曾酉源 唐延貴

基于強(qiáng)度折減法的基坑土釘支護(hù)穩(wěn)定性分析

曾酉源 唐延貴

（成都四海巖土工程有限公司 成都 610041）

運(yùn)用FLAC3D建立基坑土釘支護(hù)數(shù)值計(jì)算模型，以理想邊坡為例，對比不同極限平衡法與強(qiáng)度折減法所得安全系數(shù)，驗(yàn)證強(qiáng)度折減法在穩(wěn)定性計(jì)算的可行性。將強(qiáng)度折減法應(yīng)用到實(shí)際工程，對成都某土釘支護(hù)基坑，分析均質(zhì)土層和非均質(zhì)土層情況下邊坡穩(wěn)定系數(shù)，并與理正計(jì)算結(jié)果對比，計(jì)算結(jié)果吻合較好，可為土釘支護(hù)設(shè)計(jì)提供參考。

土釘支護(hù)；強(qiáng)度折減法；FLAC3D；穩(wěn)定系數(shù)；基坑

1 引言

土釘作為一種主動受力的支護(hù)結(jié)構(gòu)，被廣泛用于基坑支護(hù)中。通過在基坑邊坡中插入土釘以約束連接土體，提高土體本身的強(qiáng)度和自穩(wěn)能力。相比其他支護(hù)結(jié)構(gòu)，土釘支護(hù)具有施工速度快、材料用量少、對場地適應(yīng)性強(qiáng)以及安全經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)。土釘主要依賴土體變形后接觸界面的粘結(jié)力或摩擦力發(fā)揮作用，使加固土體保持穩(wěn)定，其支護(hù)效果在很大程度上取決于土體本身抵抗破壞的能力，因此土釘支護(hù)的穩(wěn)定性分析就顯得十分重要。

對土釘支護(hù)穩(wěn)定性分析主要分為三類：1)極限平衡分析方法，即先假定破壞面的形狀，通過試算確定每個(gè)可能破壞面所對應(yīng)的穩(wěn)定安全系數(shù)，找出臨界破壞面位置并給出對應(yīng)的安全系數(shù)。2)工程簡化分析方法，即直接給定臨界破壞面的位置、不同部位土釘?shù)淖畲罄?，以此確定土釘直徑以及伸入穩(wěn)定土體的長度。3)數(shù)值計(jì)算方法，即考慮土體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，模擬開挖過程以及考慮土和結(jié)構(gòu)的變形協(xié)調(diào)，同時(shí)可以考慮土體的非均勻性和各向異性等。

本文首先通過理想邊坡安全系數(shù)計(jì)算，驗(yàn)證FLAC3D強(qiáng)度折減法的可行性，并利用該方法計(jì)算均質(zhì)土層與非均質(zhì)土層情況下，基坑土釘支護(hù)的安全系數(shù)，并與理正設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行對比。

2 現(xiàn)行規(guī)程中土釘支護(hù)穩(wěn)定計(jì)算方法

根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ120-2012)的要求，在進(jìn)行土釘墻設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對其整體穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算?；诱w穩(wěn)定性包括內(nèi)部整體穩(wěn)定和外部整體穩(wěn)定。通常的整體穩(wěn)定性是指基坑內(nèi)部穩(wěn)定性而言，土釘支護(hù)的內(nèi)部整體穩(wěn)定性分析是指邊坡土體中可能出現(xiàn)的破壞面發(fā)生的在支護(hù)內(nèi)部并穿過全部或部分土釘。對于普通土釘墻，規(guī)程規(guī)定錨拉式支擋結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性可采用圓弧滑動條分法進(jìn)行驗(yàn)算。當(dāng)擋土構(gòu)件底端以下存在軟弱下臥土層時(shí)，整體穩(wěn)定性驗(yàn)算滑動面中尚應(yīng)包括由圓弧與軟弱土層層面組成的復(fù)合滑動面[1]。

3強(qiáng)度折減法

強(qiáng)度折減法首先給定強(qiáng)度折減系數(shù)Fs，通過彈塑性計(jì)算確定基坑邊坡應(yīng)力應(yīng)變場，并對應(yīng)力應(yīng)變或位移的某些分布特征進(jìn)行分析。同時(shí)，通過不斷增大折減系數(shù)，應(yīng)用公式(1)調(diào)整土體的強(qiáng)度指標(biāo)，并根據(jù)相應(yīng)的破壞失穩(wěn)判據(jù)判斷邊坡失穩(wěn)破壞，破壞時(shí)的折減系數(shù)即為穩(wěn)定安全系數(shù)。

