土與支護結(jié)構(gòu)相互作用及邊坡穩(wěn)定性分析

廖霖

摘要：隨著城市化建設(shè)的發(fā)展，建筑深基坑工程得到了迅速發(fā)展。此種技術(shù)率先出現(xiàn)在北京、上海等大型城市，促進了城市化的發(fā)展，但是由于基坑施工環(huán)境比較惡劣，必須使用支護開挖。文章對基坑工程中土與支護結(jié)構(gòu)的作用和邊坡穩(wěn)定性的數(shù)值分析兩方面進行了介紹。

關(guān)鍵詞：基坑工程；土與支護結(jié)構(gòu)；邊坡穩(wěn)定體系；數(shù)值分析；建筑工程 文獻標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TU472 文章編號：1009-2374（2016）31-0096-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.31.048

隨著地下車庫、地下商場等各種大型建筑物的發(fā)展，基坑支護開始成為主要研究話題。由于我國基坑支護技術(shù)發(fā)展的比較緩慢，而且很多基坑支護工程施工條件都非常復(fù)雜，所以必須進行支護。在建筑行業(yè)的快速發(fā)展下，基坑支護技術(shù)將會得到更加廣泛的應(yīng)用。

1 概述

基坑支護工程是一項比較復(fù)雜的工程，涉及結(jié)構(gòu)力學(xué)、地質(zhì)工程等各個領(lǐng)域。進行基坑施工時，主要進行基坑結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工和土石開挖等部分，各個部分相互作用、相互影響。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，基坑支護具有風(fēng)險大、臨時性、區(qū)域性大、地質(zhì)條件差異大、施工方式多、綜合性強等特點。由于此種工程比較復(fù)雜，進行研究時必須從試驗研究、理論分析和數(shù)值研究等三方面進行。試驗研究主要根據(jù)大量試驗的結(jié)構(gòu)和產(chǎn)生的效應(yīng)，選擇適合基坑工程發(fā)展的支護和開挖方法。理論分析主要以巖石力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)為基礎(chǔ)，對基坑體系進行研究分析。數(shù)值計算是目前常用的操作方法，主要利用具體的數(shù)值對基坑開挖和支護進行分析。這三種方法各有利弊，在實際應(yīng)用中應(yīng)該將三種方法結(jié)合起來進行分析。現(xiàn)階段常用的基坑支護方法主要有傳統(tǒng)方法、改良方法、噴錨網(wǎng)支護法和土釘墻支護法等類型，根據(jù)各地區(qū)環(huán)境、條件等因素，可以針對性選擇操作方法。

2 土與支護結(jié)構(gòu)相互作用

2.1 接觸面的非線形彈性-理想塑性模型

2.1.1 構(gòu)建思想。經(jīng)過對土與支護結(jié)構(gòu)間的相互關(guān)系分析發(fā)現(xiàn)，土與結(jié)構(gòu)之間存在的接觸帶和接觸帶內(nèi)部土體變形已經(jīng)被眾多研究人員所認(rèn)可。當(dāng)接觸帶切向應(yīng)力較小時，會產(chǎn)生剪切變形；強度較大時，切向變形將無限延伸。對基坑支護中土與支護結(jié)構(gòu)研究時，可提出非線性彈性-理想塑性模型。在此模型中，利用雙曲線非線性彈性模型表示屈服前解析表面上非線形剪切特性；利用完全塑性理論對屈服后接觸帶的錯動變形進行表示。

2.1.2 模型NEPP模型彈性塑性矩陣。根據(jù)彈性塑性理論，可以將接觸帶內(nèi)土體的變形劃分成塑性變形和非線形變形兩種，增量可表示為：；接觸帶和彈性應(yīng)變關(guān)系可以表示為：。

