巖土數值極限分析方法的發展與應用研究

趙銳 付瑞勇

(山東建勘集團有限公司 山東濟南 250031)

當前國內外在對巖土數值極限分析方法的應用過程中已經積累了大量的經驗，并與邊坡工程、地基工程、隧洞工程相結合，在穩定性分析方面發揮著非常重要的作用。作為一種全新的力學方法與設計手段，各類巖土工程以及與巖土結構穩定性、強度相關的問題都可對本方法進行深入應用。因此，本文即嘗試對巖土數值極限分析方法的發展與應用進行總結。

1 巖土數值極限法在邊坡中的應用

目前在邊坡工程穩定性分析領域中，對巖土數值極限法的應用主要體現在邊坡穩定性以及工程防治措施可靠性驗證這兩個方面。有關研究人員嘗試對巖土數值極限法在順層巖體邊坡中的應用問題進行分析，構建兩組不同方向結構面，貫通率為100.0%，平均間距為10.0m，第一組軟弱結構面傾角為30.0°，第二組軟弱結構面傾角75.0°。在邊坡穩定性分析中引入平面應變模擬方法，通過有限元極限分析的方式得到如圖1所示破壞過程，結合圖1顯示主滑動面最先形成，后期演化發展出第二～第三次生滑動面，根據有限元極限分析方法對穩定安全系數進行計算，取值為1.18。同時，在主滑動面形態已知的情況下還可應用傳統極限平衡法對穩定安全系數進行計算，取值為1.17，兩種方法計算結果存在良好的相符性以及一致性。

2 巖土數值極限法在地基中的應用

2.1 平板載荷試驗

平板載荷試驗通過荷載作用力與沉降量的對應關系，對建筑物基礎工作條件進行模擬，以確定地基基礎承載力水平，應用巖土數值極限法可以對平板載荷試驗進行數值模擬。以某工程項目地基基礎載荷試驗結果為例，當壓力取值為380.0kPa的情況下，壓力-沉降曲線趨近于直線，第一拐點～960.0kPa間，壓力-沉降曲線呈現出上升趨勢，960.0kPa壓力取值條件下對應沉降量為29.2mm，當壓力取值提高至1060.0kPa的情況下，于承壓板周邊土體開始出現隆起表現，提示地基土體達到破壞狀態。在上述情況下，考慮到比例極限＜50%極限承載力水平，因此將承載力特征值取380.0kPa。而根據室內試驗以及現場測定結果，在泊松比、變形模量已知的條件下，可以將圓形剛性承壓板視作一個軸對稱模型，模型寬度為10*地基寬度，模型長度為9.5*地基寬度，按照該標準構建有限元模型并進行網格劃分，以M-C為屈服準則，應用有限元分析方法對極限荷載作用力進行求解，其值為1140.0kPa，略高于實驗值，整體相符性良好，在壓力380.0～960.0kPa區間內，計算結果與實驗結果曲線有一定出入，但在不足380.0kPa以及高于960.0kPa的情況下，曲線吻合情況良好，因此可以認為：在參數接近實際的情況下，有限元計算載荷沉降量與實際值相符性良好。

2.2 樁基礎豎向極限荷載

受樁基幾何特征，地質條件，成樁方法等一系列因素的影響，樁基礎會呈現出一定的改變。目前對樁基豎向承載力的計算方法以靜載荷實驗所得樁頂荷載-位移曲線為主，但受到靜載荷實驗條件約束因素的影響，實驗樁基加載量難以滿足極限荷載值要求，因此也會在一定程度上對樁基礎極限荷載的結果精確性產生影響。在有限元極限分析法中，可以通過樁基礎強度折減或者樁頂荷載-位移曲線對樁基極限荷載作用進行計算，考慮到阻力作用，隨著荷載水平的增加，樁端地基土會呈現出塑性流動的趨勢，沿豎向呈顯著沉降，進而對工程實踐中樁基礎的正常應用產生不良影響。一般情況下，樁基礎極限承載力水平會同時受到樁豎向極限承載力、樁端阻力極限值、樁側摩阻力極限值、樁端截面積、樁自身周長、樁基長度等一系列因素的影響。同時考慮對安全系數定義的差異，以往超載安全系數是以載荷試驗為基礎確定極限荷載水平，采用強度折減法是以基礎極限載荷為依據得到相應的安全儲備系數，因而在數值上會呈現出一定差異，但發生破壞的情況下，安全系數取值均為1，此情況下具有互相等同的關系。以某振動沉管灌注樁為例，該樁基直徑為377.0mm，樁長為23.0m，靜載荷實驗加載作用力至1600.0kN的情形下，樁頂荷載-位移曲線未見拐點，故將該值確定為極限承載力。

圖1 巖土邊坡破壞過程有限元極限分析結果示意圖

3 巖土數值極限法在隧洞破壞中的應用

3.1 深埋巖體隧洞破壞機制

有關研究中以有節理巖體隧洞為例，分別進行室內模擬實驗以及有限元極限法模擬計算，對計算結果進行對比，結果顯示兩者所得到隧洞破壞破裂面有良好的相似性。室內模擬實驗破裂面與動壁最大距離左側為58.0mm，右側為40.0mm，數值模擬破裂面與洞壁最大距離左側為61.0mm，右側為43.0mm，提示兩種方法在破壞極限荷載值方面的一致性高。除此以外，還有研究人員嘗試對不同節理傾角下的等效塑性應變情況進行分析，并給出相對應的隧洞圍巖安全系數值，同樣表現出了良好的相符性關系。

3.2 淺埋隧洞破壞機制

有關研究人員以淺埋隧洞為研究對象，在設定隧洞洞跨為8.0m，洞高為12.0m，埋設深度為4.0m，洞深為15.0m的情況下，分別進行室內模擬實驗以及有限元極限法數值模擬計算結果可知，在淺埋隧洞破裂面位置以及形狀上，兩種計算方法表現出了良好的相似性。在極限荷載水平方面，模型試驗計算結果為28.0kN，有限元極限法數值模擬計算結果為26.0kN，同樣相符性良好。

4 結語

對于現代巖土工程而言，力學狀態呈現出復雜化的發展趨勢，涉及到二維、三維、流固耦合問題、多場耦合問題等；工程類型更加復雜，除邊坡工程、地基工程外，尚有隧道工程、巖土環境工程等；除工程設計施工外，尚有巖土勘察、監測、檢測、現場試驗、預警預報等。這些項目都可運用數值極限分析方法求解。因此，本文重點圍繞巖土數值極限分析方法的發展及其應用問題進行總結，概括其在邊坡、地基、隧洞工程中的應用要點，望能夠引起業內人士的關注與重視，以期促進巖土數值極限分析方法的推廣應用。