土与支护结构相互作用及边坡稳定性分析

廖霖

摘要：随着城市化建设的发展，建筑深基坑工程得到了迅速发展。此种技术率先出现在北京、上海等大型城市，促进了城市化的发展，但是由于基坑施工环境比较恶劣，必须使用支护开挖。文章对基坑工程中土与支护结构的作用和边坡稳定性的数值分析两方面进行了介绍。

关键词：基坑工程；土与支护结构；边坡稳定体系；数值分析；建筑工程 文献标识码：A

中图分类号：TU472 文章编号：1009-2374（2016）31-0096-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.31.048

随着地下车库、地下商场等各种大型建筑物的发展，基坑支护开始成为主要研究话题。由于我国基坑支护技术发展的比较缓慢，而且很多基坑支护工程施工条件都非常复杂，所以必须进行支护。在建筑行业的快速发展下，基坑支护技术将会得到更加广泛的应用。

1 概述

基坑支护工程是一项比较复杂的工程，涉及结构力学、地质工程等各个领域。进行基坑施工时，主要进行基坑结构设计、施工和土石开挖等部分，各个部分相互作用、相互影响。经过分析发现，基坑支护具有风险大、临时性、区域性大、地质条件差异大、施工方式多、综合性强等特点。由于此种工程比较复杂，进行研究时必须从试验研究、理论分析和数值研究等三方面进行。试验研究主要根据大量试验的结构和产生的效应，选择适合基坑工程发展的支护和开挖方法。理论分析主要以岩石力学和结构力学为基础，对基坑体系进行研究分析。数值计算是目前常用的操作方法，主要利用具体的数值对基坑开挖和支护进行分析。这三种方法各有利弊，在实际应用中应该将三种方法结合起来进行分析。现阶段常用的基坑支护方法主要有传统方法、改良方法、喷锚网支护法和土钉墙支护法等类型，根据各地区环境、条件等因素，可以针对性选择操作方法。

2 土与支护结构相互作用

2.1 接触面的非线形弹性-理想塑性模型

2.1.1 构建思想。经过对土与支护结构间的相互关系分析发现，土与结构之间存在的接触带和接触带内部土体变形已经被众多研究人员所认可。当接触带切向应力较小时，会产生剪切变形；强度较大时，切向变形将无限延伸。对基坑支护中土与支护结构研究时，可提出非线性弹性-理想塑性模型。在此模型中，利用双曲线非线性弹性模型表示屈服前解析表面上非线形剪切特性；利用完全塑性理论对屈服后接触带的错动变形进行表示。

2.1.2 模型NEPP模型弹性塑性矩阵。根据弹性塑性理论，可以将接触带内土体的变形划分成塑性变形和非线形变形两种，增量可表示为：；接触带和弹性应变关系可以表示为：。

如果不考虑切向和法向耦合，可以将接触面弹性系数矩阵表示成：，式中：Dnn表示界面向量，

其与法向相对位移具有曲线关系；Dss表示界面切向模量，是切向应力的函数。经过反复计算微分等可以得

出：，式中：[Dep]表示非线性弹性-理

想塑性模型增量的塑性矩阵。

2.2 接触带单元非线性有限元计算方法

2.2.1 接触带单元厚度计算。接触带单元厚度确定是影响计算精确度的主要因素。只有合理确定好接触带单元厚度，才能真实地反映存在的情况。相关人士经过研究，将接触带单元范围控制在0.01～0.1之间。虽然此范围比较合理，但是由于确定时难以把握，而且单元厚度与单元长度及错动位移有联系，因此取值时应该取最小值。本次研究认为，接触带单元厚度不仅和以上因素有关，还与荷外界条件具有很大联系。进行单位厚度确定时，可以利用试算法进行确定，将厚度确定为0.01B、0.02B到0.1B，并将其和实际测量值进行比较。

2.2.2 非线形迭代方法。可以使用非线性迭代方法对接触面的应力-应变非线形关系进行计算。本次使用修正Newton-Raphson进行迭代计算。将接触面两侧物体按弹性模型计算，用i表示荷载次数，计算如下：第一，完成第i-1增加计算后，可以将此区域屈服函数不等式表示为，如果将应力、应变和位移表示为，接触带单元应力矩阵可以表示为；第二，施加荷载后，可以得到弹性位移增量为，总外力荷载为；第三，根据弹性位移增量对线形应变求解，与前一步施加真实迭加为，最后根据运算得出塑性系数；第四，根据应力矩阵和屈服函数得出流动向量，并计算塑性矩阵；第五，确定塑性矩阵后，求出等效节点荷载；第六，求出残差力，得出不平衡残差力产生的额残差位移；第七，计算总位移，根据非线形弹性应力矩阵得出弹塑性系数矩阵，同时完成全部增量；第八，计算出节点位移、应变和应力。

