均質(zhì)邊坡在開挖過程中的變形規(guī)律研究

魏 蕓

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222）

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均質(zhì)邊坡在開挖過程中的變形規(guī)律研究

魏 蕓

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222）

針對實際工作中發(fā)現(xiàn)有的邊坡位移遠遠超出設計預警但仍然穩(wěn)定，而有的邊坡變形很小卻突然失穩(wěn)的現(xiàn)象，運用Plaxis2D軟件對均質(zhì)土坡作了一般性規(guī)律研究，其結(jié)論可為類似工程提供參考。

均質(zhì)土坡；變形；Plaxis2D；小應變土體硬化模型

引 言

邊坡設計中經(jīng)常需要給出變形預警值，當變形速率或總變形達到或超過該值時認為有失穩(wěn)跡象。但實踐中有的邊坡位移遠遠超出設計預警，卻仍然穩(wěn)定，而有的邊坡變形很小卻突然失穩(wěn)。可見不同土質(zhì)的邊坡變形規(guī)律不能一概而論。

變形對彈性力學而言只與剛度及泊松比有關(guān)，且剛度始終不變，而塑形力學中剛度不僅受材料強度影響，也隨應力改變。因此，邊坡變形的研究必須選擇一種能夠較好反應土體性能的本構(gòu)關(guān)系。

1 研究方法及軟件簡介

工程中通常應用較多的是摩爾-庫倫模型，它參數(shù)簡單，數(shù)量少，在工程應用過程中也獲得了大量的經(jīng)驗。但該模型是理想塑性模型，屈服面固定，即屈服面是由模型參數(shù)完全定義的，不受（塑性）應變的影響。對于由屈服面內(nèi)的點所表示的應力狀態(tài)，其行為是完全彈性的且所有應變都是可逆的。

Plaxis軟件由荷蘭開發(fā)，目前已經(jīng)成為世界范圍內(nèi)知名的巖土工程有限元分析軟件，主要用于解決巖土工程的變形、穩(wěn)定性及地下水滲流等問題，計算功能強大、運算穩(wěn)定、界面友好。小應變土體硬化（HSS）模型是Plaxis近幾年研發(fā)的新的土體本構(gòu)模型，它的屈服面在主應力空間中不是固定的，而是隨著塑性應變的發(fā)生而擴張。硬化可分為剪切硬化和壓縮硬化，剪切硬化用于模擬主偏量加載帶來的不可逆應變，壓縮硬化用來模擬各向同性加載中主壓縮帶來的不可逆塑性應變。該模型采用的是塑性理論，且考慮了土的剪脹性，它的基本特征如下：

1）土體剛度應力相關(guān)，用參數(shù)m反應（對于軟粘土m取1，對于砂土和粉土m通常取0.5）。

5）依據(jù)摩爾-庫倫模型的破壞模式，輸入?yún)?shù)c、j、Ψ。

7）剪切應變水平γ0.7，即割線模量 Gs減小到0.722G0時所對應的剪切應變。

G0和γ0.7主要受材料應力狀態(tài)和孔隙比e的影響。G0的應力相關(guān)性表現(xiàn)如下：

實際上土體剛度為完全彈性的應變范圍十分狹小，隨著應變范圍的擴大，土體剛度會顯示非線性，通過經(jīng)典試驗在實驗室中測得的剛度參數(shù)，三軸試驗和普通固結(jié)試驗所測得的土體剛度已經(jīng)不到初始剛度的一半。運用小應變土體硬化模型比摩爾庫倫模型能得到更為切合實際的變形。因此，結(jié)合實際工程應用Plaxis2D研究邊坡開挖過程中的變形規(guī)律可行。

2 變形規(guī)律研究

對問題的簡單化的一般性規(guī)律研究往往有助于清晰條理的認識一個表面上看來比較復雜的問題。下面針對均質(zhì)粘性和無粘性邊坡研究開挖過程變形的一般規(guī)律。

2.1 粘性土均質(zhì)土坡分析

假定每10天挖1 m（這里的時間僅用來表征位移曲線的橫軸，并不影響位移的大?。?。水平位移如圖1所示。

圖1　水平位移等值線

開挖過程中，Ux（坡肩水平位移）隨時間的變化曲線如圖2所示。

圖2　Ux-t關(guān)系曲線（粘土）

可見，粘土在開挖過程中，Ux-t曲線沒有明顯拐點。以相對剪應力relt 大于0.8的區(qū)域發(fā)展表征土體的剪切破壞過程如圖3所示。

圖3　破壞區(qū)發(fā)展過程

開挖到10 m時的增量位移云圖表征著破壞已經(jīng)發(fā)生。

圖4　破壞時的增量位移

圖5　安全系數(shù)

