宋立波

(解放軍92493部隊后勤部，遼寧 葫蘆島 125000)

0 引言

地下過街通道通常位于城市繁華區(qū)及交通流量較大的路口，其地質(zhì)狀況、施工條件、影響因素等都比較復(fù)雜，因而利用傳統(tǒng)的方法分析其穩(wěn)定性及對周圍環(huán)境的影響十分困難。而有限元強度折減法既具有數(shù)值方法適應(yīng)性廣的優(yōu)點，又具有極限分析法貼近巖土工程設(shè)計，實用性強的優(yōu)點。

強度折減法在20世紀70年代應(yīng)用到巖土工程中。國外Zienkiewicz等在1975年提出該方法，得到許多學者的響應(yīng)，發(fā)展較快。我國學者鄭穎人等[2]將強度折減法結(jié)合有限元計算，分析土坡穩(wěn)定性取得成功，受到廣泛關(guān)注。隨后，該方法應(yīng)用十分廣泛，除了在邊坡工程分析之外，還用于巖土工程的其他領(lǐng)域。如，2011年楊宇江等[3]采用強度折減法對礦房的穩(wěn)定性進行了分析;2013年劉云等[4]利用有限元強度折減法對某水下擠密砂樁復(fù)合地基極限承載力進行穩(wěn)定性分析;2013年胡巍等[5]用FLAC強度折減法分析煤層底板突水可能性等等。

將強度折減法用于地下過街道的穩(wěn)定分析文獻較少。本文基于ANSYS商業(yè)有限元軟件，根據(jù)強度折減法的原理，分析地下過街道的開挖穩(wěn)定性，具有實際應(yīng)用價值。

1 有限元強度折減法基本原理

有限元強度折減法是以巖土體的彈塑性理論為力學基礎(chǔ)，通過有限元數(shù)值模擬求出土體的應(yīng)力、應(yīng)變等力學狀態(tài)，而通過強度折減求出土體的極限破壞狀態(tài)。其基本思想與傳統(tǒng)極限平衡法的思想是一致的，先將土體強度參數(shù)進行不斷折減，而后將折減后新的強度參數(shù)代入進行有限元計算分析，如果有限元計算表明土體達到極限破壞狀態(tài)，則此時的折減系數(shù)就是強度貯備安全系數(shù)，程序根據(jù)有限元計算結(jié)果可以自動得到破壞滑動面的位置[6]。

定義安全系數(shù)為ω，則得到折減后的巖土體抗剪強度指標:

其中，c，c'分別為折減前后巖土體的內(nèi)聚力;φ，φ'分別為折減前后巖土體的內(nèi)摩擦角;ω為安全系數(shù)，或稱折減系數(shù)。

2 計算模型及參數(shù)

對于地下過街通道，由于埋深較淺，因而其穩(wěn)定性尤為重要。通常通過超前支護等措施增加其安全系數(shù)以達到提高穩(wěn)定性的目的。本文采用ANSYS有限元軟件，巖土體為DP模型，通過對無支護、實施超前支護+初襯、完成二襯后的安全系數(shù)進行對比分析，研究地下過街道穩(wěn)定性變化及工程中應(yīng)注意的問題。

本文地下過街通道埋深取4 m，不考慮地下水的影響;巖土層為厚28 m的粉質(zhì)粘土;地下過街通道寬6 m，高5 m，初襯厚30 cm，二襯厚40 cm。頂板采用管棚注漿超前支護。

有限元計算模型網(wǎng)格劃分如圖1所示。該模型左右邊界水平(X)方向位移約束，下邊界豎向(Y)方向位移約束，上邊界為自由面。

計算參數(shù)如表1所示。

表1 材料力學參數(shù)

3 街道有限元模擬結(jié)果及分析

在對地下工程數(shù)值模擬時，首先要考慮地層自重產(chǎn)生的初始應(yīng)力場的作用，并將變形初始化。

1)無支護開挖。

在無支護條件下，毛洞開挖后，洞室將坍塌破壞。為找出毛洞開挖后的安全系數(shù)，將材料參數(shù)按照前文方法進行折減，計算結(jié)果分別如圖2和表2所示。

表2 開挖后無支護計算結(jié)果

由圖2和表2可以看出，隨著折減系數(shù)的增大，地道圍巖塑性區(qū)擴大，折減系數(shù)達到0.7時，塑性區(qū)擴展到地面?？梢?，無支護過街道開挖的安全系數(shù)為ω=0.7＜1。所以無支護條件下地道開挖是不穩(wěn)定的，在施工時必須進行超前加固。隨著折減系數(shù)的增大，位移和塑性區(qū)增大，塑性應(yīng)變增大。

2)超前支護開挖。

過街道開挖前進行管棚注漿超前支護。同樣進行不同安全系數(shù)下的開挖數(shù)值模擬計算，計算結(jié)果如圖3和表3所示。

表3 開挖前初期支護計算結(jié)果

由圖3和表3可知，在有初期支護條件下，洞室的安全系數(shù)可以達到1.1，此時洞室能夠臨時穩(wěn)定，能夠確保施工安全，而保證洞室長期穩(wěn)定，需進一步施作二襯。隨著折減系數(shù)的增大，位移和塑性區(qū)增大，塑性應(yīng)變增大。

3)二次襯砌支護。

過街道開挖后，進行二次襯砌支護。同樣進行不同安全系數(shù)下的洞室穩(wěn)定性計算，計算結(jié)果如表4所示。

表4 二次襯砌支護模型計算結(jié)果

由表4可知，完成二次襯砌情況下，過街道安全系數(shù)達到1.5，大于規(guī)范中規(guī)定的1.3，因而可以保證洞室的長期安全。隨著折減系數(shù)的增大，位移和塑性區(qū)增大，塑性應(yīng)變增大。

4 結(jié)語

本文簡要介紹了有限元強度折減法的基本理論。并對地下過街道施工穩(wěn)定性進行有限元強度折減法模擬計算分析。

1)隨著強度折減系數(shù)的增加，塑性區(qū)范圍也隨之增大。

2)后期塑性區(qū)范圍增幅速度加大，導致土體變形的增速也隨之加大。

3)在無支護條件下，洞室安全系數(shù)小于1.0，無法滿足施工安全要求。

4)采取超前支護及加固措施后，可以使安全系數(shù)大于1.0，保證短時間內(nèi)洞室的穩(wěn)定，但無法保證洞室長期的穩(wěn)定安全。

5)采用二次襯砌后，安全系數(shù)達到1.5，大于規(guī)范標準要求。

[1]Zienkiewicz O C，Humpheson C，Lewis R W.Associated and nonassociated viscoplasticity and plasticity in soil mechanics[J].Geotechnique，1975，25(04):671-689.

[2]鄭穎人，趙尚毅.有限元強度折減法在土坡與巖坡中的應(yīng)用[J].巖石力學與工程學報，2004，23(19):3381-3388.

[3]楊宇江，莊文廣，王照亞，等.基于強度折減法的地下采場穩(wěn)定性分析[J].東北大學學報(自然科學版)，2011，32(6):864-867.

[4]劉 云，王 成，鄭穎人，等.水下砂樁復(fù)合地基承載力分析的有限元強度折減法研究[J].重慶建筑，2013(2):17-19.

[5]胡 巍，徐德金.有限元強度折減法在底板突水風險評價中的應(yīng)用[J].煤炭學報，2013，38(1):27-32.

[6]張黎明，鄭穎人.有限元強度折減法在公路隧道中的應(yīng)用探討[J].巖土力學，2007，28(1):97-101.