劉淑茹，張 惠

(西安建筑科技大學，西安 450006)

土質高邊坡在復雜的內外地質應力作用下形成，又在各種因素作用下變化發(fā)展。邊坡在不斷變形的過程中，通過變形逐步發(fā)展至破壞，其基本破壞形式主要有松弛張裂、滑動、崩塌、傾倒、蠕動和流動等，這些破壞形式一旦產生，后果是非常嚴重的。因此，必須在其邊坡破壞發(fā)展之前了解它變化的情況，掌握第一手資料才能很好地防止災害的發(fā)生?！?.12”汶川地震發(fā)生以后，更應重視在地震的作用下土質高邊坡的穩(wěn)定和變形情況。本次研究是以大型有限元軟件ANSYS運用反譜分析法對某建筑基坑進行仿真模擬。

1 邊坡穩(wěn)定性分析方法

分析邊坡穩(wěn)定問題，基本上有兩種方法:極限平衡法和數(shù)值分析法。極限平衡法［1］是以摩爾—庫侖抗剪強度理論為基礎，此方法不能真實反映邊坡失穩(wěn)時的應力場和位移場。數(shù)值分析方法［2］考慮土體應力—應變之間的關系，克服了極限平衡方法的缺點。本文選用有限元法對邊坡穩(wěn)定性進行分析。有限單元法考慮介質的變形特征，真實反映了邊坡的受力狀態(tài)，它可以模擬連續(xù)介質，也可以模擬不連續(xù)介質，能考慮邊坡沿軟弱結構面的破壞，也能分析邊坡的整體穩(wěn)定破壞，鑒于有限元法諸多優(yōu)點，可借助軟件ANSYS來實現(xiàn)邊坡的穩(wěn)定性分析。

2 工程概況

地下停車場工程項目位于廣州市北廣場。該工程設兩層地下車庫，總建筑面積11 424 m2，根據(jù)設計要求，本工程采用逆作法施工，先施工圍護結構和樁基礎，再施工首層板，開挖負一層土方，施工負一層板和襯墻，開挖負二層土方，施工底板和負二層襯墻。首層板面高程為－0.8 m，負一層板面高程為－6.3 m，地下室底板面高程為－9.7 m，襯墻厚度為200 mm，首層板厚為140 mm，負一層板厚為110 mm，底板厚度為600 mm?；娱_挖深約9.6 m，粉質黏土，褐色，含少量粉細砂、中粗砂，局部含卵石，采取錨噴支護，錨桿長度1 m，采用C30鋼筋混凝土作為襯砌材料。基坑邊坡的物理力學指標見表1。

表1 基坑邊坡物理力學指標

3 建立模型

3.1 模型選擇

由于基坑開挖后，粉質黏土的穩(wěn)定性比較差，加之邊坡開挖為90°，容易變形、塌落，所以目前修建支護結構主要采用以下兩種模型:

1)傳統(tǒng)的結構力學模型［3］:它是將支護結構和邊坡分開考慮，支護結構是承載主體，邊坡土體的土壓力作為荷載的來源和支護結構的彈性支撐，故又稱為荷載—結構模型。主要適用于邊坡因過分變形而產生松弛和崩塌，支護結構主動承擔圍巖松動壓力的情形。

2)現(xiàn)代巖體力學模型［4-7］:它將支護結構和邊坡視為一體，作為共同承載的結構體系，故又稱為圍巖—結構共同作用模型。這種模型主要用于由于邊坡變形而引起的壓力，壓力值必須通過支護結構與邊坡共同作用而求得。邊坡—結構共同作用模型是目前邊坡結構體系設計中正在發(fā)展的模型，因為它符合當前施工技術水平，采用快速和超速的支護技術可以限制邊坡的變形。這種模型還可以考慮各種幾何形狀、巖土特征和支護材料的非線性特征、開挖面空間效應所形成的三維狀態(tài)及地質中不連續(xù)面等。

根據(jù)以上分析，本文運用邊坡—結構共同作用模型對此工程基坑邊坡進行研究。

3.2 模型的建立

本次有限元計算采用通用有限元軟件ANSYS進行求解，根據(jù)邊坡的幾何特點，計算分析按平面應變問題對待，對邊坡土層采用單元Plane 82進行模擬分析，其采用彈性本構模型;對邊坡支護采用Combin14彈簧單元(也稱為地層彈簧)進行模擬支護結構與邊坡土層之間的互相作用。

