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        基于非線性統(tǒng)一強(qiáng)度理論的節(jié)理巖體地基承載力研究

        2012-11-06 05:22:28朱大勇沈銀斌
        巖土力學(xué) 2012年2期
        關(guān)鍵詞:承載力理論

        師 林,朱大勇,沈銀斌

        (1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,合肥 230009;2.合肥工業(yè)大學(xué) 安徽土木工程結(jié)構(gòu)與材料省級(jí)實(shí)驗(yàn)室,合肥 230009)

        1 引 言

        由于水電開(kāi)發(fā)和公路、鐵路等工程建設(shè)的需要,巖體工程得到迅速發(fā)展,常常遇到節(jié)理巖體地基承載力問(wèn)題。針對(duì)節(jié)理巖體剪應(yīng)力和正應(yīng)力之間的非線性關(guān)系特征,Hoek等[1-3]提出了節(jié)理巖體的Hoek-Brown強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則,能較好地反映節(jié)理巖體強(qiáng)度的非線性特征,已在節(jié)理巖體地基承載力計(jì)算中得到廣泛應(yīng)用。但是,Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則沒(méi)有考慮中間主應(yīng)力的作用,只適用于三軸等圍壓應(yīng)力狀態(tài),不能完全反映巖石地基的實(shí)際應(yīng)力情況,不利于充分發(fā)揮巖體的強(qiáng)度潛能。

        針對(duì)中主應(yīng)力2σ在不同應(yīng)力條件下對(duì)材料屈服或破壞的影響,國(guó)內(nèi)學(xué)者也進(jìn)行了大量的理論研究[4-11],如1985年俞茂宏提出雙剪強(qiáng)度理論[6];1991年俞茂宏提出統(tǒng)一強(qiáng)度理論,適用于拉壓強(qiáng)度不等的巖石材料,并能充分反映中間主應(yīng)力的效應(yīng)[7];昝月穩(wěn)等[11]提出巖石的非線形統(tǒng)一強(qiáng)度準(zhǔn)則,認(rèn)為Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則是其特例,并將該強(qiáng)度準(zhǔn)則推廣到節(jié)理化巖體。此外,周小平等[12-15]將統(tǒng)一強(qiáng)度理論引入傳統(tǒng)地基承載力計(jì)算方法,得到了一些合理的結(jié)論。

        臨界滑動(dòng)場(chǎng)理論是近年來(lái)發(fā)展的一種新的巖土穩(wěn)定性分析方法,能夠快速、準(zhǔn)確地解決節(jié)理巖體地基承載力問(wèn)題[16-17]。然而,師林等[17]提出的臨界滑動(dòng)場(chǎng)方法尚不能考慮中主應(yīng)力對(duì)地基承載力的影響。本文將統(tǒng)一強(qiáng)度理論引入Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則中,在文獻(xiàn)[17]的基礎(chǔ)上將基于統(tǒng)一強(qiáng)度理論的Hoek-Brown準(zhǔn)則與臨界滑動(dòng)場(chǎng)理論相結(jié)合,推導(dǎo)地震荷載作用下的承載力計(jì)算公式,進(jìn)一步拓展臨界滑動(dòng)場(chǎng)理論的應(yīng)用范圍。

        2 基于統(tǒng)一強(qiáng)度理論的 Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則

        普遍應(yīng)用于巖體工程的Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則和Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則等均無(wú)法反映中主應(yīng)力對(duì)巖體實(shí)際應(yīng)力情況的影響,為了尋找適用范圍更廣的強(qiáng)度準(zhǔn)則,俞茂宏等[6-7]根據(jù)雙剪多滑移單元體力學(xué)模型建立了雙剪理論體系和統(tǒng)一強(qiáng)度理論,充分考慮了中主應(yīng)力σ2對(duì)材料屈服破壞的影響。統(tǒng)一強(qiáng)度理論可以靈活地適用于各種材料,其主應(yīng)力形式的表達(dá)式[7]為

        式中:σ1、σ3分別為最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力(MPa);σt為材料拉伸強(qiáng)度極限;α為材料拉壓強(qiáng)度比;b為統(tǒng)一強(qiáng)度理論中引進(jìn)的反映中間主應(yīng)力及相應(yīng)面上的正應(yīng)力對(duì)材料破壞的影響程度系數(shù)。

        根據(jù)統(tǒng)一強(qiáng)度理論處理σ2效應(yīng)區(qū)間性的方法,昝月穩(wěn)將中間主應(yīng)力效應(yīng)的區(qū)間性通過(guò)雙剪力學(xué)模型和雙剪函數(shù)表示,推導(dǎo)得到了巖石的非線性統(tǒng)一強(qiáng)度準(zhǔn)則,其表達(dá)形式[11]為

