趙 川，付建軍，賈檸駿，吳曉旺

（1.武警交通直屬工程部第一工程處,北京 102101;2.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所，武漢 430071; 3.湖南省吉首市保靖縣規(guī)劃辦,吉首 416500 ;4.中鐵五局建筑公司遵義第五分公司，遵義 563000 ）

基于強(qiáng)度折減系數(shù)法的基坑數(shù)值仿真分析

趙 川1，付建軍2，賈檸駿3，吳曉旺4

（1.武警交通直屬工程部第一工程處,北京 102101;2.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所，武漢 430071; 3.湖南省吉首市保靖縣規(guī)劃辦,吉首 416500 ;4.中鐵五局建筑公司遵義第五分公司，遵義 563000 ）

研究表明，由極限平衡法確定的滑動(dòng)面、安全系數(shù)存在一定誤差，強(qiáng)度折減法以彈塑性力學(xué)為基礎(chǔ)，能準(zhǔn)確給出真實(shí)穩(wěn)定系數(shù)的下限。本文以武漢某基坑為例，以強(qiáng)度折減法為基礎(chǔ)，采用flac軟件進(jìn)行數(shù)值仿真分析，提出了基坑支護(hù)的方法，經(jīng)過工程驗(yàn)證，達(dá)到了預(yù)期的支護(hù)效果。

極限平衡法；強(qiáng)度折減法；穩(wěn)定系數(shù)；仿真分析

0 前 言

經(jīng)典極限平衡分析法的缺點(diǎn)主要是只適用于均質(zhì)材料，并且通常是根據(jù)邊坡巖體的結(jié)構(gòu)等特征，假想一個(gè)滑動(dòng)面作為危險(xiǎn)滑動(dòng)面，從而計(jì)算該假想滑動(dòng)面相應(yīng)的穩(wěn)定安全系數(shù)。然而，現(xiàn)實(shí)中幾乎沒有均質(zhì)的土體，而且計(jì)算中要假設(shè)多個(gè)危險(xiǎn)滑動(dòng)面進(jìn)行穩(wěn)定安全系數(shù)的計(jì)算，用平面、折線、楔形、圓弧形等常規(guī)的滑動(dòng)面形式無法反映基坑滑動(dòng)的真實(shí)狀態(tài)[12]。

為了克服和彌補(bǔ)經(jīng)典極限分析法的不足，一種方法是采用彈塑性極限平衡分析法。彈塑性極限平衡法從分析邊坡體的應(yīng)力和變形入手，由邊坡體的應(yīng)力和變形特征來確定邊坡體的極限平衡狀態(tài)，從而避免對(duì)邊坡體最小安全系數(shù)的反復(fù)計(jì)算及比選，達(dá)到減少工作量和提高準(zhǔn)確率的目的。彈塑性極限平衡法中采用強(qiáng)度折減法，在地質(zhì)條件、材料參數(shù)、屈服準(zhǔn)則和本構(gòu)關(guān)系正確的前提下，能夠保證由此得到的穩(wěn)定安全系數(shù)為真實(shí)穩(wěn)定安全系數(shù)的下限。彈塑性極限平衡法不必假設(shè)土條間的作用力與破壞面的位置和形狀，因此，該方法能處理復(fù)雜幾何輪廓和邊界條件，有廣泛的適用性和良好的應(yīng)用前景[3][8]。

1 強(qiáng)度折減系數(shù)法

1.1 基本原理

強(qiáng)度折減系數(shù)法認(rèn)為外荷載保持不變的情況下，邊坡內(nèi)土體所發(fā)揮的最大抗剪強(qiáng)度與外荷載在坡內(nèi)所產(chǎn)生的實(shí)際剪應(yīng)力之比，外荷載所產(chǎn)生的實(shí)際剪應(yīng)力與抵御外荷載所發(fā)揮的最低強(qiáng)度即按照實(shí)際強(qiáng)度指標(biāo)折減后所確定的，實(shí)際中得以發(fā)揮的抗剪強(qiáng)度相等。當(dāng)假定邊坡內(nèi)所有土體抗剪強(qiáng)度的發(fā)揮程度相同時(shí)，這種抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)定義為邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)，由此所確定的安全系數(shù)可以認(rèn)為是強(qiáng)度儲(chǔ)備安全系數(shù)。在地基極限承載力與傳統(tǒng)邊坡穩(wěn)定性分析中，所采用的傳統(tǒng)安全系數(shù)一般是指荷載增大系數(shù)。

