機(jī)場填方中溶洞穩(wěn)定性分析的強(qiáng)度折減有限元法

機(jī)場填方中溶洞穩(wěn)定性分析的強(qiáng)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(jì)的不斷發(fā)展，中國在西南山區(qū)實(shí)施了大量的機(jī)場建設(shè)項(xiàng)目。由于機(jī)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(shí)，機(jī)場建設(shè)通常包括高埋和高填埋負(fù)荷的作用，這使得隧道的穩(wěn)定性進(jìn)一步提高?？赡馨l(fā)生的巖石崩塌可能會(huì)對(duì)機(jī)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(duì)溶洞的處治較為保守,費(fèi)用巨大。因此,準(zhǔn)確分析機(jī)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(jì)算方面采用的多數(shù)是定性及經(jīng)驗(yàn)結(jié)合的判定方法或應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)公式驗(yàn)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(yàn);定量計(jì)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(jìn)行抗彎和抗剪計(jì)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(yán)密,都作了相當(dāng)大程度上的簡化,計(jì)算結(jié)果誤差較大。有限元強(qiáng)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(shí)數(shù)值計(jì)算和計(jì)算機(jī)水平所限而未能得到發(fā)展。十幾年來,隨著數(shù)值計(jì)算水平的提高和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,強(qiáng)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(jìn)行實(shí)際工程的設(shè)計(jì)。在地下工程領(lǐng)域,目前也已經(jīng)有學(xué)者進(jìn)行了一些研究,鄭穎人等將強(qiáng)度折減有限元法應(yīng)用于隧道與地下洞室工程中,計(jì)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(qiáng)度折減法進(jìn)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(jìn)行了一些研究;楊臻、鄭穎人等應(yīng)用強(qiáng)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(qiáng)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(jì)算參數(shù)選擇準(zhǔn)確,就可以得到比較精確的計(jì)算結(jié)果,同時(shí)得出的計(jì)算數(shù)據(jù)也更為直觀,便于指導(dǎo)工程實(shí)踐。1頂面受拉拉破壞對(duì)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(duì)于頂面比較平緩的洞室結(jié)構(gòu),也有可能會(huì)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(yàn)算抗剪安全系數(shù)是通過抗剪強(qiáng)度折減法求得的,所謂抗剪強(qiáng)度強(qiáng)度折減,就是在有限元計(jì)算中將溶洞巖體粘聚力c和內(nèi)摩擦角?同時(shí)除以一個(gè)折減系數(shù)F,得到一組新的c和?值。經(jīng)過折減的剪切強(qiáng)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(jìn)行試算。當(dāng)計(jì)算出溶洞失穩(wěn)時(shí),對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度折減系數(shù)F就是溶洞的最小安全系數(shù),此時(shí)溶洞達(dá)到極限狀態(tài),發(fā)生剪切破壞。有限元計(jì)算參數(shù)見表1。1.2drcker-pr果準(zhǔn)則在對(duì)溶洞穩(wěn)定性進(jìn)行分析時(shí),只要選取合適的屈服準(zhǔn)則,就能夠比較準(zhǔn)確地判斷出溶洞是否發(fā)生了失穩(wěn)。本文的數(shù)值計(jì)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(zhǔn)則。D-P準(zhǔn)則的表達(dá)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(dá)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(gè)關(guān)鍵問題是如何根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果來判別結(jié)構(gòu)是否達(dá)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(píng)判指標(biāo):1)限定收斂迭代最大次數(shù),以節(jié)點(diǎn)不平衡力與外荷載比值大于某一數(shù)值導(dǎo)致數(shù)值計(jì)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?biāo),用塑性區(qū)范圍及連通狀態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。目前的巖土結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算多用數(shù)值計(jì)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(diǎn),對(duì)于數(shù)值計(jì)算不收斂來說,影響因素比較多,不能夠保證計(jì)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(shí)會(huì)出現(xiàn)不正確的計(jì)算結(jié)果;而以塑性區(qū)范圍作為判據(jù)時(shí),究竟出現(xiàn)多大的塑性應(yīng)變才能認(rèn)為結(jié)構(gòu)破壞,也沒有一個(gè)定量的標(biāo)準(zhǔn)。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(zhǔn)則,當(dāng)數(shù)值計(jì)算不收斂時(shí),觀察溶洞的塑性應(yīng)變,如果此時(shí)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(rèn)為此時(shí)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(jì)算不收斂時(shí),塑性變形還很小,那么認(rèn)為計(jì)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(jìn)行計(jì)算。2填土作用下的巖溶穩(wěn)定性分析云南某機(jī)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(jì)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(zhǔn)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(gè)單元,1226個(gè)節(jié)點(diǎn),設(shè)定兩個(gè)工況:第1個(gè)工況不考慮填土作用,將填土單元設(shè)定為死單元,計(jì)算出在未進(jìn)行填土作用時(shí)初始地應(yīng)力;第2個(gè)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(jìn)行填土作用時(shí)溶洞周邊的豎向應(yīng)力分布,可以看出此時(shí)應(yīng)力不大,計(jì)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(jì)算,得出溶洞周邊的豎向應(yīng)力分布如圖3所示,此時(shí)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(shí)的溶洞仍然是穩(wěn)定的。對(duì)巖體進(jìn)行強(qiáng)度折減,當(dāng)折減系數(shù)為1.79時(shí),計(jì)算不再收斂,減小折減系數(shù)為1.78,計(jì)算收斂,此時(shí)的塑性區(qū)分布如圖5所示。從圖5中可以看到,此時(shí)溶洞周邊大范圍巖體已經(jīng)發(fā)生變形,可以認(rèn)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(diǎn)