趙　鑫, 張良平, 程方權(quán), 強(qiáng)魯斌, 麻　斌

(長江巖土工程總公司(武漢),湖北 武漢　430010)

0　引言

基坑工程的穩(wěn)定性問題長久以來都是巖質(zhì)邊坡的一個(gè)重要研究課題,因?yàn)樗婕暗矫窠üこ獭⒋笮退こ?、礦山開采工程等許多工程領(lǐng)域,所以能否正確評價(jià)基坑開挖工程的穩(wěn)定性直接影響到建設(shè)資金的投入回報(bào)以及施工的安全保障。通過幾十年學(xué)者對其不懈的努力,基坑工程的穩(wěn)定性分析方法發(fā)展很多,但是每種方法都有自己一定的適用條件,這是因?yàn)槊糠N方法都有著自己的特點(diǎn)。因此如何建立合理的數(shù)值分析模型以適應(yīng)具體基坑工程的地質(zhì)環(huán)境條件,精確地分析它的精度需求,進(jìn)而有效合理地選取與實(shí)際情況相適應(yīng)的基坑工程穩(wěn)定性分析方法,是一項(xiàng)值得研究的重要課題[1]。

1　不同應(yīng)力路徑下土體的變形性狀對比分析

試驗(yàn)土樣取自桂林市典型的融縣組石灰?guī)r殘積紅粘土,進(jìn)行兩組試驗(yàn):A組卸荷試驗(yàn)(軸向應(yīng)力σ1保持不變,側(cè)向應(yīng)力σ3逐漸減小);B組常規(guī)試驗(yàn)(側(cè)向應(yīng)力σ3保持不變,軸向應(yīng)力σ1逐漸增加),對比分析應(yīng)力路徑的不同對土體變形特性的影響[2]。

為了更加直觀地對不同應(yīng)力路徑下的土體應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線加以比較,現(xiàn)將同一固結(jié)壓力下的兩組試驗(yàn)應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線繪制在一起,如圖1-圖2為固結(jié)壓力100 kPa關(guān)系曲線、圖3-圖4為固結(jié)壓力300 kPa關(guān)系曲線。從圖中可以看到,土體的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線在剪切的初始階段近似表現(xiàn)為直線關(guān)系,但是隨著應(yīng)力差的持續(xù)增加,土體的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線便會表現(xiàn)出明顯的非線性關(guān)系。從圖中還能夠看出,土體在發(fā)生破壞時(shí)的應(yīng)變基本上是在15%,可以說明在三軸試驗(yàn)中,常規(guī)應(yīng)力路徑下的試驗(yàn)采用的以應(yīng)變15%的主應(yīng)力差作為破壞點(diǎn)同樣也適用于卸荷應(yīng)力路徑下的土體。因?yàn)榭紤]到(σ1-σ3)-ε1曲線在出現(xiàn)應(yīng)力差峰值后的點(diǎn)已經(jīng)不能夠滿足Δσ1=0的先決條件,所以只考慮出現(xiàn)峰值點(diǎn)前(包括峰值點(diǎn))的情況,來進(jìn)行卸荷應(yīng)力路徑條件下的土體變形特性的分析。

圖1　圍壓為100 kPa時(shí)應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線

圖2　圍壓為100 kPa時(shí)ε1/(σ1-σ3)-ε1關(guān)系曲線

圖3　圍壓為300 kPa時(shí)應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線

圖4　圍壓為300 kPa時(shí)ε1/(σ1-σ3)-ε1關(guān)系曲線

從上圖可以看出,土體(σ1-σ3)-ε1關(guān)系曲線在卸荷或常規(guī)應(yīng)力路徑條件下,如果不考慮峰值點(diǎn)后的點(diǎn),則其應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系基本上表現(xiàn)為雙曲線關(guān)系,變化坐標(biāo)后擬合的ε1/(σ1-σ3)-ε1的關(guān)系,均呈現(xiàn)出近似的線性關(guān)系;在同一固結(jié)壓力下,相同的軸向應(yīng)變下,卸荷應(yīng)力路徑條件下的極限強(qiáng)度總是低于常規(guī)應(yīng)力路徑條件下的極限強(qiáng)度,所以如果在基坑設(shè)計(jì)時(shí)采用常規(guī)試驗(yàn)取得的土體參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算,對于基坑工程的施工是偏于危險(xiǎn)的。同時(shí),還需提出的是,各組曲線的初始切線斜率均隨著固結(jié)壓力的增大而增大。

