趙瑩

黃淮學院建筑工程學院（463000）

邊坡失穩(wěn)框架結構的安全評估及施工建議

趙瑩

黃淮學院建筑工程學院（463000）

隨著山區(qū)景點建設項目的不斷開發(fā)，在邊坡上建設辦公樓及娛樂設施時有發(fā)生，而既建結構整體安全評估因缺乏相應規(guī)范一直是工程界的難點之一。文中依托某粉質邊坡預修建六層框架辦公樓工程實例，采用理論分析、數值模擬和現場實測數據分析等方法，對預建建筑結構和粉質邊坡的整體安全穩(wěn)定性進行研究。并計算出安全系數，以便為同類工程實踐提供一定程度上的參考。

邊坡；強度折減；破壞過程；安全系數

0 引言

邊坡穩(wěn)定性分析涉及公路、水電、土建等諸多工程領域，是巖土力學問題研究的重要環(huán)節(jié)內容[1]，亦是工程界研究的重要內容之一。邊坡穩(wěn)定性的分析方法較多，主要包括理論分析、模型實驗和數值模擬。理論分析較難準確反映實際工況，模型實驗多少縮尺模型[2]，材料的相似性和滑坡機理較難準確量化。隨著計算機技術的不斷發(fā)展，數值模擬成為工程界研究邊坡的一個重要趨勢。

結合強度折減法建立有限元模型，通過不斷折減巖土強度參數黏聚力和摩擦角來計算邊坡失穩(wěn)時的安全系數[3]。失穩(wěn)判斷主要從兩個方面綜合考慮：一是有限元計算不收斂；二是形成貫通的塑性變形區(qū)。利用有限元計算安全系數分為兩種：局部安全系數和整體安全系數，邊坡穩(wěn)定性分析多考慮局部安全系數。通過有限元計算邊坡的安全系數,可以對易發(fā)生滑坡災害的邊坡提出相應的加固措施。

這里結合某土質邊坡上6層框架辦公樓工程實例，建立二維有限元模型，對修建結構的安全穩(wěn)定性進行評價。

1 工程概況

圖1 立面示意圖

某地區(qū)邊坡上建6層框架辦公樓，框架1～2層混凝土等級為C35，3～6層混凝土等級為C30?；A采用柱下鋼筋混凝土條形基礎。框架與邊坡位置剖面圖如圖1所示。

邊坡巖體彈性模量E=120 MPa，泊松比V= 0.32，黏聚力c=13 KPa，摩擦角=22°。

2 有限元模型建立

采用大型通用有限元分析軟件ABAQUS建立模型。模型尺寸參考圖2。為反映邊坡強度折減中破壞面應力集中和位移變化特征，將模型單元局部網格進行細化。邊坡采用CPE4R（平面應變縮減實體單元）模擬，框架采用BEAM（梁）單元模擬；模型采用STRUCTURE(結構化分析)劃分網格；模型邊界條件采用固定約束，兩側限制法向位移。模型網格劃分如圖3所示。

圖2 Mohr-Coulomb模型中的屈服面

圖3 模型網格圖

模型荷載示意圖如圖4所示。邊坡主要考慮巖體自重，建筑物結構僅考慮自重荷載，對于地震等復雜工況下的荷載組合暫不考慮。有限元模型計算中，邊坡巖體采用Mohr-Coulomb本構模型，其他結構采用線彈性本構模型。

圖4 模型荷載圖

Mohr-Coulomb屈服面函數為：

式中：φ摩擦角，c為黏聚力，Rmc是控制屈服面在P平面上形狀的函數，q是剪應力，p是平均主應力。

3 邊坡失穩(wěn)框架結構安全評估

邊坡強度失穩(wěn)破壞的判據：

1）結構面出現較大位移，且位移變化趨勢處于自由狀態(tài)；

2）形成貫通的塑性區(qū)；

3）有限元計算不收斂。

安全系數定義：邊坡強度參數由c和φ折減到c'和φ'，則相應的安全系數為：

圖5 位移等值線云圖

圖5是邊坡失穩(wěn)時的位移云圖，從圖5可知：左側邊坡形成貫通的位移面，且在底角出現最大位移值20 mm；位移滑動面基本位于既建建筑物的樁基下面。圖6是邊坡失穩(wěn)時的塑性區(qū)云圖。結合圖6可知：邊坡失穩(wěn)時的破壞面最早位于左側坡腳。從圖7計算安全系數與坡腳位移曲線可知，拐出現點時對應的安全系數為0.72。為保證既建6層框架結構安全，建議施工前采用相應的加固措施。

圖6 塑性區(qū)云圖

圖7 Fr與U1的變化關系

4 安全施工建議

為保證建筑物結構施工、后期使用的安全，建議施工中采取以下主要措施：

施工前制訂完整的專項施工方案，并設置專門的安全生產人員，對施工人員進行崗前培訓。

邊坡采用“抗滑樁”進行加固，具體施工位置、樁間距或埋深，應結合現場資料進行計算確認，并編制方案進行專家論證，經專家同意后方可施工。

建筑基坑施工過程中，應加強基坑支護，并對邊坡的側向變形進行動態(tài)監(jiān)測，一旦發(fā)現問題及時進行處理。

5 結論

結合工程實例，建立有限元模型，對既有邊上修建建筑結構安全進行評估，研究得出的主要結論如下：

通過巖體強度參數黏聚力和摩擦角，可與直觀揭示邊坡失穩(wěn)破壞的位移特征和塑性滑動面，為邊坡設計、施工提供工程實踐參考數據。

評價結果表明，在既建建筑物結構荷載的影響下，邊坡整體穩(wěn)定性較差，建議在辦公樓建設前采取加固措施。

參考文獻:

[1]GriffithsDVandLanePA.SloPeStability Analysisby Finite Elements[J].Geoteehnique,1999,49(3)：387-403.

[2]王棟,年廷凱,陳煜淼.邊坡穩(wěn)定有限元分析中的三個問題[J].巖土力學.2007(1).

[3]周維垣,楊強等.巖石力學數值計算方法7MI.北京：中國電力出版社,2005.