機場填方中溶洞穩(wěn)定性分析的強度折減有限元法

機場填方中溶洞穩(wěn)定性分析的強度折減有限元法

0關(guān)于隧道和地下洞室的穩(wěn)定分析方法隨著國家經(jīng)濟的不斷發(fā)展，中國在西南山區(qū)實施了大量的機場建設(shè)項目。由于機場面積大、區(qū)位廣、區(qū)位少等因素，在施工過程中不能避免所有的洞穴。同時，機場建設(shè)通常包括高埋和高填埋負荷的作用，這使得隧道的穩(wěn)定性進一步提高?？赡馨l(fā)生的巖石崩塌可能會對機場工程的安全構(gòu)成威脅。由于目前溶洞穩(wěn)定性分析理論不太成熟,所以為了保證工程的安全,多數(shù)情況下對溶洞的處治較為保守,費用巨大。因此,準確分析機場填土地基下溶洞的穩(wěn)定性是一件很重要的工作。長期以來,在溶洞穩(wěn)定性計算方面采用的多數(shù)是定性及經(jīng)驗結(jié)合的判定方法或應(yīng)用經(jīng)驗公式驗算的簡單的定量判定方法。定性分析方面主要依靠工程人員的經(jīng)驗;定量計算方面多為應(yīng)用結(jié)構(gòu)力學(xué)的原理,將溶洞的頂板當(dāng)作梁板受力來考慮,進行抗彎和抗剪計算,應(yīng)用最小頂板厚度的方法來判定溶洞的穩(wěn)定性。這些方法在理論上并不嚴密,都作了相當(dāng)大程度上的簡化,計算結(jié)果誤差較大。有限元強度折減技術(shù)最早由Zienkiewicz(1975)提出并用于邊坡的穩(wěn)定性分析,由于當(dāng)時數(shù)值計算和計算機水平所限而未能得到發(fā)展。十幾年來,隨著數(shù)值計算水平的提高和計算機技術(shù)的發(fā)展,強度折減有限元法已經(jīng)在邊坡穩(wěn)定分析方面得到了成功應(yīng)用并已經(jīng)可以進行實際工程的設(shè)計。在地下工程領(lǐng)域,目前也已經(jīng)有學(xué)者進行了一些研究,鄭穎人等將強度折減有限元法應(yīng)用于隧道與地下洞室工程中,計算了洞室結(jié)構(gòu)的抗剪安全系數(shù);唐春安等提出應(yīng)用RFPA強度折減法進行巖土工程穩(wěn)定性分析,在邊坡和隧道結(jié)構(gòu)方面都進行了一些研究;楊臻、鄭穎人等應(yīng)用強度折減法分析了各類隧洞巖體的穩(wěn)定性并根據(jù)安全系數(shù)反推了巖體的強度參數(shù)。用彈塑性有限元方法分析溶洞的穩(wěn)定性,只要計算參數(shù)選擇準確,就可以得到比較精確的計算結(jié)果,同時得出的計算數(shù)據(jù)也更為直觀,便于指導(dǎo)工程實踐。1頂面受拉拉破壞對于地下洞室結(jié)構(gòu)來說,破壞形式主要有兩種:一種是剪切破壞;對于頂面比較平緩的洞室結(jié)構(gòu),也有可能會發(fā)生受拉破壞。大多數(shù)的洞室結(jié)構(gòu)破壞形式都是受剪破壞,由于受拉破壞的情況比較少,因此本文主要考慮了溶洞受剪破壞的安全系數(shù)。1.1折減系數(shù)和最小驗算抗剪安全系數(shù)是通過抗剪強度折減法求得的,所謂抗剪強度強度折減,就是在有限元計算中將溶洞巖體粘聚力c和內(nèi)摩擦角?同時除以一個折減系數(shù)F,得到一組新的c和?值。經(jīng)過折減的剪切強度參數(shù)c′f和?′f變?yōu)?c′f=c/F(1)?′f=arctan(tan?F)(2)?′f=arctan(tan?F)(2)然后,將折減后的c′f和?′f作為一組新的材料參數(shù)輸入,再進行試算。當(dāng)計算出溶洞失穩(wěn)時,對應(yīng)的強度折減系數(shù)F就是溶洞的最小安全系數(shù),此時溶洞達到極限狀態(tài),發(fā)生剪切破壞。有限元計算參數(shù)見表1。1.2drcker-pr果準則在對溶洞穩(wěn)定性進行分析時,只要選取合適的屈服準則,就能夠比較準確地判斷出溶洞是否發(fā)生了失穩(wěn)。本文的數(shù)值計算就應(yīng)用了在有限元分析中應(yīng)用非常廣泛的Drucker-Prager(D-P)準則。D-P準則的表達式為:F=3√αI1+3J2???√?σy=0(3)F=3αΙ1+3J2-σy=0(3)式中靜水壓力為:I1=σii參數(shù)α和σy與粘聚力c和內(nèi)摩擦角?