應(yīng)變局部化理論在基坑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

陳祖樹

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

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

引言

基坑工程的設(shè)計(jì)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(jì)水平得到了顯著提升。對(duì)于黏性土等復(fù)雜地質(zhì)條件的基坑工程設(shè)計(jì)工作來說，要注重應(yīng)變局部理論的應(yīng)用，進(jìn)而提升基坑設(shè)計(jì)的質(zhì)量與效果。

1.黏性土剪切形成的規(guī)律分析

在進(jìn)行黏性土基坑工程的設(shè)計(jì)工作時(shí)，要注意黏性土局部化的線管問題。同時(shí)，還要對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的黏性土土樣進(jìn)行相應(yīng)的應(yīng)變壓縮試驗(yàn)。在進(jìn)行試驗(yàn)的過程中，不僅要對(duì)黏性土的常規(guī)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，同時(shí)還要對(duì)土樣的側(cè)向變形進(jìn)行分析，對(duì)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(jìn)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(diǎn)：首先，要對(duì)黏性土的初始損傷、剪切帶開始時(shí)的受力狀況進(jìn)行分析；其次，要對(duì)應(yīng)力峰值等內(nèi)容進(jìn)行研究。大量的實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于剪切帶開始時(shí)的分叉應(yīng)變量來說，其數(shù)值明顯小于應(yīng)變峰值時(shí)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(yàn)過程中剪切力始終沒有超過應(yīng)力峰值時(shí)出現(xiàn)的應(yīng)變力。但是，剪切帶完全形成之后，這時(shí)所產(chǎn)生的應(yīng)變值始終超過峰值時(shí)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(jìn)行黏性土側(cè)向變形應(yīng)變實(shí)驗(yàn)，定量的對(duì)黏性土剪切帶的形成進(jìn)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(dá)到某一數(shù)值時(shí)，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(duì)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(duì)比。另一方面，試驗(yàn)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(duì)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(yàn)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(duì)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(gè)相對(duì)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(jìn)行相應(yīng)的定義。在這個(gè)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(chǎng)存在著不均勻的現(xiàn)象。但是，對(duì)于帶外區(qū)域變形場(chǎng)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(chǎng)通過剪切帶始終保持連續(xù)。另外，速度梯度通過剪切帶進(jìn)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(jì)分析

隨著國內(nèi)建筑行業(yè)的不斷發(fā)展，支護(hù)基坑工程的設(shè)計(jì)計(jì)算理論也逐漸趨于完善。近幾年來，我國關(guān)于基坑設(shè)計(jì)的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)逐漸出臺(tái)，這也極大地提升了基坑設(shè)計(jì)工作的質(zhì)量與水平。但是，在進(jìn)行基坑支護(hù)工程的設(shè)計(jì)中，基坑工程大多被視為一些臨時(shí)性的工程，并且設(shè)計(jì)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(chǎng)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(shí)也嚴(yán)重的威脅到了廣大人民群眾的生命與財(cái)產(chǎn)安全。因而，在進(jìn)行基坑設(shè)計(jì)時(shí)，要注重一些細(xì)節(jié)性問題的處理，同時(shí)還要對(duì)基坑位移變形狀況進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)測(cè)與控制。對(duì)于復(fù)雜地質(zhì)條件下的基坑設(shè)計(jì)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(chǎng)的具體狀況合理選擇基坑支護(hù)形式，進(jìn)而不斷提升基坑設(shè)計(jì)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(gè)工程呈現(xiàn)南北走向。在進(jìn)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(duì)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(yàn)算

在進(jìn)行基坑穩(wěn)定性的驗(yàn)算工作中，嚴(yán)格按照土體峰值應(yīng)力變化時(shí)的剪切強(qiáng)度以及土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)展開相關(guān)的計(jì)算工作，并且計(jì)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(duì)于應(yīng)變局部變化的認(rèn)識(shí)，要采用剪切帶開始形成時(shí)的抗剪切強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行基坑工程的相關(guān)試驗(yàn)工作，并且試驗(yàn)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(jìn)行基坑墻底抗隆起安全系數(shù)的計(jì)算與分析工作中，試驗(yàn)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(yàn)結(jié)論可以表明，在進(jìn)行基坑應(yīng)力抗剪強(qiáng)度的計(jì)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(shí)還要確保所獲得的黏性土應(yīng)變局部化相對(duì)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(jìn)而提升建筑工程的安全效果。

4.3基于基坑設(shè)計(jì)的有限元分析

4.3.1有限元原理的研究

對(duì)于有限元原理而言，其實(shí)質(zhì)上是一種近似數(shù)值估算的計(jì)算方法，該理論需要建立在力學(xué)模型的基礎(chǔ)上。在進(jìn)行基坑工程的開挖與支護(hù)過程中，屬于一種三維性問題，因而在進(jìn)行拐角位置處的處理時(shí)，基坑會(huì)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(xiǎn)條件來分析，因?yàn)榛颖谄矫娣较蛑攸c(diǎn)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(duì)較大，進(jìn)而造成了基坑在平面上兩側(cè)坑壁約束力相對(duì)較小。因此，在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析工作時(shí)，可以認(rèn)為它們之間是不會(huì)受到相鄰基坑的影響。

4.3.2結(jié)果分析

試驗(yàn)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(jìn)行分析。通過相關(guān)數(shù)據(jù)的研究，可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：一方面，在進(jìn)行基坑開挖時(shí)，土體最終的位移量如下：其中，最大值是20.00mm，對(duì)于最大水平位移來說，其數(shù)值是11.0mm。同時(shí)，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(duì)上述結(jié)果進(jìn)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(duì)于應(yīng)變局部化的影響較為明顯，因而技術(shù)人員要對(duì)這一問題引起重視。

結(jié)語

隨著國內(nèi)城市化進(jìn)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(jìn)行工程項(xiàng)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(shí)所產(chǎn)生的周圍壓力和強(qiáng)度之間存在著正比關(guān)系。因此，在進(jìn)行基坑工程設(shè)計(jì)時(shí)，其分析過程中要對(duì)土體應(yīng)變局部化現(xiàn)象進(jìn)行考慮，并且要分析其對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果的影響。同時(shí)，還要將這一理論應(yīng)用到實(shí)際的基坑設(shè)計(jì)中，進(jìn)而提升基坑設(shè)計(jì)的科學(xué)性。