        式中:m為巖體經(jīng)驗(yàn)參數(shù);s為與巖體特征有關(guān)的參數(shù);σc為巖體單軸抗壓強(qiáng)度(MPa)。

        當(dāng)b=0時(shí),式(2)蛻化為Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則,中間主應(yīng)力作用為 0,是屈服或破壞極限線的下限;當(dāng)b=1時(shí),式(2)蛻化為巖石的非線性雙剪強(qiáng)度準(zhǔn)則,中間主應(yīng)力作用達(dá)到最大,對(duì)應(yīng)于屈服或破壞極限線的上限。昝月穩(wěn)[11]的研究表明,不同巖性的巖石中主應(yīng)力效應(yīng)是不同的,硬巖的中主應(yīng)力效應(yīng)要大于軟巖,其中砂巖b取0.3~0.5,灰?guī)rb取0.5,白云巖b取0.5~1.0,花崗巖、火山巖b取1.0。

        平面應(yīng)變應(yīng)力場(chǎng)問(wèn)題屬于超靜定問(wèn)題,為求解這一超靜定問(wèn)題,可以利用的限制條件是平面應(yīng)變條件和剛塑性假設(shè)?,F(xiàn)階段最常采用的是 Prandtl-Reuss假設(shè)和Levy-Mises假設(shè),通過(guò)限制條件得到中主應(yīng)力的大小[9-10]為

        Prandtl-Reuss假設(shè)由相關(guān)流動(dòng)法則和Mises屈服條件推導(dǎo)得到,但是,不加證明的將這一假設(shè)引入Mohr-Coulomb材料和Hoek-Brown材料是不合適的。為了解決這一問(wèn)題,俞茂宏等[8]引入新的參數(shù)k,得到

        式中:k為中間主應(yīng)力系數(shù),通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),在彈性區(qū)可取k=2υ(υ為材料的泊松比)。在塑性區(qū)可取k→1,最簡(jiǎn)單的方法是假定k=1,此時(shí)對(duì)應(yīng)于塑性不可壓縮假設(shè),即

        由式(5)可知,在塑性區(qū)進(jìn)行極限承載力計(jì)算時(shí)F<F′,滿足巖石非線性統(tǒng)一強(qiáng)度準(zhǔn)則第2式的條件,即巖石的非線性統(tǒng)一強(qiáng)度準(zhǔn)則為

        將式(5)代入式(6)即可得到基于統(tǒng)一強(qiáng)度理論的Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則:

        式中:mb為巖體經(jīng)驗(yàn)參數(shù) m的值,其他符號(hào)意義同前。

        3 基于統(tǒng)一強(qiáng)度理論的 Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則強(qiáng)度參數(shù)的確定

        1983年,Bray根據(jù)Hoek-Brown強(qiáng)度包絡(luò)線的形狀,將Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則改寫(xiě)為剪切強(qiáng)度形式[3]:

        圖1 N1、N3對(duì)應(yīng)的摩爾應(yīng)力圓Fig.1 Mohr's stress circle corresponds to the N1, N3

        由摩爾圓可得

        以上兩式結(jié)合起來(lái),N、T可將表示為瞬時(shí)內(nèi)摩擦角φ的表達(dá)式:

        求解式(12)可得

        求得瞬時(shí)內(nèi)摩擦角φ后,即可根據(jù)抗剪強(qiáng)度公式求解瞬時(shí)黏聚力:

        4 地震荷載下的地基承載力計(jì)算

        地震時(shí),由于地基破壞引起的危害被歷次地震所證明,眾多學(xué)者的研究也表明在地震及其他動(dòng)力作用下地基承載力會(huì)有顯著的下降。在工程應(yīng)用中,習(xí)慣不考慮地震引起的液化作用,將地震荷載作為慣性力轉(zhuǎn)化為靜荷載來(lái)計(jì)算地基承載力,若地震時(shí)的水平地震系數(shù)為kh,豎直地震系數(shù)為kv,則所產(chǎn)生的水平向震動(dòng)加速度為 khg,豎直向震動(dòng)加速度為 kvg。如圖 2所示,在地震荷載作用下的剛性條形基礎(chǔ)位于節(jié)理巖體之上,基礎(chǔ)上受集中力Q作用,首先將巖體分成兩個(gè)區(qū):朗肯區(qū)和過(guò)渡區(qū)。對(duì)于朗肯區(qū),計(jì)算時(shí)單獨(dú)作為一個(gè)條塊,根據(jù)塑性力學(xué)理論,朗肯區(qū)由2條共軛滑移線組成,直接從塑性應(yīng)力分析得出朗肯區(qū)的幾何參數(shù)[16]:

