應(yīng)變局部化理論在基坑設(shè)計中的應(yīng)用

陳祖樹

摘要：基坑設(shè)計是現(xiàn)階段建筑工程施工建設(shè)中的一個重點內(nèi)容，其設(shè)計質(zhì)量不僅影響到建筑工程整體質(zhì)量，同時也對建筑工程的安全性、穩(wěn)定性有著直接的影響。本文先對黏性土剪切變形規(guī)律以及應(yīng)變局部理論進行探討，并結(jié)合工程案例對應(yīng)變局部化理論在基坑設(shè)計中的應(yīng)用進行分析。

關(guān)鍵詞：基坑設(shè)計；應(yīng)變局部化理論；具體應(yīng)用

引言

基坑工程的設(shè)計水平與建筑施工質(zhì)量有著較為緊密的聯(lián)系，一旦基坑工作出現(xiàn)問題，將導(dǎo)致建筑工程出現(xiàn)質(zhì)量問題。近幾年來，伴隨著國內(nèi)建筑行業(yè)的快速發(fā)展，基坑設(shè)計水平得到了顯著提升。對于黏性土等復(fù)雜地質(zhì)條件的基坑工程設(shè)計工作來說，要注重應(yīng)變局部理論的應(yīng)用，進而提升基坑設(shè)計的質(zhì)量與效果。

1.黏性土剪切形成的規(guī)律分析

在進行黏性土基坑工程的設(shè)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(xiàn)場的黏性土土樣進行相應(yīng)的應(yīng)變壓縮試驗。在進行試驗的過程中，不僅要對黏性土的常規(guī)參數(shù)進行統(tǒng)計，同時還要對土樣的側(cè)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(dǎo)之下，在進行黏性土的分析過程中，數(shù)據(jù)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(yīng)力峰值等內(nèi)容進行研究。大量的實驗表明，對于剪切帶開始時的分叉應(yīng)變量來說，其數(shù)值明顯小于應(yīng)變峰值時出現(xiàn)的相關(guān)應(yīng)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(yīng)力峰值時出現(xiàn)的應(yīng)變力。但是，剪切帶完全形成之后，這時所產(chǎn)生的應(yīng)變值始終超過峰值時所表現(xiàn)出的應(yīng)變值。

2.應(yīng)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(cè)向變形應(yīng)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(guī)律：一方面，土樣在加荷的初期出現(xiàn)了均勻的側(cè)向膨脹現(xiàn)象，并且當(dāng)豎向應(yīng)變值達到某一數(shù)值時，土樣一端的側(cè)向膨脹變形速率出現(xiàn)了顯著的加劇現(xiàn)象，而對于土樣另一端側(cè)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(yīng)變和橫向應(yīng)變的曲線存在著明顯的分叉現(xiàn)象，并且所對應(yīng)的豎向應(yīng)變與剪切帶逐漸地形成了特征應(yīng)變，這也就是分叉應(yīng)變。試驗過程中，隨著土樣局部區(qū)域變形的逐步加劇，土樣出現(xiàn)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(yīng)變局部化理論的物理描述

對于應(yīng)變局部化現(xiàn)象而言，它在力學(xué)方面被描述成一個相對狹窄的應(yīng)變集中區(qū)域。之后，在根據(jù)連續(xù)介質(zhì)細(xì)觀力學(xué)進行相應(yīng)的定義。在這個區(qū)域中，相應(yīng)的變形率與帶外區(qū)域有著明顯的不同，并且這一區(qū)域的變形場存在著不均勻的現(xiàn)象。但是，對于帶外區(qū)域變形場來說卻始終保持連續(xù)。就土體應(yīng)變局部化最常見的現(xiàn)象而言，主要在宏觀剪切帶中出現(xiàn)，并且這一過程中速度場通過剪切帶始終保持連續(xù)。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(shè)x2是剪切帶的法線方向，那么在這一局部坐標(biāo)體系中，剪切帶內(nèi)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(shè)計分析

隨著國內(nèi)建筑行業(yè)的不斷發(fā)展，支護基坑工程的設(shè)計計算理論也逐漸趨于完善。近幾年來，我國關(guān)于基坑設(shè)計的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)逐漸出臺，這也極大地提升了基坑設(shè)計工作的質(zhì)量與水平。但是，在進行基坑支護工程的設(shè)計中，基坑工程大多被視為一些臨時性的工程，并且設(shè)計過程中所取的相關(guān)安全系數(shù)較低。另外，由于受到施工現(xiàn)場地質(zhì)、水文條件的影響，導(dǎo)致了基坑工程經(jīng)常出現(xiàn)坍塌事故。這樣一來，不僅不利于建筑工程施工質(zhì)量的提升，同時也嚴(yán)重的威脅到了廣大人民群眾的生命與財產(chǎn)安全。因而，在進行基坑設(shè)計時，要注重一些細(xì)節(jié)性問題的處理，同時還要對基坑位移變形狀況進行嚴(yán)格的監(jiān)測與控制。對于復(fù)雜地質(zhì)條件下的基坑設(shè)計來說，要注重應(yīng)變局部變形理論的應(yīng)用，并且要根據(jù)施工現(xiàn)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(shè)計質(zhì)量，確保建筑工程的安全性與穩(wěn)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(xiàn)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(qū)間內(nèi)，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(jié)構(gòu)采用了多種形式。

4.2基坑穩(wěn)定性的驗算

在進行基坑穩(wěn)定性的驗算工作中，嚴(yán)格按照土體峰值應(yīng)力變化時的剪切強度以及土體抗剪強度指標(biāo)展開相關(guān)的計算工作，并且計算過程中相關(guān)參數(shù)如下表1所示。

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

4.3基于基坑設(shè)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(zhì)上是一種近似數(shù)值估算的計算方法，該理論需要建立在力學(xué)模型的基礎(chǔ)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(wěn)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(lián)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(cè)坑壁約束力相對較小。因此，在進行數(shù)據(jù)分析工作時，可以認(rèn)為它們之間是不會受到相鄰基坑的影響。

4.3.2結(jié)果分析

試驗過程中，工作人員通過建立結(jié)構(gòu)模型并采用有限元理論進行分析。通過相關(guān)數(shù)據(jù)的研究，可以得出以下幾點結(jié)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(shù)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(dǎo)致了基坑的受力狀況發(fā)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(jié)果進行分析，并且考慮到土體局部化的條件，得出土體所產(chǎn)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(yīng)變局部化的影響較為明顯，因而技術(shù)人員要對這一問題引起重視。

結(jié)語

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