)。

2)從邊坡開(kāi)挖過(guò)程仿真分析地層變形和位移結(jié)果可以看出：最大變形為0.85 mm,而X方向的最大位移為0.13 mm(開(kāi)挖后的值)，在初始應(yīng)力場(chǎng)下的位移為0.000 94 mm,所以最后X方向位移為0.129 mm,說(shuō)明邊坡橫向位移很小，邊坡不會(huì)滑移，是穩(wěn)定的。

3)從邊坡開(kāi)挖后的地層變形圖可以看出土體向上聳起，這也是應(yīng)力釋放的表現(xiàn)。

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Analysis on the impact of foundation excavation of loose region upon slope stability

Liang Xiaowen Zhang Fulong

(ShaanxiInstituteofTechnologyofProfessionofRailwayEngineering,Weinan714000，China)

A large scale model test and finite element analysis software ANSYS to analyze the stability of side slope, soil pressure box buried in the model box, the measurement of the change of the slope before and after excavation of soil stress, at the same time by killing the unit to simulate the excavation process. Get the slope before and after excavation displacement and stress change, through experiments and numerical simulation analysis and comparison can be seen in the excavation process is the unloading process also destroys the stability of soil structure.

slope, finite element model, foundation, stress

1009-6825(2017)13-0079-03

2017-02-26

梁瀟文(1986- )，女，助教

TU472

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