        圖2 地基破壞示意圖Fig.2 Sketch of foundation damage

        地基破壞模式取由眾多共頂點(diǎn)的剛性三角條塊組成的單向滑動(dòng)機(jī)制。為了簡(jiǎn)要說(shuō)明,圖2中只給出了5個(gè)示意條塊,其中包括中間3個(gè)過(guò)渡條塊,左邊一個(gè)主動(dòng)楔塊,最右邊一個(gè)被動(dòng)朗肯區(qū)。在實(shí)際計(jì)算中,過(guò)渡條塊的個(gè)數(shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于3個(gè)。ψ1與ψ2為主動(dòng)楔塊中基礎(chǔ)底面與巖體形成的夾角,通過(guò)ψ1與ψ2來(lái)限定主動(dòng)楔塊的幾何形狀,可以通過(guò)搜索來(lái)確定ψ1和ψ2值[16]。

        主動(dòng)楔塊上的受力情況如圖3所示。作用在主動(dòng)楔塊上的力包括:OA邊上的被動(dòng)土壓力pa(pa的迭代求解過(guò)程見(jiàn)文獻(xiàn)[17]),主動(dòng)楔塊重力Wa;水平向地震力khWa,豎直向地震力kvWa,兩底邊上的黏聚力合力Ca、C1a。

        圖3 主動(dòng)楔塊受力情況示意圖Fig.3 Force condition of cuneiform slide block

        通過(guò)受力平衡可以求得極限荷載 Q和反力 Ra的大?。?/p>

        如圖4所示,數(shù)值計(jì)算時(shí)首先把巖體離散,為保證計(jì)算精度,每條射線上的相鄰離散點(diǎn)間距不能過(guò)大,本文取為0.25。此外,過(guò)渡條塊亦不能過(guò)少,本文取過(guò)渡條塊數(shù)為 100,根據(jù)文獻(xiàn)[17]的方法求得各離散點(diǎn)的被動(dòng)土壓力pa。其次,角ψ1的初始試算值等于射線OAi與基礎(chǔ)底面OD的夾角,角ψ2的值為射線 OAi上離散點(diǎn)和點(diǎn) D的連線與基礎(chǔ)底面OD形成的夾角。然后再到射線OAi-1,也就是改變?chǔ)?值,不斷選取射線 OAi-1上的所有離散點(diǎn),得到不同的ψ1值。不同ψ1、ψ2值限定不同的主動(dòng)楔塊幾何形狀,根據(jù)式(20)可計(jì)算得到不同的Q值,(Q的具體計(jì)算迭代過(guò)程見(jiàn)文獻(xiàn)[17])。依次選取射線,可以計(jì)算得到眾多的Q值,最后從中找出最小的Q值,即地基承載力的極限荷載,此時(shí)的滑動(dòng)面即為最危險(xiǎn)滑面。

        圖4 巖體的離散Fig.4 Discretizaton of joined rock masses

        5 算例分析與比較

        一寬度為6 m的條形基礎(chǔ),置于節(jié)理巖體上,節(jié)理巖體的材料參數(shù)見(jiàn)表 1。根據(jù)文獻(xiàn)[17]的方法可得相關(guān)計(jì)算參數(shù):mb= 0.603,s=4.54× 10-5,a =0.585,等效 Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則的強(qiáng)度參數(shù)cm= 23 kPa,φm= 31.03°。

        斜坡地基總是在斜坡一側(cè)發(fā)生滑動(dòng),地基另一側(cè)土體則不出現(xiàn)滑動(dòng)面,受力情況尚不明確,于是引入發(fā)揮系數(shù) n,發(fā)揮系數(shù)的概念是以整體平衡觀點(diǎn)來(lái)研究斜坡土體另一側(cè)未達(dá)到破壞的受力情況的。本文研究的是水平面上的巖質(zhì)基礎(chǔ)的極限承載力,在確定各點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)時(shí),假定各點(diǎn)的發(fā)揮系數(shù)均相等,取n=1.0。

        表1 巖體材料參數(shù)Table 1 Material parameters of rock mass

        此外,取b值分別為0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0六種情況和地震力系數(shù)分別為kv= 0,kh= 0;kv= 0.2,kh= 0.2;kv= 0.4,kh= 0.2;kv= 0.2,kh=0.4四種情況來(lái)計(jì)算該條形基礎(chǔ)的承載力情況,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