有關(guān),表達式為:α=sin?9+3sin2?√σy=9ccos?9+3sin2?√(4)α=sin?9+3sin2?σy=9ccos?9+3sin2?(4)1.3結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有限元分析有限元法分析巖土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的一個關(guān)鍵問題是如何根據(jù)有限元計算結(jié)果來判別結(jié)構(gòu)是否達到極限破壞狀態(tài),目前在失穩(wěn)判據(jù)方面還存在著一些爭議,主要有以下幾種評判指標:1)限定收斂迭代最大次數(shù),以節(jié)點不平衡力與外荷載比值大于某一數(shù)值導(dǎo)致數(shù)值計算不收斂作為判據(jù);2)基于有限元分析結(jié)果,繪制結(jié)構(gòu)廣義剪應(yīng)變分布,以某一幅值的廣義剪應(yīng)變區(qū)域貫通作為判據(jù);3)以塑性應(yīng)變?yōu)橹笜?用塑性區(qū)范圍及連通狀態(tài)評價結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。目前的巖土結(jié)構(gòu)有限元計算多用數(shù)值計算不收斂或以塑性區(qū)的范圍及連通狀態(tài)作為判據(jù)。這兩種方法分別有其優(yōu)缺點,對于數(shù)值計算不收斂來說,影響因素比較多,不能夠保證計算的不收斂是由結(jié)構(gòu)變形發(fā)生突變引起的,因此,如以這種方法作為判據(jù)有時會出現(xiàn)不正確的計算結(jié)果;而以塑性區(qū)范圍作為判據(jù)時,究竟出現(xiàn)多大的塑性應(yīng)變才能認為結(jié)構(gòu)破壞,也沒有一個定量的標準。本文將兩種方法綜合起來判定溶洞結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,首先設(shè)定收斂準則,當(dāng)數(shù)值計算不收斂時,觀察溶洞的塑性應(yīng)變,如果此時溶洞周邊發(fā)生了大范圍的塑性變形且塑性區(qū)基本貫通,可認為此時結(jié)構(gòu)已發(fā)生破壞,結(jié)構(gòu)的變形發(fā)生突變;如果計算不收斂時,塑性變形還很小,那么認為計算不收斂不是由結(jié)構(gòu)破壞引起的,檢查模型調(diào)整參數(shù)后,繼續(xù)進行計算。2填土作用下的巖溶穩(wěn)定性分析云南某機場處于巖溶區(qū),在填方區(qū)地基下部存在一圓形溶洞,溶洞頂板為微風(fēng)化灰?guī)r,分析其在填土荷載作用下的穩(wěn)定性。具體參數(shù)見表2,3。在有限元計算中,按照平面應(yīng)變問題建立模型,土體選用理想彈塑性材料,應(yīng)用Drucker-Prager準則。邊坡的左右兩側(cè)為水平約束,底面固定約束。模型共有2316個單元,1226個節(jié)點,設(shè)定兩個工況:第1個工況不考慮填土作用,將填土單元設(shè)定為死單元,計算出在未進行填土作用時初始地應(yīng)力;第2個工況激活填土單元,分析在填土重力作用下溶洞的受力和變形情況,以判定溶洞的穩(wěn)定性。土層分布及有限元網(wǎng)格劃分如圖1所示。圖2是工況1即未進行填土作用時溶洞周邊的豎向應(yīng)力分布,可以看出此時應(yīng)力不大,計算出溶洞周邊巖體仍處于彈性階段,并未發(fā)生塑性變形。工況1分析完成后在原地基上部加載填土,經(jīng)過工況2分析計算,得出溶洞周邊的豎向應(yīng)力分布如圖3所示,此時溶洞周邊巖體已經(jīng)產(chǎn)生了塑性變形,但是從圖4可以看到,塑性變形的范圍以及量值都非常小,此時的溶洞仍然是穩(wěn)定的。對巖體進行強度折減,當(dāng)折減系數(shù)為1.79時,計算不再收斂,減小折減系數(shù)為1.78,計算收斂,此時的塑性區(qū)分布如圖5所示。從圖5中可以看到,此時溶洞周邊大范圍巖體已經(jīng)發(fā)生變形,可以認為溶洞發(fā)生破壞,由此得到在高填土作用下溶洞的抗剪安全系數(shù)為1.78。3有限元法特點