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基于失稳加速度的支护基坑稳定分析方法研究

傅志斌  
【摘要】:基坑工程向超大、超深方向发展,同时周边地质、环境条件更为复杂,对变形控制要求更为严格,基坑工程安全控制问题显得更为突出和紧迫。提高边坡稳定分析计算方法的精度,探索新的稳定分析方法,是地质工程和岩土力学研究的重要课题,如今基础建设高速发展,密集市区基坑边坡垮塌事故频发,人民生命财产受到较大威胁,因此,研究基坑边坡稳定稳定具有非常重要的现实意义。目前边坡稳定分析方法均采用静力平衡下的安全系数评判法。近年来学术界提出了基于失稳加速度的边坡稳定分析新思路,认为虽然最小安全系数对应的临界滑动面可能是受力最不利的滑动面,但土体最大加速度对应的滑动面则可能是最先发生滑动的破坏面。计算边坡土体的加速度比较方便,理论上对任何隔离体都可以计算加速度,所以对滑动面的适用性也更强。目前失稳加速度方法尚处于理论框架搭建阶段,应用公式尚未推导,也未应用于基坑工程实践。本文在分析传统边坡稳定分析理论、基坑边坡变形特点、现有工程规范标准和常用基坑工程设计软件稳定分析公式基础上,引入失稳加速度指标评价边坡失稳的新思路,推导了多种不同支护情况下基坑工程失稳加速度法稳定分析计算公式,创新建立了采用正交多项式构造滑动面新方法,形成适用于土钉墙和排桩支护基坑的全套稳定分析新方法,编制了计算程序,结合工程实例探索将基于失稳加速度稳定分析方法应用于工程实际。研究成果可为相关基坑工程规范标准修订提供建议。论文主要研究成果如下:1、基坑工程稳定和基坑边坡变形密切相关,变形过大或加速发展经常是边坡失稳的前奏,应重视基坑边坡变形规律的研究。有限元模拟和工程实测经验都表明,开挖和填筑两种不同方式形成的基坑边坡变形规律是不一样的,基坑稳定分析应考虑施工过程和土体应力路径的影响,注重基坑边坡变形的时空效应和变形失稳演化规律,只按照最终工况进行静力稳定分析很可能不能反映边坡真实的稳定和变形状况。2、传统的安全系数法是从静力学角度分析边坡稳定性,失稳加速度法是从动力学和运动学的角度理解和分析边坡的稳定性。对相同的安全系数而言,失稳加速度对应的临界滑动面可能是最先发生滑动的破坏面,从而可以更简明准确地判断边坡稳定性。对无黏性土边坡和黏性土边坡,都能严格的推导出失稳加速度的计算公式。结合瑞典条分法、简化毕肖普法和Morgenstern-Price方法,均可计算失稳加速度。实际上,只要能够得到滑体相应的力,都可以计算失稳加速度,并不仅限于几种极限平衡分析法,也可以利用有限元方法得到滑动面上的应力,进而计算失稳加速度。3、边坡算例搜索得到的最小安全系数对应的加速度,基本都是搜索得到的滑动面的最大加速度,或者差距很小。这说明在搜索最优解的过程中,分别以最小安全系数和最大加速度作为优化目标,得到的结果是非常接近的,证明了失稳角速度法进行稳定分析具有可行性和较高的可靠性。4、将基于失稳加速度的方法应用于土钉墙支护基坑和桩锚支护基坑工程实例,与传统方法计算结果对比表明,不论是将土钉、锚杆作用力作用于最后土条上滑面处,还是均匀分布在土钉、锚杆穿过的土条中,两种方式计算的最小安全系数对应的加速度,与搜索可能滑动面的最大加速度都非常接近,这说明加速度方法与普通的极限平衡分析方法在本质上具有相通性,最终在最为关注的失稳临界这一点上得以汇聚,具有较好的一致性,证明了失稳加速度法用于基坑稳定分析的可靠性。5、论文建立了采用正交多项式来构造滑动面新方法。正交多项式的优异特性使得构造的滑动面形式简单,参数取值灵活。本文探索采用较为常见的5种正交多项式前5阶简单形式构造滑动面,与传统的滑动面构造方法相比,不仅能够保证滑动面的光滑性,而且能够大大减少自由度的个数。工程算例计算结果表明了它们的适用性。6、对比研究和计算分析表明,现有基坑规范和设计软件,将土钉或锚杆力作用在最后一个土条滑面上的处理方式,不仅计算得到的滑动面形状明显更陡,安全系数偏大,所得加速度的绝对值也会偏大,其原因在于计算安全系数时这种处理方式容易造成迭代计算的条间力不合理。将土钉、锚杆作用均匀分布在穿过的土条中计算时,计算结果显示滑动面较缓,形状更为合理。因此,土钉、锚杆对土体的抗滑作用不应按简单作用于最后土条的方式简单处理,将其作用均布到穿过的各土条上更为合理。建议这一问题可在今后的基坑规范修订中予以考虑。7、现有各种基坑规范对于锚杆预应力、微型桩、截水帷幕等对整体稳定的贡献考虑尚不清晰,计算时几乎均不计入抗滑力中,与实际受力情况不符。这也是各规范标准需要进一步研究的问题。


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