如果不考慮切向和法向耦合，可以將接觸面彈性系數(shù)矩陣表示成：，式中：Dnn表示界面向量，

其與法向相對位移具有曲線關(guān)系；Dss表示界面切向模量，是切向應(yīng)力的函數(shù)。經(jīng)過反復(fù)計算微分等可以得

出：，式中：[Dep]表示非線性彈性-理

想塑性模型增量的塑性矩陣。

2.2 接觸帶單元非線性有限元計算方法

2.2.1 接觸帶單元厚度計算。接觸帶單元厚度確定是影響計算精確度的主要因素。只有合理確定好接觸帶單元厚度，才能真實地反映存在的情況。相關(guān)人士經(jīng)過研究，將接觸帶單元范圍控制在0.01～0.1之間。雖然此范圍比較合理，但是由于確定時難以把握，而且單元厚度與單元長度及錯動位移有聯(lián)系，因此取值時應(yīng)該取最小值。本次研究認(rèn)為，接觸帶單元厚度不僅和以上因素有關(guān)，還與荷外界條件具有很大聯(lián)系。進行單位厚度確定時，可以利用試算法進行確定，將厚度確定為0.01B、0.02B到0.1B，并將其和實際測量值進行比較。

2.2.2 非線形迭代方法。可以使用非線性迭代方法對接觸面的應(yīng)力-應(yīng)變非線形關(guān)系進行計算。本次使用修正Newton-Raphson進行迭代計算。將接觸面兩側(cè)物體按彈性模型計算，用i表示荷載次數(shù)，計算如下：第一，完成第i-1增加計算后，可以將此區(qū)域屈服函數(shù)不等式表示為，如果將應(yīng)力、應(yīng)變和位移表示為，接觸帶單元應(yīng)力矩陣可以表示為；第二，施加荷載后，可以得到彈性位移增量為，總外力荷載為；第三，根據(jù)彈性位移增量對線形應(yīng)變求解，與前一步施加真實迭加為，最后根據(jù)運算得出塑性系數(shù)；第四，根據(jù)應(yīng)力矩陣和屈服函數(shù)得出流動向量，并計算塑性矩陣；第五，確定塑性矩陣后，求出等效節(jié)點荷載；第六，求出殘差力，得出不平衡殘差力產(chǎn)生的額殘差位移；第七，計算總位移，根據(jù)非線形彈性應(yīng)力矩陣得出彈塑性系數(shù)矩陣，同時完成全部增量；第八，計算出節(jié)點位移、應(yīng)變和應(yīng)力。

2.3 接觸帶單元模型驗證

2.3.1 算例概況。將某滑塊放置在基座上，基座彈性模量E=240GPa，泊松比v=0.163，頂面受壓為25kPa，不計算各自體力。初始滑塊模量是=120MPa，初始法向模量是240MPa，接觸粘接力是0，摩擦角為45。，破壞比=0.75，接觸單元厚度是0.2cm。

2.3.2 滑動前后變形和應(yīng)力分析。模塊未發(fā)生滑動前，基座和模塊之間產(chǎn)生連續(xù)變形，此時滑塊的位移是剪切位移。不設(shè)置接觸單位并將基座滑塊作為整體考慮，會發(fā)生很小形變，而且不會因接觸界面變化為連續(xù)。根據(jù)上述分析可以發(fā)現(xiàn)，滑塊發(fā)生滑動前，接觸帶單元和計算對結(jié)果影響不大，發(fā)生滑動后，計算結(jié)果顯著。

發(fā)生滑動后，模塊位移相對較小，事實上基座發(fā)生了位移，只是位移較小，繪制時覆蓋不計。另外從豎向位移也可以看出，基座滑動沒有發(fā)生由于接觸面帶來的嵌入問題，所以可以看出，模量和相對變形非線性關(guān)系穩(wěn)定。

3 邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析

邊坡表示具有傾斜或者具有垂直坡面的巖土體，可以將其劃分為人工邊坡和天然邊坡兩種類型，是一種為了滿足人們的需求而修建的。如果在設(shè)計中不能控制好其穩(wěn)定性，將會造成嚴(yán)重的生命和財產(chǎn)安全隱患，所以必須進行加固處理。

