SLIDE在深基坑支護(hù)可靠性分析中的應(yīng)用

1、ISSN1005-2763礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā)第28卷第2期2008年4月SLIDE在深基坑支護(hù)可靠性分析中的應(yīng)用熊贊民,高全臣,王春來(lái)2*(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑學(xué)院, 北京 100083;2.北京科技大學(xué), 北京 100083)摘 要:基于可靠性分析理論,利用SLIDE軟件,對(duì)某深基坑復(fù)合土釘支護(hù)進(jìn)行了數(shù)值模擬,計(jì)算了安全系數(shù)和可靠性指標(biāo)。結(jié)果表明:SLIDE是基坑可靠性分析的一種有效工具,可在考慮土層參數(shù)不確定性的條件下,得出基坑支護(hù)的可靠性指標(biāo)。關(guān)鍵詞:深基坑;安全系數(shù);可靠性分析;數(shù)值模擬;SLIDE中圖分類號(hào):TU753.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1005-2763(2008)02

2、-0039-03ApplicationofSLIDEintheReliabilityAnalysisonSupportofDeepFoundationPitXiongZanmin1,GaoQuanchen1,WangChunlai2(1.SchoolofMechanicsandCivilEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Beijing100083,China;2.UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China)Abstract:Basedonthetheory

3、ofreliability,thenumericalsimu lationwasmadeonthecompositesoilnailingstructureofacer tainadeepfoundationpitbyusingSLIDEsoftware,thesafetyfactorandreliabilityindexwerecalculated.TheresultshowsthatSLIDEisanavailabletoolforthereliabilityanalysisoffounda tionpit,itcaneducethereliabilityindexofsupportstr

4、uctureoffoundationpitwhenthevariabilityofthesoilparametersistakenintoaccount.KeyWords:Deepfoundationpit,Safetyfactor,Reliabilityana lyze,Numericalsimulation,SLIDE以概率來(lái)描述基坑支護(hù)的安全度,可靠概率Ps與失效概率Pf的關(guān)系如下:Ps+Pf=1(1)-2由于pf計(jì)算上較繁,一般用可靠指標(biāo) 來(lái)度量, 值可由規(guī)范查得。對(duì)于基坑工程,大多將10-31310作為Pf的參考值。按照Pf與 的對(duì)應(yīng)關(guān)系,其安全等級(jí)對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的三級(jí), =2.7

5、。研究資料表明,土體的C、 值均近似正態(tài)分布,特別是 值,其正態(tài)分布規(guī)律十分明顯,且對(duì)土體安全影響更明顯,進(jìn)行概率分析計(jì)算時(shí),假定參數(shù)服從正態(tài)分布4。對(duì)正態(tài)隨機(jī)變量來(lái)說(shuō),它的值落在區(qū)間 -3!, +3!內(nèi)的概率為99.74%,幾乎是肯定的事。在SLIDE軟件中,參數(shù)變化區(qū)間是按數(shù)學(xué)期望值加減3倍標(biāo)準(zhǔn)差獲得的。1.2 SLIDE的模擬原理85,6SLIDE分析時(shí)參數(shù)取樣采用Monte-Carlo法,取樣數(shù)量1000個(gè),進(jìn)行全局最小安全系數(shù)尋優(yōu)。其破壞概率PF的計(jì)算式為:numfailed100%PF=numsumples(2)式中:numfailed為安全系數(shù)小于1的滑裂面數(shù)量;numsumpl

6、es為邊坡滑裂面搜索的總數(shù)量。概率計(jì)算結(jié)束后,進(jìn)行可靠性計(jì)算,并假設(shè)破壞概率按正態(tài)分布,計(jì)算式如下:=FS-1FS(3)基坑支護(hù)設(shè)計(jì)中,傳統(tǒng)的方法均是以安全系數(shù)衡量支護(hù)效果,這是確定性分析的方法,由于土體參數(shù)具有空間變異性,計(jì)算出的安全系數(shù)不能反映基坑支護(hù)的失穩(wěn)概率。鑒此,本文以可靠性原理為基礎(chǔ),用加拿大Rocscience公司開(kāi)發(fā)的邊坡穩(wěn)定性計(jì)算軟件SLIDE對(duì)某深基坑進(jìn)行了數(shù)值模擬。式中: 可靠性指標(biāo);FS 中值安全系數(shù);!FS 安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差。2 工程實(shí)例計(jì)算分析2.1 工程實(shí)例概述某工程基坑埋深約13.25m,周邊無(wú)建筑物,地1 可靠性分析的原理1.1 可靠度簡(jiǎn)述*收稿日期:2007-

7、05-15:),xi163.40礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā) 2008,28(2)表2 不同材料標(biāo)準(zhǔn)差分布土層粘質(zhì)粉土、粉質(zhì)粘土填土c(kPa)1022242300粘質(zhì)粉土、粉質(zhì)粘土填土粘質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土粘質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土粉質(zhì)粘土粉質(zhì)粘土細(xì)砂、中砂細(xì)砂、中砂卵石卵石參數(shù)概率特征標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)極相關(guān)極值差小值大值333333399999999999999999999下水位標(biāo)高為-15m,施工環(huán)境比較簡(jiǎn)單。場(chǎng)地地質(zhì)條件和計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。表1 基坑各土層性質(zhì)參數(shù)土層粘質(zhì)粉土、粉質(zhì)粘土填土粘質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土粘質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土粉質(zhì)粘土細(xì)砂、中砂卵石層底標(biāo)層厚重度3高(m)(m)(kN/m)(!)-1.5-5.9-10.

