趙銳 付瑞勇

(山東建勘集團(tuán)有限公司 山東濟(jì)南 250031)

當(dāng)前國內(nèi)外在對巖土數(shù)值極限分析方法的應(yīng)用過程中已經(jīng)積累了大量的經(jīng)驗(yàn)，并與邊坡工程、地基工程、隧洞工程相結(jié)合，在穩(wěn)定性分析方面發(fā)揮著非常重要的作用。作為一種全新的力學(xué)方法與設(shè)計(jì)手段，各類巖土工程以及與巖土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、強(qiáng)度相關(guān)的問題都可對本方法進(jìn)行深入應(yīng)用。因此，本文即嘗試對巖土數(shù)值極限分析方法的發(fā)展與應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)。

1 巖土數(shù)值極限法在邊坡中的應(yīng)用

目前在邊坡工程穩(wěn)定性分析領(lǐng)域中，對巖土數(shù)值極限法的應(yīng)用主要體現(xiàn)在邊坡穩(wěn)定性以及工程防治措施可靠性驗(yàn)證這兩個(gè)方面。有關(guān)研究人員嘗試對巖土數(shù)值極限法在順層巖體邊坡中的應(yīng)用問題進(jìn)行分析，構(gòu)建兩組不同方向結(jié)構(gòu)面，貫通率為100.0%，平均間距為10.0m，第一組軟弱結(jié)構(gòu)面傾角為30.0°，第二組軟弱結(jié)構(gòu)面傾角75.0°。在邊坡穩(wěn)定性分析中引入平面應(yīng)變模擬方法，通過有限元極限分析的方式得到如圖1所示破壞過程，結(jié)合圖1顯示主滑動(dòng)面最先形成，后期演化發(fā)展出第二～第三次生滑動(dòng)面，根據(jù)有限元極限分析方法對穩(wěn)定安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，取值為1.18。同時(shí)，在主滑動(dòng)面形態(tài)已知的情況下還可應(yīng)用傳統(tǒng)極限平衡法對穩(wěn)定安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，取值為1.17，兩種方法計(jì)算結(jié)果存在良好的相符性以及一致性。

2 巖土數(shù)值極限法在地基中的應(yīng)用

2.1 平板載荷試驗(yàn)

平板載荷試驗(yàn)通過荷載作用力與沉降量的對應(yīng)關(guān)系，對建筑物基礎(chǔ)工作條件進(jìn)行模擬，以確定地基基礎(chǔ)承載力水平，應(yīng)用巖土數(shù)值極限法可以對平板載荷試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬。以某工程項(xiàng)目地基基礎(chǔ)載荷試驗(yàn)結(jié)果為例，當(dāng)壓力取值為380.0kPa的情況下，壓力-沉降曲線趨近于直線，第一拐點(diǎn)～960.0kPa間，壓力-沉降曲線呈現(xiàn)出上升趨勢，960.0kPa壓力取值條件下對應(yīng)沉降量為29.2mm，當(dāng)壓力取值提高至1060.0kPa的情況下，于承壓板周邊土體開始出現(xiàn)隆起表現(xiàn)，提示地基土體達(dá)到破壞狀態(tài)。在上述情況下，考慮到比例極限＜50%極限承載力水平，因此將承載力特征值取380.0kPa。而根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)以及現(xiàn)場測定結(jié)果，在泊松比、變形模量已知的條件下，可以將圓形剛性承壓板視作一個(gè)軸對稱模型，模型寬度為10*地基寬度，模型長度為9.5*地基寬度，按照該標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建有限元模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，以M-C為屈服準(zhǔn)則，應(yīng)用有限元分析方法對極限荷載作用力進(jìn)行求解，其值為1140.0kPa，略高于實(shí)驗(yàn)值，整體相符性良好，在壓力380.0～960.0kPa區(qū)間內(nèi)，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線有一定出入，但在不足380.0kPa以及高于960.0kPa的情況下，曲線吻合情況良好，因此可以認(rèn)為：在參數(shù)接近實(shí)際的情況下，有限元計(jì)算載荷沉降量與實(shí)際值相符性良好。

