CN103150443A - 一种微倾斜基坑围护结构的安全系数解算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微倾斜基坑围护结构的安全系数解算方法，其特征在于当竖井维护结构产生了一个小角度的反向转动时，可以作为类似带阳角（反向转动）基坑边坡进行处理，即可将反向转动的竖井维护结构类比于相同条件下阳角基坑边坡计算其安全系数。主要包括初始应力场的建立、维护结构嵌入土钉和锚固、安全系数求解。本发明可使用上述等效理论，考虑地质、结构和支护等条件，使用FLAC3D进行建模，解算维护结构的一面产生了微小阳角面的安全系数。可广泛用于竖井施工过程中，产生变形的围护结构的安全分析。

Description

一种微倾斜基坑围护结构的安全系数解算方法

技术领域

本发明涉及土木工程中竖井施工安全研究，特别是涉及一种微倾斜基坑围护结构的安全系数解算方法。

背景技术

盾构接收井和始发井一般同时建造，并最终成为车站的一部分，所以造成接收井长期不能回填。在市中心接收井只能以竖井的形式修建，导致土体的沉降和变形造成严重后果。

对于基坑边坡的安全系数已有较多研究。如万少石等研究了边坡稳定强度折减有限元分析中的若干问题; 杨果林教授研究了加筋土挡墙稳定性分析的点安全系数法; 王玉杰等对基于可靠度分析的锚杆抗拔安全系数取值标准进行了研究; 郭院成教授对基于强度折减的边坡动力安全系数确定方法进行了研究；李明等用有限元强度折减法求解坝坡抗滑稳定安全系数。上述研究基本集中在大阳角边坡上，基于强度折减的安全系数求法是否适用于小阳角竖井维护结构的安全系数计算尚未有有效研究。

实际上由于大连特殊的地质条件、地下水位高、岩石和沙砾的不稳定及土骨架有效应力弱等特点可能引起更大的水平作用力；同时该竖井支撑仅安装在维护结构的上部，造成了后期测量时发现2号线201标段交通大学盾构接受竖井维护结构的一面产生了小阳角。

为分析特定工况下该阳角面维护结构的安全性，使用FLAC3D对该阳角面进行建模并计算其安全系数。实验表明借助基坑边坡安全系数理论解决带阳角面竖井的安全系数解算是可行的，模型的设计能客观的反映竖井维护结构和周边土体的稳定性。安全系数的解算可为竖井安全分析提供有价值的信息。

发明内容

针对竖井施工过程中，可能由于一些原因使其维护结构产生变形的情况，本发明提出一种微倾斜基坑围护结构的安全系数解算方法。

当竖井维护结构产生了一个小角度的反向转动时，可以作为类似带阳角（反向转动）基坑边坡进行处理，即可将反向转动的竖井维护结构类比于相同条件下阳角基坑边坡计算其安全系数。

发明以某地铁2号线，201标段，某站盾构接收井为研究对象，该井由于地质条件和支护条件使维护结构的一面产生了微小阳角(5°)，使用上述等效理论，考虑地质、结构和支护等条件，使用FLAC3D进行建模，解算该面的安全系数。结果表明微小阳角竖井维护结构可以类比基坑的维护结构进行安全系数计算，安全系数略大于1。解算过程见实施例。

附图说明

图1 竖井内实图

图2 各土层物理力学参数图

图3 初始应力场的竖直方向压力云图

图4 嵌入后模型中锚索示意图

图5 模型剪切应变云图及速度矢量图

图6 模型变形矢量图

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点更加明显易懂，下面结合使用到的相关理论和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例为盾构接收井工程，其中心里程数为CK18+135.50，竖井横断面尺寸为12m×9m，深为35m，二次维护结构厚为80cm，维护结构总厚度接近1m。竖井施工应用钻爆结合的方式进行施工，同时使用喷锚方式进行加固维护结构。竖井上部使用工字钢进行斜撑。竖井内如图1所示。由地质勘察报告可得各土层物理力学参数如图2所示。

自1975年Zienkiewics首次提出强度折减有限元法以来，该方法因其不需要预先假定滑动面的形状和位置、物理意义明确和能够反映土坡的渐近破坏过程而受到学者的广泛关注。Dawson等基于FLAC程序，采用强度折减技术分别讨论了粗、细网格条件下边坡的安全系数，得出细网格下所获得的解更接近于极限分析的上限解；杨有成等也得出了类似的结论。强度折减法中边坡稳定性的安全系数定义为：是边坡刚好达到临界破坏状态时，对岩、土体的抗剪强度进行折减的程度，即定义安全系数为岩土体的实际抗剪能力与临界破坏时的折减后剪切强度的比值。折减后的强度参数表达为：

     (1)

式中：和

是土体实际发挥的抗剪强度；F为抗剪强度折减系数；

和为折减前得抗剪强度.

