基于强度折减法的深基坑整体稳定性分析
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[摘要]：城市建设中相继出现较多的深基坑工程，其稳定性分析至关重要。本文采用强度折减有限差分法进行深基坑的抗隆起稳定性分析，通过不断折减基坑土体的强度参数，使基坑至临界失稳状态，从而获得基坑的稳定性系数。通过对具有多层土某深基坑的整体稳定和抗隆起分析，验证了强度折减有限差分法的正确性和合理性，能满足工程建设需要。
[关键词]：深基坑；整体稳定性；强度折减法
[Abstract ]: City construction has more deep foundation pit engineering, the stability analysis is crucial. In this paper, by using the strength reduction finite difference method for the analysis of resistant heave stability of deep foundation pit, with the reduction of strength parameters foundation soil, the foundation pit to the critical failure state, thereby obtaining foundation pit stability coefficient. Based on a deep foundation pit with multilayer soil stability and resistance to uplift analysis, verified by strength reduction finite difference method is correct and reasonable, can meet the needs of engineering construction.
Key words: deep foundation pit; stability; strength reduction method
中图分类号：TV551.4文献标识码：A 文章编号：
1. 引言
随着城市化进程的发展，越来越多的深基坑出现在城市密集区。在城市深基坑工程设计与施工中，周边建筑物及各种市政管线密集，为保证周边环境安全，基坑变形控制要求非常严格[1]。在这个前提下，正确评价基坑整体稳定及抗隆起就成为了很重要的内容。
目前常用的基坑稳定性及坑底抗隆起分析方法主要有Terzaghi方法、地基承载力模式、圆弧滑动模式分析方法。Terzaghi法[2]大多适用于基坑开挖深度与基坑开挖宽度比值小于1的情况，且未考虑坑底面以下支护结构对抗隆起稳定性的有利作用。地基承载力模式[3]如果支护结构底面处上下土体差异过大，往往不能得到真实的抗隆起稳定性系数。圆弧滑动模式[3]如果支护结构的嵌固深度较小时，该假定是不合理的。因此，如何定量地评价城市深基坑开挖对周边环境的安全性影响，成为深基坑工程设计、施工中的一个重要问题。
在边坡稳定性分析中，借助强度折减技术可以客观和定量的给出坡体的安全系数，得到了广泛的应用[4-6]。目前，利用强度折减方法进行基坑的整体稳定性及坑底抗隆起稳定性分析方法得到初步验证[3]，本文基于强度折减方法对复杂多层地基的深基坑进行稳定性验证，分析深基坑整体稳定性及坑底抗隆起稳定性。
2. 基坑抗隆起强度折减法原理
强度折减法利用式(1)来调整岩土体的强度参数，然后对土工构筑物进行计算分析，通过不断调整折减系数，反复分析计算直至其达到临界破坏，此时的折减系数即为安全系数。依据折减系数对岩土材料的力学强度参数进行折减，即
(1)
式中：为黏聚力，为内摩擦角，为折减后的黏聚力，为折减后的内摩擦角。
在基坑工程中，土体和支护体系组成一个系统。在基坑的某个状态下(如某个开挖深度下)，通过上述强度折减方法即可得到基坑的整体稳定系数。
3. 某工程深基坑坑底抗隆起数值分析
3.1 计算模型
根据支挡结构的几何尺寸，建立如图1所示的有限差分计算模型。模型单元总数为4360个，节点总数为5532个。模型底部采用固定约束，左右边界采用水平向约束。圆形桩基弹性模量为E=20 GPa，泊松比μ=0.15，均采用线弹性本构模型。根据勘察资料，场地地层主要有素填土、粉质粘土、卵石层及不同风化的泥岩组成，根据现场工程地质条件及计算模型尺寸，所穿过的地基土参数如表1所示，采用M-C强度准则模型。
图 1计算模型
表1 场地内主要土层的物理力学参数
3.2 强度折减法数值模拟过程
深基坑隆起破坏是最主要的破坏形式，基坑的抗隆起计算是稳定性验算的重要内容之一。深基坑抗隆起稳定性强度折减数值分析方法可对基坑隆起量进行控制，通过坑底隆起量判断计算是否继续。分析过程如下：
（1）按照给定的不同材料编号进行参数设置和边界条件的设定（FS=1.0）。
（2）对模型施加重力，建立初始应力场，并清除外力引起的位移。
（3）按照工况开挖土体，对不同土层分别进行开挖计算。
（4）进行强度折减计算，到基坑滑面贯通为止，提取基坑的稳定系数。
3.3 计算结果分析
基坑隆起破坏的根本原因是土体应力强度的破坏。基坑开挖打破了天然土体原始的应力平衡状态，使土体中的应力重新分布，形成二次应力场。基坑开挖后底部附近土体的变形趋势如图2所示，从图2中可以看出，基坑开挖后，底板发生一定的回弹变形，但基本无隆起现象。
图 2基坑开挖后变形趋势图
随后进行了基坑的强度折减计算，图3为不同折减系统下基坑的变形破坏发展趋势，采用剪应变增量指标判断破坏区是否贯通，当贯通时认为基坑发生破坏，此时安全系数FS=2.1，满足整体稳定性验算要求。
a．FS=1.5 b．FS=2.1
图 3等效塑性应变分布图
4 结论
通过有限差分数值分析，进而计算深基坑开挖后的位移变形情况，获得了基坑隆起的稳定性状况，并获得了基坑开挖后的应力分布情况。
强度折减法无需对潜在的滑动面进行假定，通过强度折减使土体达到临界状态，从而求得基坑的稳定性系数。该方法能较好地考虑多层复杂地质条件下深基坑整体稳定性状况，可以满足基坑工程设计的要求。
5 致谢
感谢成都理工大学环境与土木工程学院陈国庆老师在程序调试和论文写作方面的大力指导和帮助，在此表示衷心感谢。
参考文献
[1] DG/TJ 08261―2001, 基坑工程技术规范[S]. 2001.
[2] Terzaghi K. Theoretical soil mechanics [M]. New York: JohnWiley & Sons, 1943.
[3] 王卫东, 徐中华. 基于强度折减法的圆形深基坑坑底抗隆起稳定性分析[J]. 建筑结构学报, 2010, 31(5): 195-201.
[4]黄正荣, 梁精华. 有限元强度折减法在边坡三维稳定分析中的应用[J]. 工业建筑, 2006, 36(6) : 59-64.
[5]马建勋, 赖志生,蔡庆娥, 等. 基于强度折减法的边坡稳定性三维有限元分析[J]. 岩石力学与工程学报, 2004, 23(16) : 2690-2693.
[6]赵尚毅, 郑颖人, 时卫民, 等. 用有限元强度折减法求边坡稳定安全系数[J]. 岩土工程学报, 2002, 24(3) : 343-346.