        表2 無(wú)超載和地基開(kāi)挖擾動(dòng)時(shí)不同b值和地震力系數(shù)下的地基承載力Table 2 The foundation bearing capacity without overload and excavation disturbance upon the different values of b and various earthquake coefficients

        首先分析結(jié)合統(tǒng)一強(qiáng)度理論(b≠0)后計(jì)算所得地基承載力與未結(jié)合統(tǒng)一強(qiáng)度理論(b=0)時(shí)計(jì)算所得地基承載力之間的關(guān)系,不同b值情況下的地基承載力變化情況如圖5所示。當(dāng)kv= 0.2,kh=0.2時(shí),不同b值對(duì)應(yīng)的基礎(chǔ)破壞滑面如圖6所示。

        圖5 不同b值下承載力變化情況Fig.5 Changes of bearing capacity under various values of b

        圖6 kv=0.2, kh=0.2時(shí),不同b值下地基破壞滑面示意圖Fig.6 Sketch of ground failure mode under various values of b when kv= 0.2, kh= 0.2

        比較圖 5發(fā)現(xiàn),引入了統(tǒng)一強(qiáng)度理論的地基靜、動(dòng)承載力均有明顯增加,隨著b值的增加,地基承載力近乎呈線性增加,增幅最大達(dá)77%(b=1,kv= 0.2,kh= 0.4時(shí))。分析圖6可知,在地震力系數(shù)一定的情況下,隨著系數(shù)b的增加,基礎(chǔ)最危險(xiǎn)破壞滑面不斷向深部發(fā)展,抗破壞能力不斷提高。引入統(tǒng)一強(qiáng)度理論后,地基靜、動(dòng)承載力均有較大程度的增加,這也表明現(xiàn)有的地基承載力計(jì)算方法未考慮中主應(yīng)力的影響,其計(jì)算結(jié)果偏于保守,可以通過(guò)乘以相應(yīng)的修正系數(shù)來(lái)修正現(xiàn)有的地基承載力計(jì)算方法。通過(guò)圖5分析可以得到近似的修正系數(shù):

        對(duì)比不同地震荷載下的地基承載力大小可以發(fā)現(xiàn),巖質(zhì)地基承載力隨著地震荷載的增加而減小,當(dāng)kv= 0.2,kh= 0.2時(shí),地基承載力比無(wú)地震荷載時(shí)減少約15%。同時(shí),由圖7可知,隨著地震荷載的增加,基礎(chǔ)最危險(xiǎn)破壞滑面逐漸向淺部發(fā)展,抗破壞能力下降。分析表2可見(jiàn),不同b值下地震荷載對(duì)地基承載力大小的影響較為接近,因此可通過(guò)地震荷載修正系數(shù)來(lái)反映地震荷載的影響。地震荷載修正系數(shù)可近似取為

        對(duì)比發(fā)現(xiàn),豎直向地震力和水平向地震力對(duì)地基承載力的影響是不一樣的。以b=0.2時(shí)為例進(jìn)行分析,當(dāng)kv= 0.4,kh= 0.2時(shí),地基承載力比kv=0.2,kh= 0.2時(shí)減小了8.7%;與kv= 0.2,kh= 0.4時(shí)與 kv= 0.2,kh= 0.2時(shí)相比,地基承載力減小了6.4%,從圖5中也可以看出,當(dāng)kv= 0.2,kh= 0.4時(shí),地基最危險(xiǎn)破壞滑面更接近于kv= 0.2,kh= 0.2時(shí)的破壞滑面,這均說(shuō)明豎直向地震力對(duì)地基承載力的影響大于水平向地震力。

        圖7 b=0.2時(shí)不同地震力系數(shù)下地基破壞滑面示意圖Fig.7 Sketch of ground failure mode under various earthquake coefficients when b=0.2

        6 結(jié) 論

        (1)引入統(tǒng)一強(qiáng)度理論后,靜或動(dòng)荷載下,隨著反映中主應(yīng)力作用的系數(shù)b的增加巖質(zhì)地基承載力均有明顯增加?,F(xiàn)有的地基承載力計(jì)算理論沒(méi)有考慮中主應(yīng)力的影響,使計(jì)算結(jié)果偏于保守,不能充分發(fā)揮巖體的強(qiáng)度潛能。

        (2)在地震荷載作用下,巖質(zhì)地基的動(dòng)承載力與靜承載力相比有 5%~10%的降低,且?guī)r質(zhì)地基的承載力隨著地震荷載的增加而降低。

        (3)豎直向地震力和水平向地震力對(duì)地基承載力的影響是不同的,豎直向地震力對(duì)巖質(zhì)地基承載力的影響大于水平向地震力。

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