8、9-11.6-15.3-22.3153031323542正態(tài)分布15c正態(tài)分布19正態(tài)分布30正態(tài)分布32c正態(tài)分布19正態(tài)分布35正態(tài)分布42cc正態(tài)分布19.33基坑邊坡設(shè)計(jì)方案采用預(yù)應(yīng)力復(fù)合土釘支護(hù)體系坡高H為13.25m,坡角為81.50!,坡度10.15,土釘9排,土釘豎向間距1.4m,水平間距1.5m,土釘鋼筋 20mm,鉆孔直徑100mm,19排土釘長(zhǎng)度分別為9,14,11,12,11,10,9,8,7m,其中,第2排和第4排為預(yù)應(yīng)力土釘。整個(gè)坡面鋪設(shè)間距為200mm 200mm的 6.5鋼筋網(wǎng)并噴射80mm厚的混凝土,噴射混凝土標(biāo)號(hào)C20。復(fù)合土釘支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí),對(duì)于預(yù)應(yīng)力土釘仍按

9、土釘計(jì)算,把施加的預(yù)應(yīng)力作為安全儲(chǔ)備,其計(jì)算模型從略,詳見(jiàn)文獻(xiàn)7。用SLIDE軟件模擬計(jì)算的結(jié)果表明,無(wú)支護(hù)時(shí)滑弧較小,安全系數(shù)為0.742,小于規(guī)程要求的1.2,所以基坑邊坡會(huì)沿著計(jì)算圖中的滑動(dòng)面滑動(dòng)?；着c滑弧上口連接線相當(dāng)于邊坡按10.8放坡,也就是說(shuō),邊坡按10.8開(kāi)挖是安全的,可不加支護(hù)。土層參數(shù)按勘察報(bào)告提供的數(shù)據(jù),標(biāo)準(zhǔn)離差分別為內(nèi)摩擦角=2.05.0,密度r=3.0。粉質(zhì)粘土填土參數(shù)的變化范圍為:內(nèi)摩擦角=(標(biāo)準(zhǔn)值-6.0標(biāo)準(zhǔn)值+6.0);密度r=(標(biāo)準(zhǔn)值-9標(biāo)準(zhǔn)值+9)。細(xì)砂、中砂和卵石層參數(shù)的變化范圍為:內(nèi)摩擦角=(標(biāo)準(zhǔn)值-15.0標(biāo)準(zhǔn)值+15.0);密度r= 根據(jù)計(jì)算,安全

10、系數(shù)FS=1.619,均值安全系數(shù)FSm=1.642,兩者相近,當(dāng)所取的土樣數(shù)足夠多時(shí),二者非常接近。本支護(hù)設(shè)計(jì)用通用的基坑支護(hù)軟件計(jì)算,其安全系數(shù)為1.41,兩者的誤差約為10%。安全系數(shù)在1.65附近處于最高值,安全系數(shù)呈正態(tài)分布,可靠性分布屬合理曲線。各安全系數(shù)按正態(tài)分布時(shí),RI( )=3.761,按對(duì)數(shù)正態(tài)分布時(shí),RI( )=4.674。均大于3.0。此外,計(jì)算結(jié)果還表明,各土層中砂質(zhì)粘土填土的內(nèi)摩擦角對(duì)安全系數(shù)的關(guān)系影響最大。因此,基坑施工過(guò)程中,本層土中的土釘應(yīng)重點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)指標(biāo)校核。3 結(jié) 論(1)根據(jù)相關(guān)規(guī)范和邊坡資料分析,提出可靠指標(biāo)的取值 =2.7。按此指標(biāo),應(yīng)用SLIDE軟

11、件對(duì)某基坑土釘支護(hù)進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明,本基坑的穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.619,可靠性指標(biāo)滿足安全要求,基坑是穩(wěn)定的。(2)通過(guò)土層參數(shù)與安全系數(shù)的相關(guān)性分析,砂層的內(nèi)摩擦角對(duì)安全系數(shù)的影響最大。施工時(shí),需對(duì)本層土的性質(zhì)及土釘?shù)膮?shù)進(jìn)行相關(guān)的測(cè)試,從而對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。(3)可靠性計(jì)算結(jié)果表明,基坑安全系數(shù)呈正態(tài)分布,安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值取1.2時(shí),基坑邊坡破壞概率為0.2%。參考文獻(xiàn):.熊贊民,等: SLIDE在深基坑支護(hù)可靠性分析中的應(yīng)用2高大釗.土力學(xué)可靠性原理M.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版杜,1989.3周 東,吳 恒,等.深基坑支護(hù)穩(wěn)定性概率分析J.巖土工程學(xué)報(bào),2000,22(5):6