在FLAC3D中，强度折减主要通过公式(1)进行计算，然后对边坡稳定性进行数值分析，不断地增加折减系数。反复计算，直至其达到临界破坏，此时得到的就是安全系数。详情参见FLAC3D用户手册关于Solve fos的说明。

接收井底距地面高35m，维护结构厚1m。坑底至模型下底面厚度为10m，维护结构和周围岩土层厚度为10m。根据实际的变形测量，得到该面的阳角为5 °。

针对大连地下水位高的特点，设水位为地下5m，岩土体采用Morh-coulomb塑性模型，维护结构采用elastic各向同性弹性模型模拟钢筋混凝土，本构模型如表1所示。相应的材料参数如表2,3所示。解算后初始应力场的竖直方向压力云如图3所示。

表1 相关本构模型简介

表2 岩土体材料参数表

表3 水泥材料参数表

注：考虑水的静压，水上部分的土密度为干密度，水下部分土密度为湿密度。在模型计算过程中，设置了土体孔隙率为0.5，采用无渗流模式进行计算。

维护结构高35m，从34.5m起，每隔1米设置一个土钉或锚固，隔4个土钉嵌入一个锚固，共35个。土钉长2m，向下1:4倾斜；锚固长4m，向下1:4倾斜，锚杆和锚固分别长2m。并对锚杆施加6×10⁴Pa的预拉应力。嵌入后的模型如图4所示。

使用锚索（cable）单元模拟锚固和土钉（锚杆），锚索常用来加固岩土工程，主要作用是借助于水泥沿其长度提供的抗剪能力，以产生局部阻力，从而抵抗岩块裂缝的位移。锚索加固单元由几何参数、材料参数和水泥浆特性来定义。一个锚固构建设为两个节点之间具有相同的横截面及材料参数的直线段组成。锚索构建为弹塑性材料，在拉、压中屈服，不能抵抗弯矩。锚固和土钉（锚杆）材料参数如表4所示。

 

图4 锚固和土钉材料参数

 在初始应力场解算结果基础之上，根据上述表述将锚固和土钉（锚杆）嵌入维护结构，嵌入后模型中锚索如图4所示。然后进行应力场解算。应力场解算后的剪切应变云图及速度矢量图如图5所示，变形矢量图如图6所示。

从图5可以看出剪切力主要集中在锚固处，这是由于锚固承受了围护结构外围土体竖直方向应力的结果。最大位置出现在距坑底倒数第三根锚固上，其相当于承担了大部分的上部土体由于开挖造成的应力重分布。倒数第二根剪切应力减小，最下的锚固上基本没有剪切力，是由于接近井底，底部土体限制了维护结构的横向变形，减小了体积流失，所以相应的竖向变形减小，导致剪切力减小。分析变形速度矢量，竖井上部维护外围土体变形趋势较大，土体向下部移动，上部产生体积流失，在斜支撑的作用下，维护结构向井外变形，产生阳角。在倒数第三根锚固位置，承受了最大的重分布应力，使得外围土体的变形速度减小，变形量达到最大。从而造成剪力最小，变形量最大，使维护上部产生阳角。

从图6中也验证了上述结论。从变形矢量图中可以看出，围护结构的上部虽有向内变形趋势，但是由于斜支撑的约束，变形不大，一部分以向外变形。通过图5分析，土体向下移动，上部围护结构向外移动，同时由于竖井下部没有支护，所以在图6中倒数第三和第二根锚固位置围护结构向内有较大位移。围护结构的整体刚度较大，其上部向外和下部向内的变形可以看作是“杠杆”，从而使上部产生阳角。

在嵌入锚索的应力场结算完成后，进行安全系数解算。在进行解算前要将位移场和速度场清零。在FLAC3D中，采用关联流动法则进行安全系数求解，要求内摩擦角等于剪胀角，设两者为12°。执行下列解算语句：

Solve fos file anquan.sav associated

解算安全系数fos，将结果保存到文件 anquan.sav，采用关联模式associated。解算结果为fos=1.0499。证明该接收井围护结构及周围土具有一定的稳定性，可以满足安全需要。

Claims (5)

1. 一种微倾斜基坑围护结构的安全系数解算方法，其特征在于，当竖井维护结构产生了一个小角度的反向转动时，可以作为类似带阳角（反向转动）基坑边坡进行处理，即可将反向转动的竖井维护结构类比于相同条件下阳角基坑边坡计算其安全系数，其包括如下步骤：初始应力场的建立、维护结构嵌入土钉和锚固、安全系数求解，本发明可使用上述理论，考虑地质、结构和支护条件，使用FLAC3D进行建模，解算维护结构的一面产生了微小阳角面的安全系数。

2. 根据权利要求1所述的微倾斜基坑围护结构的安全系数解算方法，其特征在于，当竖井维护结构产生了一个小角度的反向转动时，可以作为类似带阳角（反向转动）基坑边坡进行处理，即可将反向转动的竖井维护结构类比于相同条件下阳角基坑边坡计算其安全系数。

3. 根据权利要求2所述的一个小角度，其特征在于，小角度指4°~6°，可以使用本发明计算安全系数。

4. 根据权利要求2所述的安全系数，其特征在于，使用FLAC3D进行建模，解算安全系数。

5. 根据权利要求1所述的竖井维护结构类比于相同条件下阳角基坑边坡，其特征在于，类比条件为竖井一面发生反向转动，产生类似带阳角基坑边坡。

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