3.1 極限平衡條分法

3.1.1 極限安全平衡條分法中安全系數(shù)。經(jīng)過反復(fù)研究，安全系數(shù)定義最終被瑞典人Pettersson提出，假設(shè)土坡在膜滑動面滑動，可以根據(jù)平衡條件計算出安全系數(shù)。可以將力矩安全系數(shù)表示為，式中：表示發(fā)生第i滑動面產(chǎn)生

的額安全系數(shù)；表示i條互動土體產(chǎn)生的最大抗滑力距；表示第i條滑動的實際滑動力距。

3.1.2 極限平衡分法存在的問題。對此種方法進行計算時，第一，必須具有滑動面，然后根據(jù)安全系數(shù)求滑動面，無論使用哪種方法，最終求出數(shù)據(jù)都有偏差；第二，此種方法只考慮滑動面位置和形狀，無法考慮巖土體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系；第三，屬于認(rèn)為假定，對實際距離和安全系數(shù)的影響有待論證。

3.2 強度折減彈塑性有限元

3.2.1 強度折減技術(shù)。很多天然或支護結(jié)構(gòu)簡單的破壞位置和形狀，可以對其穩(wěn)定安全系數(shù)進行確定，但是由于很多斷面比較復(fù)雜，同時邊坡穩(wěn)定性容易受到降雨和施工等眾多因素的影響，導(dǎo)致傳統(tǒng)平衡分條法受到了影響。經(jīng)過人們的反復(fù)探索，最后將抗剪強度定義成：荷載穩(wěn)定下，邊坡內(nèi)土體的最大抗剪強度和實際剪應(yīng)力之比，外界產(chǎn)生的剪應(yīng)力和抵御剪應(yīng)力可以根據(jù)實際前度指標(biāo)折減確定。這種方法確定的系數(shù)為邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)。基于折減概念和相關(guān)分析，將齊納切面土體的正應(yīng)力和抗剪強度表示成和。該土體安全系

數(shù)為：

3.2.2 強度折減有限元法。強度折減技術(shù)可以對邊坡穩(wěn)定性進行分析。在計算機技術(shù)的帶動下，可以利用折減有限元進行傾斜邊坡、直立邊坡等的研究，具有很強的適應(yīng)性。現(xiàn)階段強度折減有限元主要存在失穩(wěn)指標(biāo)不一致、折減計算不精確、元法本身的特點。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，可以利用塑性應(yīng)變分布區(qū)解決邊坡不連續(xù)

問題。

4 結(jié)語

本文主要對基坑共層中土與支護結(jié)構(gòu)作用及邊坡穩(wěn)定性數(shù)值進行了分析，進行有限元基坑支護中土與結(jié)構(gòu)作用時，必須及時進行思路轉(zhuǎn)變，同時使用其他數(shù)值方法對相互作用進行探究。由于基坑工程會受到時間影響，可以利用粘性效應(yīng)對變形特性進行研究。

參考文獻

[1] 武亞軍，案茂田，任漢鋒.深基坑增量法設(shè)計的理論 分析及應(yīng)用[J].工業(yè)建筑，2013，（2）.

[2] 王元湘.深基坑擋土結(jié)構(gòu)的受力分析[J].土木工程學(xué) 報，2014，（7）.

[3] 王余慶，周根壽.軟土地層中考慮土與結(jié)構(gòu)共同作用 的支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算[J].工業(yè)建筑，2010，（11）.

[4] 王建林，顧曉魯.基坑開挖中的土壓力探討[J].工程 力學(xué)，2010，（2）.

[5] 章楊松，羅國濕.深基坑支護結(jié)構(gòu)分析的共同變形法 [J].高校地質(zhì)學(xué)報，2014，（12）.