進行結構受力分析時，在垂直邊坡上受到邊坡土層約束阻止其變形，因而土層對襯砌產生彈性抗力，每隔50 cm加載彈簧單元，采用摩爾—庫侖屈服準則;對1.0 m錨桿采用link 1桿單元模擬，按彈性考慮，錨桿單元在系統(tǒng)中與土體單元的節(jié)點耦合。

3.3 邊界條件

1)給彈簧單元施加約束:選擇彈簧單元節(jié)點，在X和Y方向上施加位移約束;

2)給模型邊界施加約束，因為取模型大小是左至基坑中心，右至邊坡頂部20 m，下至基坑底部以下20 m，即在這些邊界上施加X和Y方向上位移約束;

3)施加重力加速度:選擇所有節(jié)點施加重力加速度，ACEL，acely，0，9.8，0;

4)對基坑邊坡施加土壓力Ea為

式中，H為邊坡高度。

計算結果見表2。

表2 荷載計算

5)施加地震振動作用:采用反應譜分析法模擬地震情況，設置模態(tài)求解，采用子空間迭代4階模態(tài)，得出結果數(shù)據(jù)，即各模態(tài)振動頻率，再計算出周期和反應譜值，再次輸入周期和反應譜值后定義模態(tài)擴展分析再求解。

建立模型如圖1所示。

圖1 基坑邊坡模型

3.4 反應譜分析法

反應譜分析法［8］是以單質點彈性體系在實際地震過程中的反應為基礎，來進行結構反應分析，它通過反應譜巧妙地將動力問題靜力化，使得復雜的結構地震反應計算變得簡單。按照這一理論，應用地震譜曲線，就可以按照實際地面運動來計算建筑物的反應。

運用大型通用有限元軟件ANSYS對其進行模擬，采用的就是模態(tài)分析中子空間迭代法提取模態(tài)，針對本工程，提取出了振動頻率，再根據(jù)式(2)、式(3)計算出周期 T和反應譜值 β［9］，計算結果見表3。

本工程計算中f為地震水平振動頻率(Hz)，反應譜最大值 βmax取值為2，采樣周期 Tg取值為0.2 s，特征周期T0取值為0.2 s。

表3 基坑邊坡動力計算振動頻率和反應譜值

4 計算結果

4.1 結構變形結果

本工程基坑邊坡在地震的作用下，會有一些變形，最大變形即在模態(tài)第四階段，如圖2～圖4所示，可以很清晰地看出邊坡坡頂和坡底變形比較大，也就在這些部位更容易形成滑坡、坍塌。

4.2 內力計算結果

在地震作用下，模擬模態(tài)第四階段為最危險階段，在此階段下的X、Y方向上的應力云圖及第一主應力云圖如圖5～圖7所示。

圖2 邊坡變形云圖(單位:m)

圖3 邊坡X方向位移云圖(單位:m)

圖4 邊坡Y方向位移云圖(單位:m)

從圖7可以看出，此工程在地震的作用下第一主應力最大發(fā)生在坡底的位置，而且數(shù)值相當?shù)拇?，?.31×107Pa，也就是說，一旦發(fā)生地震此邊坡就會坍塌，可能造成嚴重安全事故。

5 結論

圖5 第4階X方向應力云圖(單位:Pa)

圖6 第4階Y方向應力云圖(單位:Pa)

圖7 第4階第一主應力云圖(單位:Pa)

本文運用大型通用有限元軟件ANSYS為平臺，對某地下停車場基坑垂直邊坡在地震的作用下進行了模擬，采用現(xiàn)代巖體力學模型把噴錨支護與土體視為一體來進行研究，加載彈簧單元模擬錨桿受力，采用反應譜分析法模擬地震波，設置4階模態(tài)運算出變形最大、最危險時候的土質深基坑的變形形態(tài)和第一主應力云圖，可以清晰地看出，在地震的作用下土質垂直深基坑變形最大的地方在坡頂處，而應力最大地方在坡底處，也就是說整個邊坡發(fā)生很大的扭曲，極有可能發(fā)生坍塌現(xiàn)象，此現(xiàn)象一旦發(fā)生就有可能會產生嚴重的后果。因此，用ANSYS有限元軟件能夠較清楚地直接計算出各部分構件的應力情況，直觀顯示出結構的應力分布狀態(tài)，通過該項研究，可以更深刻地認識土質高邊坡的變形和穩(wěn)定機制，為土質高邊坡的預警和防治提供了很好的基礎。

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