1.2 基本假設(shè)

（1）邊坡巖、土體為理想的彈塑性材料，且本構(gòu)模型為摩爾－庫侖準(zhǔn)則。

（2）失穩(wěn)判斷標(biāo)準(zhǔn)：塑性區(qū)貫通即利用圖形可視化技術(shù)繪制邊坡內(nèi)廣義剪應(yīng)變的分布圖,如果在某一折減系數(shù)下,土體內(nèi)某一幅值的廣義剪應(yīng)變自坡腳底部下方向坡頂上方貫通，則認(rèn)為此前的折減系數(shù)為安全系數(shù)。

1.3 折減參數(shù)分析

強(qiáng)度折減系數(shù)法的基本原理是將土體參數(shù)C和φ值同時(shí)除以一個(gè)折減系數(shù)F，得到一組新的C'和φ'值，然后作為新的材料參數(shù)進(jìn)行試算。當(dāng)邊坡處于臨界狀態(tài)時(shí)，即F再稍大一些，邊坡將發(fā)生破壞，對(duì)應(yīng)的F被稱為邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)。此時(shí)土體即將發(fā)生剪切破壞，即計(jì)算結(jié)果是指達(dá)到臨界狀態(tài)時(shí)的折減系數(shù)F，具體公式為：

2 數(shù)值仿真分析

2.1 工程概況

同時(shí)我們亦發(fā)現(xiàn)少數(shù)BF+，AI-2-菌株存在，說明形成BF的形成可能存在其他調(diào)控通路。我們推測(cè)AI-2信號(hào)是促進(jìn)BF形成的條件之一，但不是全部條件，CRS表葡菌BF的形成應(yīng)該是多通路共同調(diào)節(jié)。本研究也證實(shí)無論何種通路形成BF，鼻淵舒口服液均可有效拮抗。

武漢某基坑工程開挖深度8.0m，周邊環(huán)境條件簡(jiǎn)單，擬建場(chǎng)地土層如下，①雜填土，厚度1.6m；②淤泥，厚度2.4m；③粘土，灰褐色—黃褐色，飽和硬塑，厚度2.8m；④粘土，黃褐色，飽和硬塑，厚度2.9m；⑤粘土，黃褐—棕紅色，局部夾礫石；厚度10m。根據(jù)勘察報(bào)告，不考慮地下水的影響。

2.2 模型及參數(shù)選擇

計(jì)算模型取高度為17.7m，建筑長度取34m，見圖1、圖2，各土層的計(jì)算參數(shù)見表1，采用1:1的坡率放坡，計(jì)算所得安全系數(shù)。

圖1 基坑模型

圖2 邊界條件

表1 仿真分析計(jì)算參數(shù)

2.3 安全系數(shù)穩(wěn)定分析

Flac軟件數(shù)值仿真分析結(jié)果見圖3，極限平衡法分析結(jié)果見圖4，由圖可知，強(qiáng)度折減法計(jì)算的最小安全系數(shù)0.93，極限平衡法計(jì)算所得最小安全系數(shù)為0.801。安全系數(shù)區(qū)別的原因在于強(qiáng)度折減法考慮了土體強(qiáng)度與變形的關(guān)系，能更真實(shí)反應(yīng)土層位移、應(yīng)力場(chǎng)；兩種方法都認(rèn)為基坑最危險(xiǎn)滑動(dòng)面發(fā)生在基坑上部，且滑動(dòng)溢出邊界面處在淤泥土層中，認(rèn)為此基坑不會(huì)發(fā)生深層滑動(dòng)。

圖3 強(qiáng)度折減法安全系數(shù)

圖4 極限平衡法安全系數(shù)

