劉淑茹，張 惠

(西安建筑科技大學(xué)，西安 450006)

土質(zhì)高邊坡在復(fù)雜的內(nèi)外地質(zhì)應(yīng)力作用下形成，又在各種因素作用下變化發(fā)展。邊坡在不斷變形的過程中，通過變形逐步發(fā)展至破壞，其基本破壞形式主要有松弛張裂、滑動(dòng)、崩塌、傾倒、蠕動(dòng)和流動(dòng)等，這些破壞形式一旦產(chǎn)生，后果是非常嚴(yán)重的。因此，必須在其邊坡破壞發(fā)展之前了解它變化的情況，掌握第一手資料才能很好地防止災(zāi)害的發(fā)生。“5.12”汶川地震發(fā)生以后，更應(yīng)重視在地震的作用下土質(zhì)高邊坡的穩(wěn)定和變形情況。本次研究是以大型有限元軟件ANSYS運(yùn)用反譜分析法對(duì)某建筑基坑進(jìn)行仿真模擬。

1 邊坡穩(wěn)定性分析方法

分析邊坡穩(wěn)定問題，基本上有兩種方法:極限平衡法和數(shù)值分析法。極限平衡法［1］是以摩爾—庫侖抗剪強(qiáng)度理論為基礎(chǔ)，此方法不能真實(shí)反映邊坡失穩(wěn)時(shí)的應(yīng)力場和位移場。數(shù)值分析方法［2］考慮土體應(yīng)力—應(yīng)變之間的關(guān)系，克服了極限平衡方法的缺點(diǎn)。本文選用有限元法對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。有限單元法考慮介質(zhì)的變形特征，真實(shí)反映了邊坡的受力狀態(tài)，它可以模擬連續(xù)介質(zhì)，也可以模擬不連續(xù)介質(zhì)，能考慮邊坡沿軟弱結(jié)構(gòu)面的破壞，也能分析邊坡的整體穩(wěn)定破壞，鑒于有限元法諸多優(yōu)點(diǎn)，可借助軟件ANSYS來實(shí)現(xiàn)邊坡的穩(wěn)定性分析。

2 工程概況

地下停車場工程項(xiàng)目位于廣州市北廣場。該工程設(shè)兩層地下車庫，總建筑面積11 424 m2，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本工程采用逆作法施工，先施工圍護(hù)結(jié)構(gòu)和樁基礎(chǔ)，再施工首層板，開挖負(fù)一層土方，施工負(fù)一層板和襯墻，開挖負(fù)二層土方，施工底板和負(fù)二層襯墻。首層板面高程為－0.8 m，負(fù)一層板面高程為－6.3 m，地下室底板面高程為－9.7 m，襯墻厚度為200 mm，首層板厚為140 mm，負(fù)一層板厚為110 mm，底板厚度為600 mm?；娱_挖深約9.6 m，粉質(zhì)黏土，褐色，含少量粉細(xì)砂、中粗砂，局部含卵石，采取錨噴支護(hù)，錨桿長度1 m，采用C30鋼筋混凝土作為襯砌材料?；舆吰碌奈锢砹W(xué)指標(biāo)見表1。

表1 基坑邊坡物理力學(xué)指標(biāo)

3 建立模型

3.1 模型選擇

由于基坑開挖后，粉質(zhì)黏土的穩(wěn)定性比較差，加之邊坡開挖為90°，容易變形、塌落，所以目前修建支護(hù)結(jié)構(gòu)主要采用以下兩種模型:

1)傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)模型［3］:它是將支護(hù)結(jié)構(gòu)和邊坡分開考慮，支護(hù)結(jié)構(gòu)是承載主體，邊坡土體的土壓力作為荷載的來源和支護(hù)結(jié)構(gòu)的彈性支撐，故又稱為荷載—結(jié)構(gòu)模型。主要適用于邊坡因過分變形而產(chǎn)生松弛和崩塌，支護(hù)結(jié)構(gòu)主動(dòng)承擔(dān)圍巖松動(dòng)壓力的情形。