12、30632.4SchweigerHF,PeschlGM.ReliabilityanalysisingeotechnicswiththerandomsetfiniteelementmethodJ.ComputersandGeotechnics,2005,32,422435.76541黃克中,毛善培.隨機(jī)方法與模糊數(shù)學(xué)應(yīng)用M.上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,1987.施久玉.概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)M.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)應(yīng)用數(shù)學(xué)系編,2003.熊贊民,隆 威.深基坑預(yù)應(yīng)力復(fù)合土釘支護(hù)穩(wěn)定性的可靠性研究J.礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā),2002,22(4).(上接第25頁(yè))處理,以增強(qiáng)其整體性,亦可防止巖土體進(jìn)一步風(fēng)化。5 治

13、理措施5.1 北幫西區(qū)邊坡加固方案根據(jù)計(jì)算結(jié)果,本邊坡擬采用的加固措施布置在-82-142m高程處,沿邊坡走向方向的加固范圍初步考慮F12以東至F20,F12以西至F7,約150m。設(shè)計(jì)采用鋼軌樁與錨索聯(lián)合加固的方案,錨索與鋼軌樁布置的原則是應(yīng)穿過(guò)最危險(xiǎn)的滑面。(1)抗滑樁加固方案。在北幫西部-142m平臺(tái)布置兩排鋼軌樁,樁距可設(shè)為4.0m,每根鋼軌樁可提供的抗力為658.56kN。(2)錨索加固方案。在北幫西部-80m至-142m高程間布置2排錨索,間距4.5m。錨索應(yīng)穿過(guò)F12斷層,其長(zhǎng)度應(yīng)大于25.0m。每根錨索可提供錨固力1200kN。錨索垂直于坡面走向向下傾斜布置,傾角為15!。5.

14、2 北幫東區(qū)邊坡加固方案采用預(yù)應(yīng)力錨索與鋼軌樁相結(jié)合的加固方案,加固范圍為沿邊坡走向150m范圍內(nèi)。在北幫東部-130m高程以上-82m高程以下布置4排預(yù)應(yīng)力錨索,間距4.5m,上下交錯(cuò)布置。其中,-106m高程以上錨索長(zhǎng)度為20m,-106m高程以下錨索長(zhǎng)度為25m。擬采用的錨索為8根 5mm鋼絞線組成,鋼絞線的強(qiáng)度為1860MPa,每根鋼絞線的張拉力為150kN,每根錨索所提供的張拉力為1200kN。錨索垂直于坡面走向向下傾斜布置,傾角為15!。在-130m高程上布置一排鋼軌樁,樁距3m,采用50kg/m的舊重軌。鋼軌樁孔深24.7m,鋼軌樁長(zhǎng)25m。5.3 加強(qiáng)地表水排水措施采取邊坡明溝

15、排水措施,以確保邊坡的穩(wěn)定性。針對(duì)局部破碎區(qū)采用金屬網(wǎng)加錨噴結(jié)合的方式進(jìn)行6 綜合分析根據(jù)收集到的兩個(gè)觀測(cè)點(diǎn)處水平裂縫的發(fā)展趨勢(shì),可以初步認(rèn)為開(kāi)裂位移已基本穩(wěn)定,不再繼續(xù)發(fā)展,而且灰場(chǎng)運(yùn)行不象采礦一樣會(huì)有爆破等強(qiáng)烈的震動(dòng)作業(yè)。利用開(kāi)挖形成的礦坑作為電廠的貯灰場(chǎng),隨著火力發(fā)電所產(chǎn)生的灰渣逐漸對(duì)礦坑進(jìn)行回填,北幫邊坡的變形將會(huì)得到有效控制。從這個(gè)意義上說(shuō),目前的北幫邊坡可以認(rèn)為是一個(gè)#臨時(shí)性的邊坡。因此根據(jù)北幫邊坡的具體特點(diǎn)及灰場(chǎng)運(yùn)行情況,加固治理應(yīng)以保證運(yùn)行人員、車輛安全,并盡量使場(chǎng)內(nèi)的運(yùn)輸?shù)缆凡灰蜻吰碌钠茐亩袛酁槟康摹Ａ硪环矫?由于該礦坑停止開(kāi)采才1a時(shí)間,巖體內(nèi)的卸荷裂隙也有可能得到進(jìn)一步發(fā)展,使巖土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)一步降低。而且地震和特殊的天氣條件,常常是地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的誘因,因此對(duì)其治理不能掉以輕心。根據(jù)設(shè)計(jì)考慮的灰場(chǎng)運(yùn)行規(guī)劃,由于礦坑的運(yùn)輸?shù)缆分饕诘V坑西部,因此灰場(chǎng)規(guī)劃先利用礦坑西部區(qū)域,礦坑?xùn)|部的邊坡穩(wěn)