2.4 基坑安全穩(wěn)定控制措施

為了保證安全生產(chǎn)、控制基坑變形，擬采用以下方案：

(2) 在坑邊土體2 3m范圍內(nèi)噴射混凝土進(jìn)行硬化處理，使鄰空面土體形成整體穩(wěn)定性；

(3) 由計(jì)算結(jié)果判定基坑很難產(chǎn)生深層滑動(dòng)，整個(gè)基坑采用1：1放坡并對(duì)坡面采用噴射混凝土＋1m短土釘護(hù)面。

(4) 在基坑底面、頂面設(shè)置明溝排水；

工程實(shí)踐結(jié)果證明，采用以上方法進(jìn)行基坑支護(hù)，能實(shí)現(xiàn)預(yù)期支護(hù)效果。

3 結(jié)語

（1）極限平衡法屬于剛體力學(xué)范疇，強(qiáng)度折減法屬于變形力學(xué)范疇，由于它考慮了土體強(qiáng)度與變形的關(guān)系，因此理論上能更真實(shí)反映出安全系數(shù)的理論精確解。

（2）強(qiáng)度折減法和極限平衡法都是以摩爾－庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則為基礎(chǔ)，都認(rèn)為土體發(fā)生破壞主要是由于抗剪強(qiáng)度不夠，因此可以采用注漿、打錨桿等措施來增強(qiáng)土體自身、滑動(dòng)面上抗剪強(qiáng)度。

（3）表層噴射混凝土，使土體由二向應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)槿驊?yīng)力狀態(tài)，土體抗剪強(qiáng)度明顯增加。

[1] GB 50007—2002 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范.

[2] 趙明階,何光春,王多垠.邊坡工程處理技術(shù)[M].北京:人民交通出版社,2003.

[3] 張魯渝,鄭穎人,趙尚毅等.有限元強(qiáng)度折減系數(shù)法計(jì)算土坡穩(wěn)定安全系數(shù)的精度研究[J].水利學(xué)報(bào),2003,(1):21～26.

[4] 趙尚毅,鄭穎人,張玉芳.極限分析有限元法講座—Ⅱ有限元強(qiáng)度折減法中邊坡失穩(wěn)的判據(jù)探討[J].巖土力學(xué),2005,26(2):332～336.

[5] 遲世春,關(guān)立軍.基于強(qiáng)度折減的拉格朗日差分方法分析土坡穩(wěn)定性[J].巖土工程學(xué)報(bào),2004,26(1):42～46. [6] 陳祖煜.土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析原理·方法·程序[M].北京:中國水利水電出版社,2003.

[7] 欒茂田,武亞軍,年延凱.強(qiáng)度折減有限元法中邊坡失穩(wěn)的塑性區(qū)判據(jù)及其應(yīng)用[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào),2003,23(3):1～8.

[8] 鄭穎人.巖土材料屈服與破壞及邊(滑)坡穩(wěn)定分析方法研討[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2007, 26(4): 649～661.

Numerical Simulation of Foundation Pit Based on the Shear Strength Reduction

ZHAO Chuan1, FU Jianjun2, JIA Ningjun3, WU Xiaowang4
（1.The First Engineering Section of Traffic Engineering Sector Directly Under the Armed Police Force, Beijing 102101; 2. Institute of Rock and Soil Mechanics, CAS, Wuhan, Hunan 430071; 3. Jishou City, Hunan Province Baojing Country Planning Office, Jishou 416500 4.The Fifth Subcompany of China Railway No.5 Engineering Group Co. Ltd, Zunyi, Guiyang 563000）

The related studies show that the stability coefficient and sliding surface acquired by limit equilibrium method are lack of trueness. Shear strength reduction based on elastic and plastic mechanics can give the lower limit of the realistic stability coeffcient. This paper takes the foundation pit in Wuhan as an example; the numerical simulation is done by the Fast Lagrangian Analysis of continua (FLAC) according to shear strength reduction; at last puts forward a support method for the foundation pits. The engineering practice has proved the support method up to the anticipation effect.

limit equilibrium method; shear strength reduction; stability efficient; numerical simulation

TU431

A

1007-1903（2009）03-0029-03