目前強(qiáng)度折減法尚無統(tǒng)一的破壞失穩(wěn)判據(jù)，即安全系數(shù)求解過程的終止條件。本文 FLAC3D 求解安全系數(shù)時(shí)，單次安全系數(shù)的計(jì)算主要采用數(shù)值計(jì)算的收斂性作為失穩(wěn)判據(jù)[2]。

4理想邊坡驗(yàn)證

為驗(yàn)證基于FLAC3D的強(qiáng)度折減法的可行性，選取理想邊坡進(jìn)行分析。理想邊坡坡腳45°，土體計(jì)算參數(shù)為：重度γ= 17.5kN/m3，黏聚力c=10kPa，內(nèi)摩擦角φ=10°，彈性模量 E=18MPa，泊松比μ=0. 25，本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb模型。且在折減過程中不考慮彈性模量與泊松比的修正，土體抗拉強(qiáng)度忽略不計(jì)。根據(jù)張魯渝、鄭穎人等[3]的建議，邊坡左邊界至坡腳的距離等于1.5H，其中坡高H為6.5m，坡頂至右邊界的距離等于2.5H，坡頂部到底部邊界等于2H進(jìn)行數(shù)值計(jì)算建模。

通過計(jì)算得到瑞典條分法、畢肖普法和強(qiáng)度折減法的安全系數(shù)分別為0.854、0871和0.881。瑞典條分法計(jì)算得到安全系數(shù)相對較小，強(qiáng)度折減法得到的安全系數(shù)與畢肖普法相近。

5實(shí)例分析

選取成都某基坑，坡高H為6.5m，坡腳為45°?？辈靾?bào)告土體力學(xué)參數(shù)沒有提供變形模量、泊松比值。變形模量可由壓縮模量換算得到，如下式：

式中，E0為變形模量(MPa)；Es為壓縮模量(MPa)；μ為泊松比。

土釘采用HRB400級鋼筋，錨桿鉆孔注漿材料為水泥漿，強(qiáng)度不低于M30。土釘長度依次為6m、5m、4m、3m，豎向間距為1.5m，除第四排土釘與水平方向角度為30°外，其余土釘與水平方向角度均為20°。

對于均質(zhì)土層情況，土層為素填土。由計(jì)算得到均質(zhì)土層情況下土釘支護(hù)基坑安全系數(shù)為1.001。增設(shè)土釘后，基坑邊坡安全系數(shù)從0.881提高到1.001。相同模型通過理正深基坑計(jì)算得到安全系數(shù)為0.979，相較于FLAC3D計(jì)算得到的安全系數(shù)，理正得到的安全系數(shù)相對較小。

對于非均質(zhì)土層情況，土層從上到下依次為雜填土(層厚1.25m)、素填土(層厚3.5m)以及粉質(zhì)粘土，土釘設(shè)置與均質(zhì)土層情況相同。根據(jù)理正深基坑設(shè)置5個(gè)工況，運(yùn)用強(qiáng)度折減法計(jì)算得到非均質(zhì)土層情況下不同工況的安全系數(shù)分別為2.495、1.756、1.721、1.633和1.633，理正計(jì)算結(jié)果分別為2.191、1.608、1.318、1.511和1.619。

通過不同工況下的安全系數(shù)的對比可知，與FLAC3D計(jì)算得到的安全系數(shù)相比，理正得到的不同工況下安全系數(shù)相對較小，計(jì)算結(jié)果相對較保守。

6結(jié)論

本文通過理想邊坡驗(yàn)證，對比強(qiáng)度折減法與極限平衡法得到的安全系數(shù)，得出強(qiáng)度折減法計(jì)算基坑土釘支護(hù)安全系數(shù)是可行的。對于理想邊坡，采用強(qiáng)度折減法給出的安全系數(shù)與極限平衡法得到的安全系數(shù)相近。對于增設(shè)土釘?shù)幕舆吰?，采用FLAC3D計(jì)算得到的安全系數(shù)較極限平衡方法得到的安全系數(shù)大。對于非均質(zhì)土層，不同工況下理正深基坑得到的安全系數(shù)均較為保守。

[1]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. JGJ120-2012建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程[S]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2012.

[2]陳育民，徐鼎平. FLAC/FLAC3D基礎(chǔ)與工程實(shí)例[M]. 北京: 中國水利水電出版社.

[3]張魯渝，鄭穎人，趙尚毅，等. 有限元強(qiáng)度折減系數(shù)法計(jì)算土坡穩(wěn)定安全系數(shù)的精度研究[J]. 水利學(xué)報(bào), 2003(1):21-27.

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