2　基坑開挖工程有限元模型建立

基坑開挖的過程就是基坑內(nèi)土體的豎直方向卸載和基坑側(cè)向水平方向卸載的過程,這一土體卸載的過程改變了基坑內(nèi)土體的初始應(yīng)力狀態(tài),基坑側(cè)向水平土體由于卸荷的作用,可能引起土體向坑內(nèi)產(chǎn)生位移變形,而基坑底部的土體可能產(chǎn)生垂直向上的隆起,坑底隆起主要原因是因?yàn)樨Q直方向卸載減小了土體的初始地應(yīng)力,坑底的隆起量隨著開挖深度的不同而變化,在開挖初期土體僅僅發(fā)生可以恢復(fù)的彈性變形,此時(shí)坑底的中部隆起量最大,并且這種隆起量基本上不會產(chǎn)生坑側(cè)土體向坑內(nèi)的變形,隨著開挖深度的加大,坑底土體產(chǎn)生不可恢復(fù)的塑性變形,而且坑側(cè)土體也因?yàn)榭拥椎乃苄宰冃闻c地面上的各種荷載的共同作用向坑內(nèi)方向產(chǎn)生變形移動,同時(shí)使基坑周圍的土體出現(xiàn)屈服區(qū)域,并且坑底土體的塑性隆起以及坑周土體的側(cè)向位移使基坑周邊鄰近的地層出現(xiàn)沉降。

本次模擬計(jì)算采用FLAC3D程序進(jìn)行:基坑的分析范圍,長×寬×高=15 m×15 m×20 m,開挖長×寬×深=5 m×5 m×6 m,分三步開挖。為了對比分析進(jìn)行土體三軸剪切試驗(yàn)在常規(guī)應(yīng)力路徑下與卸荷應(yīng)力路徑下得出的參數(shù)指標(biāo),故本次模擬計(jì)算中沒有加入支護(hù)結(jié)構(gòu),表1為本次模擬試驗(yàn)采用的計(jì)算參數(shù),本構(gòu)模型采用摩爾—庫倫模型[3](圖5)。

表1　土體的計(jì)算參數(shù)

圖5　網(wǎng)格及邊界條件

3　數(shù)值分析結(jié)果

3.1　數(shù)值分析云圖

數(shù)值分析云圖見圖6-圖8。

3.2　采取不同參數(shù)計(jì)算結(jié)果對比分析(見表2)

表2　基坑側(cè)向位移的對比數(shù)據(jù)

由基坑水平方向位移圖(圖8)可以看出,采用三軸卸荷試驗(yàn)取得的指標(biāo)參數(shù)求得的水平方向的位移為7.09 mm,大于采用常規(guī)三軸試驗(yàn)取得的指標(biāo)參數(shù)求得的計(jì)算結(jié)果6.00 mm。特別是在基坑周邊的土體,在施工工藝與其他施工條件完全相同的情況下,用卸荷路徑條件下三軸剪切試驗(yàn)獲取的材料參數(shù)指標(biāo)計(jì)算的最大水平方向變形是常規(guī)應(yīng)力路徑下三軸剪切試驗(yàn)獲取的材料參數(shù)指標(biāo)計(jì)算的最大水平方向變形的1.18倍。這一對比分析結(jié)果可以表明,在基坑開挖工程中,土體的側(cè)向卸荷過程較普通的常規(guī)過程,其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)降低,也就是說土體的抵抗變形的能力也降低了。