2)現(xiàn)代巖體力學(xué)模型［4-7］:它將支護(hù)結(jié)構(gòu)和邊坡視為一體，作為共同承載的結(jié)構(gòu)體系，故又稱為圍巖—結(jié)構(gòu)共同作用模型。這種模型主要用于由于邊坡變形而引起的壓力，壓力值必須通過支護(hù)結(jié)構(gòu)與邊坡共同作用而求得。邊坡—結(jié)構(gòu)共同作用模型是目前邊坡結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)中正在發(fā)展的模型，因?yàn)樗袭?dāng)前施工技術(shù)水平，采用快速和超速的支護(hù)技術(shù)可以限制邊坡的變形。這種模型還可以考慮各種幾何形狀、巖土特征和支護(hù)材料的非線性特征、開挖面空間效應(yīng)所形成的三維狀態(tài)及地質(zhì)中不連續(xù)面等。

根據(jù)以上分析，本文運(yùn)用邊坡—結(jié)構(gòu)共同作用模型對(duì)此工程基坑邊坡進(jìn)行研究。

3.2 模型的建立

本次有限元計(jì)算采用通用有限元軟件ANSYS進(jìn)行求解，根據(jù)邊坡的幾何特點(diǎn)，計(jì)算分析按平面應(yīng)變問題對(duì)待，對(duì)邊坡土層采用單元Plane 82進(jìn)行模擬分析，其采用彈性本構(gòu)模型;對(duì)邊坡支護(hù)采用Combin14彈簧單元(也稱為地層彈簧)進(jìn)行模擬支護(hù)結(jié)構(gòu)與邊坡土層之間的互相作用。

進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析時(shí)，在垂直邊坡上受到邊坡土層約束阻止其變形，因而土層對(duì)襯砌產(chǎn)生彈性抗力，每隔50 cm加載彈簧單元，采用摩爾—庫侖屈服準(zhǔn)則;對(duì)1.0 m錨桿采用link 1桿單元模擬，按彈性考慮，錨桿單元在系統(tǒng)中與土體單元的節(jié)點(diǎn)耦合。

3.3 邊界條件

1)給彈簧單元施加約束:選擇彈簧單元節(jié)點(diǎn)，在X和Y方向上施加位移約束;

2)給模型邊界施加約束，因?yàn)槿∧Ｐ痛笮∈亲笾粱又行?，右至邊坡頂?0 m，下至基坑底部以下20 m，即在這些邊界上施加X和Y方向上位移約束;

3)施加重力加速度:選擇所有節(jié)點(diǎn)施加重力加速度，ACEL，acely，0，9.8，0;

4)對(duì)基坑邊坡施加土壓力Ea為

式中，H為邊坡高度。

計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 荷載計(jì)算

5)施加地震振動(dòng)作用:采用反應(yīng)譜分析法模擬地震情況，設(shè)置模態(tài)求解，采用子空間迭代4階模態(tài)，得出結(jié)果數(shù)據(jù)，即各模態(tài)振動(dòng)頻率，再計(jì)算出周期和反應(yīng)譜值，再次輸入周期和反應(yīng)譜值后定義模態(tài)擴(kuò)展分析再求解。

建立模型如圖1所示。

圖1 基坑邊坡模型

3.4 反應(yīng)譜分析法

反應(yīng)譜分析法［8］是以單質(zhì)點(diǎn)彈性體系在實(shí)際地震過程中的反應(yīng)為基礎(chǔ)，來進(jìn)行結(jié)構(gòu)反應(yīng)分析，它通過反應(yīng)譜巧妙地將動(dòng)力問題靜力化，使得復(fù)雜的結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)計(jì)算變得簡單。按照這一理論，應(yīng)用地震譜曲線，就可以按照實(shí)際地面運(yùn)動(dòng)來計(jì)算建筑物的反應(yīng)。

運(yùn)用大型通用有限元軟件ANSYS對(duì)其進(jìn)行模擬，采用的就是模態(tài)分析中子空間迭代法提取模態(tài)，針對(duì)本工程，提取出了振動(dòng)頻率，再根據(jù)式(2)、式(3)計(jì)算出周期 T和反應(yīng)譜值 β［9］，計(jì)算結(jié)果見表3。