2.2 樁基礎(chǔ)豎向極限荷載

受樁基幾何特征，地質(zhì)條件，成樁方法等一系列因素的影響，樁基礎(chǔ)會呈現(xiàn)出一定的改變。目前對樁基豎向承載力的計(jì)算方法以靜載荷實(shí)驗(yàn)所得樁頂荷載-位移曲線為主，但受到靜載荷實(shí)驗(yàn)條件約束因素的影響，實(shí)驗(yàn)樁基加載量難以滿足極限荷載值要求，因此也會在一定程度上對樁基礎(chǔ)極限荷載的結(jié)果精確性產(chǎn)生影響。在有限元極限分析法中，可以通過樁基礎(chǔ)強(qiáng)度折減或者樁頂荷載-位移曲線對樁基極限荷載作用進(jìn)行計(jì)算，考慮到阻力作用，隨著荷載水平的增加，樁端地基土?xí)尸F(xiàn)出塑性流動(dòng)的趨勢，沿豎向呈顯著沉降，進(jìn)而對工程實(shí)踐中樁基礎(chǔ)的正常應(yīng)用產(chǎn)生不良影響。一般情況下，樁基礎(chǔ)極限承載力水平會同時(shí)受到樁豎向極限承載力、樁端阻力極限值、樁側(cè)摩阻力極限值、樁端截面積、樁自身周長、樁基長度等一系列因素的影響。同時(shí)考慮對安全系數(shù)定義的差異，以往超載安全系數(shù)是以載荷試驗(yàn)為基礎(chǔ)確定極限荷載水平，采用強(qiáng)度折減法是以基礎(chǔ)極限載荷為依據(jù)得到相應(yīng)的安全儲備系數(shù)，因而在數(shù)值上會呈現(xiàn)出一定差異，但發(fā)生破壞的情況下，安全系數(shù)取值均為1，此情況下具有互相等同的關(guān)系。以某振動(dòng)沉管灌注樁為例，該樁基直徑為377.0mm，樁長為23.0m，靜載荷實(shí)驗(yàn)加載作用力至1600.0kN的情形下，樁頂荷載-位移曲線未見拐點(diǎn)，故將該值確定為極限承載力。

圖1 巖土邊坡破壞過程有限元極限分析結(jié)果示意圖

3 巖土數(shù)值極限法在隧洞破壞中的應(yīng)用

3.1 深埋巖體隧洞破壞機(jī)制

有關(guān)研究中以有節(jié)理巖體隧洞為例，分別進(jìn)行室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)以及有限元極限法模擬計(jì)算，對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果顯示兩者所得到隧洞破壞破裂面有良好的相似性。室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)破裂面與動(dòng)壁最大距離左側(cè)為58.0mm，右側(cè)為40.0mm，數(shù)值模擬破裂面與洞壁最大距離左側(cè)為61.0mm，右側(cè)為43.0mm，提示兩種方法在破壞極限荷載值方面的一致性高。除此以外，還有研究人員嘗試對不同節(jié)理傾角下的等效塑性應(yīng)變情況進(jìn)行分析，并給出相對應(yīng)的隧洞圍巖安全系數(shù)值，同樣表現(xiàn)出了良好的相符性關(guān)系。

3.2 淺埋隧洞破壞機(jī)制

有關(guān)研究人員以淺埋隧洞為研究對象，在設(shè)定隧洞洞跨為8.0m，洞高為12.0m，埋設(shè)深度為4.0m，洞深為15.0m的情況下，分別進(jìn)行室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)以及有限元極限法數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果可知，在淺埋隧洞破裂面位置以及形狀上，兩種計(jì)算方法表現(xiàn)出了良好的相似性。在極限荷載水平方面，模型試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果為28.0kN，有限元極限法數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果為26.0kN，同樣相符性良好。

4 結(jié)語

對于現(xiàn)代巖土工程而言，力學(xué)狀態(tài)呈現(xiàn)出復(fù)雜化的發(fā)展趨勢，涉及到二維、三維、流固耦合問題、多場耦合問題等；工程類型更加復(fù)雜，除邊坡工程、地基工程外，尚有隧道工程、巖土環(huán)境工程等；除工程設(shè)計(jì)施工外，尚有巖土勘察、監(jiān)測、檢測、現(xiàn)場試驗(yàn)、預(yù)警預(yù)報(bào)等。這些項(xiàng)目都可運(yùn)用數(shù)值極限分析方法求解。因此，本文重點(diǎn)圍繞巖土數(shù)值極限分析方法的發(fā)展及其應(yīng)用問題進(jìn)行總結(jié)，概括其在邊坡、地基、隧洞工程中的應(yīng)用要點(diǎn)，望能夠引起業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注與重視，以期促進(jìn)巖土數(shù)值極限分析方法的推廣應(yīng)用。