邊坡開挖到3 m、6 m、8 m時安全系數(shù)分別為1.97、1.32、1.13。

2.2 砂性土均質(zhì)土坡分析

假定每開挖1 m需要10天，開挖3 m、6 m、8 m、9 m時水平位移如圖6所示。

圖6　塑形點分布

由塑形點分布可見，坡肩拉伸破壞點范圍逐步由表層向深層發(fā)展。安全系數(shù)從1.6下降到1.2，再下降到1.1，開挖深度為9 m時安全系數(shù)小于1。

圖7　安全系數(shù)

圖8　Ux-t關(guān)系曲線（砂土）

表層6 m開挖時，Ux-t曲線基本保持直線，土體完全保持彈性狀態(tài)，之后繼續(xù)開挖至深度8 m時，Ux迅速增大，安全系數(shù)降為1.1，進一步開挖邊坡失穩(wěn)。相對剪應力等于1時認為土體所受最大剪應力達到了抗剪強度，相對剪應力大于0.8的區(qū)域發(fā)展狀況可以用來表征破壞區(qū)的發(fā)展過程，如圖9所示。

圖9　砂性土土坡破壞區(qū)發(fā)展過程

最后一步的增量位移也表征著邊坡失穩(wěn)。

圖10　開挖到9 m時的增量位移

表1　均質(zhì)土坡計算結(jié)果統(tǒng)計

圖11　水平位移與安全系數(shù)的關(guān)系

將均質(zhì)粘土邊坡和均質(zhì)砂土邊坡的計算結(jié)果見表1，隨著位移的發(fā)生安全系數(shù)的變化見圖11。

可見，與砂土相比，粘土在開挖過程中，土坡水平位移較大，同樣從安全系數(shù)1.6降到1.1，粘土發(fā)生的位移量有160 mm左右，而砂土只有6 mm左右。可見粘性土的破壞表現(xiàn)出更多的“延展性”，而且位移隨時間的變化沒有明顯拐點，但由于位移較大坡肩位置常出現(xiàn)拉裂縫，工程中也有驗證（圖12）。而砂土在位移較小時就發(fā)生滑動，表現(xiàn)出更多的“脆性”破壞特征。

圖12　粘性土坡滑坡時的裂縫

3 結(jié) 論

純粹以位移大小及位移速率來判斷某一土坡的穩(wěn)定與否是不符合實際的，粘土土坡破壞前坡肩位置會有一定深度的拉裂縫產(chǎn)生，而砂土土坡在破壞前位移曲線會有明確的拐點，但一般位移較小，數(shù)據(jù)觀測頻率要求較高。針對某一具體土坡應該通過詳細的分析確定破壞是否發(fā)生，也可以隨時跟蹤實測數(shù)據(jù)反推計算參數(shù)是否符合實際。

［1]劉國彬， 王衛(wèi)東. 基坑工程手冊: 第二版［M］. 中國建筑工業(yè)出版社， 2009.

［2]林宗元. 國內(nèi)外巖土工程實例和實錄選編［M］. 遼寧科學技術(shù)出版社， 1992.

［3]北京金土木軟件技術(shù)有限公司. PLAXIS巖土工程軟件使用指南［M］. 人民交通出版社， 2008.

Research on Deformation Law of Homogeneous Slope in Process of Excavation

Wei Yun
（CCCC First Harbor Consultants Co.， Ltd.， Tianjin 300222， China）

It is found that some slope is still stable when its displacement is far beyond the design warning limit. In contrast， a little displacement causes sudden destabilization of other slopes. The software Plaxis2D is used to research the general law of homogeneous soil slope. The conclusion can provide

for similar projects.

homogeneous soil slope； deformation； Plaxis2D； small strain soil-hardening model

U418.5+2

A

1004-9592（2016）03-0037-04

10.16403/j.cnki.ggjs20160310

2016-03-21

魏蕓（1981-），女，博士，高級工程師，主要從事港口工程軟基處理及碼頭結(jié)構(gòu)數(shù)值分析。