本工程計(jì)算中f為地震水平振動(dòng)頻率(Hz)，反應(yīng)譜最大值 βmax取值為2，采樣周期 Tg取值為0.2 s，特征周期T0取值為0.2 s。

表3 基坑邊坡動(dòng)力計(jì)算振動(dòng)頻率和反應(yīng)譜值

4 計(jì)算結(jié)果

4.1 結(jié)構(gòu)變形結(jié)果

本工程基坑邊坡在地震的作用下，會(huì)有一些變形，最大變形即在模態(tài)第四階段，如圖2～圖4所示，可以很清晰地看出邊坡坡頂和坡底變形比較大，也就在這些部位更容易形成滑坡、坍塌。

4.2 內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

在地震作用下，模擬模態(tài)第四階段為最危險(xiǎn)階段，在此階段下的X、Y方向上的應(yīng)力云圖及第一主應(yīng)力云圖如圖5～圖7所示。

圖2 邊坡變形云圖(單位:m)

圖3 邊坡X方向位移云圖(單位:m)

圖4 邊坡Y方向位移云圖(單位:m)

從圖7可以看出，此工程在地震的作用下第一主應(yīng)力最大發(fā)生在坡底的位置，而且數(shù)值相當(dāng)?shù)拇?，?.31×107Pa，也就是說，一旦發(fā)生地震此邊坡就會(huì)坍塌，可能造成嚴(yán)重安全事故。

5 結(jié)論

圖5 第4階X方向應(yīng)力云圖(單位:Pa)

圖6 第4階Y方向應(yīng)力云圖(單位:Pa)

圖7 第4階第一主應(yīng)力云圖(單位:Pa)

本文運(yùn)用大型通用有限元軟件ANSYS為平臺(tái)，對(duì)某地下停車場基坑垂直邊坡在地震的作用下進(jìn)行了模擬，采用現(xiàn)代巖體力學(xué)模型把噴錨支護(hù)與土體視為一體來進(jìn)行研究，加載彈簧單元模擬錨桿受力，采用反應(yīng)譜分析法模擬地震波，設(shè)置4階模態(tài)運(yùn)算出變形最大、最危險(xiǎn)時(shí)候的土質(zhì)深基坑的變形形態(tài)和第一主應(yīng)力云圖，可以清晰地看出，在地震的作用下土質(zhì)垂直深基坑變形最大的地方在坡頂處，而應(yīng)力最大地方在坡底處，也就是說整個(gè)邊坡發(fā)生很大的扭曲，極有可能發(fā)生坍塌現(xiàn)象，此現(xiàn)象一旦發(fā)生就有可能會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。因此，用ANSYS有限元軟件能夠較清楚地直接計(jì)算出各部分構(gòu)件的應(yīng)力情況，直觀顯示出結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布狀態(tài)，通過該項(xiàng)研究，可以更深刻地認(rèn)識(shí)土質(zhì)高邊坡的變形和穩(wěn)定機(jī)制，為土質(zhì)高邊坡的預(yù)警和防治提供了很好的基礎(chǔ)。

［1］朱伯芳.有限單元法原理與應(yīng)用(第二版)［M］.北京:中國水利水電出版社，1998.

［2］孫鈞，侯學(xué)淵.地下結(jié)構(gòu)［M］.北京:科學(xué)出版社，1987.

［3］余同希.塑性力學(xué)［M］.北京:高等教育出版社，1989.

［4］陳強(qiáng)，楊長衛(wèi)，張建經(jīng)，等.“5.12”汶川地震中高大加筋土擋墻破壞機(jī)理研究［J］.鐵道建筑，2010(9):73-77.

［5］閔衛(wèi)鯨，張炳焜，李磊，等.汶川地震中高路堤的抗震響應(yīng)分析［J］.鐵道建筑，2010(12):66-69.

［6］王樹理.地下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2007.

［7］曾亞武，趙震英.地下洞室模型試驗(yàn)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2001，20(增):1745-1749.

［8］孫玉科，牟會(huì)龐，姚寶魁.邊坡巖體穩(wěn)定性分析［M］.北京:科學(xué)出版社，1998.

［9］董哲仁.鋼筋混凝土非線性有限元法原理與應(yīng)用［M］.北京:中國鐵道出版社，1993.