圖6　基坑豎向位移圖

圖7　基坑水平方向應(yīng)力圖

圖8　基坑水平方向位移圖

一般基坑支護(hù)體系設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容之一就是要考慮基坑土體的水平變形對鄰近場地環(huán)境的影響。通過上述比較可以看出,采用三軸卸荷試驗(yàn)取得的指標(biāo)參數(shù)計(jì)算的水平方向的變形量比常規(guī)三軸試驗(yàn)計(jì)算的水平方向的變形量增大了近18%,這一不小的差距不能忽視,尤其是對基坑鄰近場地建筑物的水平移動以及豎向的沉降造成了不小的影響。

由基坑豎向位移圖(圖6)可以看出,卸荷指標(biāo)計(jì)算的最大坑底隆起量為7.44 cm，常規(guī)指標(biāo)計(jì)算的最大坑底隆起量為6.79 cm,坑周最大沉降,卸荷指標(biāo)計(jì)算值為2.24 mm,常規(guī)指標(biāo)計(jì)算值為2.08 mm。由圖7基坑水平方向應(yīng)力圖可以看出,卸荷指標(biāo)計(jì)算值為82.9 kPa,常規(guī)指標(biāo)計(jì)算值為70.0 kPa。卸荷試驗(yàn)計(jì)算指標(biāo)結(jié)果均大于常規(guī)試驗(yàn)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果。這一結(jié)果表明,基坑開挖工程中,側(cè)向卸荷的過程對土體的應(yīng)力—應(yīng)變性狀有著很深的影響。如果不考慮基坑土體的開挖卸荷過程對土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響,在實(shí)際工程中設(shè)計(jì)計(jì)算基坑支護(hù)體系時(shí),將會使支護(hù)體系水平方向的變形以及基坑周圍地表沉降的預(yù)測偏小。這對基坑支護(hù)體系本身的安全以及基坑鄰近場地的安全穩(wěn)定都將構(gòu)成潛在的巨大隱患[4]。

4　結(jié)論

在基坑設(shè)計(jì)施工中,基坑的開挖是一個(gè)土體卸荷的過程,如果按照常規(guī)試驗(yàn)所得參數(shù)進(jìn)行基坑支護(hù)設(shè)計(jì),將違背土體真實(shí)的應(yīng)力路徑,勢必會對基坑的穩(wěn)定性計(jì)算產(chǎn)生誤差,側(cè)向卸荷應(yīng)力路徑下的三軸試驗(yàn)指標(biāo)計(jì)算的坑周水平變形、水平方向土壓力、坑底隆起量以及地面沉降均較常規(guī)應(yīng)力路徑下的三軸試驗(yàn)指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果偏大,其中坑周水平變形量前者是后者的1.18倍,水平方向土壓力前者是后者的1.18倍。故如果在基坑工程支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算設(shè)計(jì)中,不考慮基坑開挖卸荷對土體本構(gòu)關(guān)系及強(qiáng)度指標(biāo)的影響將使支護(hù)結(jié)構(gòu)上的土壓力計(jì)算偏小,支護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形的預(yù)測偏于不安全。

參考文獻(xiàn):

[1]顧曉魯,錢鴻縉,劉惠珊,汪時(shí)敏.地基與基礎(chǔ)[M].3版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2003.

[2]趙鑫,陳學(xué)軍.不排水條件下基坑卸荷土體變形機(jī)理研究(Ⅰ)[J].四川建筑科學(xué)研究,2010，36(5):117-119.

[3]劉波,韓彥輝.FLAC原理、實(shí)例與應(yīng)用指南[M].北京:人民交通出版社,2005.

[4]趙鑫.卸荷條件下土體變形性狀研究——以桂林地區(qū)紅粘土為例[D].武漢：中國地質(zhì)大學(xué)(武漢),2011.