2.3 接触带单元模型验证

2.3.1 算例概况。将某滑块放置在基座上，基座弹性模量E=240GPa，泊松比v=0.163，顶面受压为25kPa，不计算各自体力。初始滑块模量是=120MPa，初始法向模量是240MPa，接触粘接力是0，摩擦角为45。，破坏比=0.75，接触单元厚度是0.2cm。

2.3.2 滑动前后变形和应力分析。模块未发生滑动前，基座和模块之间产生连续变形，此时滑块的位移是剪切位移。不设置接触单位并将基座滑块作为整体考虑，会发生很小形变，而且不会因接触界面变化为连续。根据上述分析可以发现，滑块发生滑动前，接触带单元和计算对结果影响不大，发生滑动后，计算结果显著。

发生滑动后，模块位移相对较小，事实上基座发生了位移，只是位移较小，绘制时覆盖不计。另外从竖向位移也可以看出，基座滑动没有发生由于接触面带来的嵌入问题，所以可以看出，模量和相对变形非线性关系稳定。

3 边坡稳定性数值分析

边坡表示具有倾斜或者具有垂直坡面的岩土体，可以将其划分为人工边坡和天然边坡两种类型，是一种为了满足人们的需求而修建的。如果在设计中不能控制好其稳定性，将会造成严重的生命和财产安全隐患，所以必须进行加固处理。

3.1 极限平衡条分法

3.1.1 极限安全平衡条分法中安全系数。经过反复研究，安全系数定义最终被瑞典人Pettersson提出，假设土坡在膜滑动面滑动，可以根据平衡条件计算出安全系数。可以将力矩安全系数表示为，式中：表示发生第i滑动面产生

的额安全系数；表示i条互动土体产生的最大抗滑力距；表示第i条滑动的实际滑动力距。

3.1.2 极限平衡分法存在的问题。对此种方法进行计算时，第一，必须具有滑动面，然后根据安全系数求滑动面，无论使用哪种方法，最终求出数据都有偏差；第二，此种方法只考虑滑动面位置和形状，无法考虑岩土体应力-应变关系；第三，属于认为假定，对实际距离和安全系数的影响有待论证。

3.2 强度折减弹塑性有限元

3.2.1 强度折减技术。很多天然或支护结构简单的破坏位置和形状，可以对其稳定安全系数进行确定，但是由于很多断面比较复杂，同时边坡稳定性容易受到降雨和施工等众多因素的影响，导致传统平衡分条法受到了影响。经过人们的反复探索，最后将抗剪强度定义成：荷载稳定下，边坡内土体的最大抗剪强度和实际剪应力之比，外界产生的剪应力和抵御剪应力可以根据实际前度指标折减确定。这种方法确定的系数为边坡稳定安全系数。基于折减概念和相关分析，将齐纳切面土体的正应力和抗剪强度表示成和。该土体安全系

数为：

3.2.2 强度折减有限元法。强度折减技术可以对边坡稳定性进行分析。在计算机技术的带动下，可以利用折减有限元进行倾斜边坡、直立边坡等的研究，具有很强的适应性。现阶段强度折减有限元主要存在失稳指标不一致、折减计算不精确、元法本身的特点。经过分析发现，可以利用塑性应变分布区解决边坡不连续

问题。

4 结语

本文主要对基坑共层中土与支护结构作用及边坡稳定性数值进行了分析，进行有限元基坑支护中土与结构作用时，必须及时进行思路转变，同时使用其他数值方法对相互作用进行探究。由于基坑工程会受到时间影响，可以利用粘性效应对变形特性进行研究。

参考文献

[1] 武亚军，案茂田，任汉锋.深基坑增量法设计的理论 分析及应用[J].工业建筑，2013，（2）.

[2] 王元湘.深基坑挡土结构的受力分析[J].土木工程学 报，2014，（7）.

[3] 王余庆，周根寿.软土地层中考虑土与结构共同作用 的支护结构设计计算[J].工业建筑，2010，（11）.

[4] 王建林，顾晓鲁.基坑开挖中的土压力探讨[J].工程 力学，2010，（2）.

[5] 章杨松，罗国湿.深基坑支护结构分析的共同变形法 [J].高校地质学报，2014，（12）.