降雨条件下土钉支护类型基坑中位移矢量角失稳预测

摘要

火力发电厂输煤栈桥结构形式及选型火力发电厂输煤栈桥结构形式及选型根据土体的变形特性，采用非线性有限元方法，对降雨条件下的基坑坡体安全性问题进行数值计算的研究和分析，通过对数值模拟的结果分析，探讨并验证基坑坡移矢量角与基坑安全性关系的判据。

关键词：土钉支护、位移矢量角、降雨、深基坑、预测

中图分类号：TV551.4 文献标识码： A

一、前言

目前，对于基坑中支护结构发生较大的变形的原因总结主要有有两种：一是设计计算以外的外加荷载，二是基坑边坡土体物理力学参数弱化，多为降雨与其他原因引起的地下水变化产生渗流造成。对于基坑周边环境荷载问题设计方会在最大范围内考虑，堆载问题甲方和施工方在施工中都格外关注，避免外加荷载造成基坑支护结构发生较大变形。但对于渗流问题的产生多与降雨、管道、周边水环境有关，不确定性较大。一些重大基坑事故均于降雨、渗流有关，例如，南京地铁2号线工地渗水塌陷引发爆炸，杭州地铁基坑081115事故分析中三大主要原因之一为10月份杭州出现一次罕见的持续性降雨。因此，基坑工程突发渗流问题对基坑安全性影响需引起高度重视。

二、基坑监测预警方法分析

目前，在施工过程中判定基坑工程安全性的方法主要是通过进行水平及垂直位移监测，变形速率若出现异常情况应加大监测频度，当最大位移超过基坑开挖深度的规定值或位移速率连续三日大于规定数值时（其中规定数值应该具基坑等级、监测等级查阅规范【2】），应进行监测报警。一些学者从动力学角度分析了在基坑坡体演化破坏过程中仅依赖位移或位移速率这一单一信息的缺陷性，提出以下方法：超变形法【3】，神经网络预测方法【4】，广角度综合评判法【5】。

同样上述方法还不够成熟，存在一些缺陷，所以，笔者将已成功预测堆积层滑坡稳定性的位移矢量角引用到基坑坡体安全性判断上来。并提出三条基坑坡体稳定性判据：（1）在基坑坡底位移矢量角将突然变小；在基坑坡顶位移矢量角将突然变大，在中间部分位移矢量角随时间将逐渐增大；（2）根据数理统计基本原理，对基坑坡移矢量角的异常变化是否为突变可采用均方差做判据，即位移矢量角变化值是否在其均值加均方差的倍数范围内波动作为边坡位移矢量角异常变化判据；（3）对于基坑坡底位移矢量角减小突变的最小值应与基坑坡体的倾角进行对比，如果大于坡体倾角，说明基坑土体下滑移动在其抗剪强度范围内，无剪出破坏的可能性，如果小于坡体倾角，说明基坑土体有向基坑以外运动，有剪出坡体发生失稳的趋势。

三、降雨对土钉支护类型基坑数值模拟位移矢量角结果分析

对青岛地区某一实地基坑进行计算模拟分析，为了便于空间分析，将监测点从上到下均匀分布在基坑边坡外表面，分5个阶段，每个阶段设置3个监测点来进行分析。各监测点在基坑边坡中的位置如图1所示。模拟时每10个时步一次位移累计，取每1000时步时位移累计量为代表，并计算每1000时步以后的安全系数。

（a） 监测点示意图

（b） 监测点分布详图

图1 监测点分布图

1、基坑模拟模型节点1、3、5模拟数值分析

基坑坡顶代表性节点1、3、5在水平和竖直两个方向上的位移序列累加，可计算得节点1、3、5位移矢量角序列（表1），并作出位移矢量角与稳定系数关系曲线图（图3）。

从图3中可以看出，计算在10000时步之前稳定系数一直不小于1.0，位移矢量角基本呈现波动增加的趋势，说明此时基坑边坡处于压缩变形阶段，在10000时步之后稳定系数突降至0.96以下，位移矢量角急剧增大。说明此时基坑边坡已经不安全。

表1 监测点1、3、5位移矢量角

图3 监测点1、3、5位移矢量角与稳定系数关系

2、基坑模拟模型节点21、23、25模拟数值分析

由基坑边坡坡顶代表性节点21、23、25在水平和竖直两个方向上的位移序列累加，可计算得节点21、23、25位移矢量角序列（表2），并作出位移矢量角与稳定系数关系曲线图（图4）。

从图4中可以看出，随着稳定系数降低，位移矢量角逐渐增大，说明此处滑体处于弹性变形到塑性变形转换阶段，且处于张拉应力状态。从图中无法看出位移矢量角有明显跳跃性的变化，但是稳定系数逐步减小且小于1.0，所以表明此时基坑已经是不安全的。

表2 监测点21、23、25位移矢量角

图4 监测点21、23、25位移矢量角与稳定系数关系

3、基坑模拟模型节点41、43、45模拟数值分析

由基坑边坡坡顶代表性节点41、43、45的位移累加序列，可计算得节点41、43、45位移矢量角序列（表3），并作出位移矢量角与稳定系数关系曲线图（图5）。

从图5可以看出在计算模拟时步10000之前，位移矢量角逐渐减小，根据第二章判据理论，位移矢量角减小，说明此时此处坡体处于塑性变形阶段，且处于挤压剪出状态；当模拟计算时步超过10000时，位移矢量角急剧减少且比三级开挖监测点变化范围大，且此时位移矢量角减小到小于基坑坡体的倾角（1:0.4=68.2度），说明该监测点周围土体向临空方向突变，基坑坡体土体有剪出斜坡趋势。基坑破坏发生滑移的剪出口位置在该系列监测点附近。

表3 监测点41、43、45位移矢量角

图5 监测点41、43、45位移矢量角与稳定系数关系

四、基坑边坡位移矢量角变化与稳定系数定量关系

1、基坑坡顶位移矢量角判定

基坑坡顶三个节点1、3、5的位移矢量角变化规律基本相同，且相差不大，故可将节点位移矢量角取均值，再由此求的位移矢量角变化，可得代表性节点处位移矢量角变化值序列（表4）。由此可计算得基坑坡顶代表性节点均方差异常判据（表5）及位移矢量角变化与稳定系数定量关系曲线（图5）。

表4 基坑坡顶位移矢量角变化值

表5 基坑坡顶位移矢量角变化值的均值和方差

图6 基坑坡顶位移矢量角变化与稳定系数定量关系曲线

由图、表分析可见，在稳定系数大于1.0之前，位移矢量角变化基本在范围内浮动，在稳定系数小于1.0之后，位移矢量角变化突然出现异常，即大于，且稳定系数小于1.0，说明此时基坑即将失稳。

2、基坑坡低位移矢量角判定

采取与基坑边坡坡顶相同的处理，可得基坑坡低位代表性节点41、43、45处位移矢量角变化值序列（表6）。由此可得基坑坡低代表性节点位移矢量角变化均方差异常判据（表7）及位移矢量角变化与稳定系数定量关系曲线（图7）。

由图、表分析可见，在稳定系数大于1.0之前，位移矢量角变化基本在范围内浮动，在稳定系数小于1.0之后，位移矢量角变化突然出现异常，即小于，且稳定系数小于1.0，说明此时基坑即将失稳。

表6 基坑坡底位移矢量角变化值

表7 基坑坡底位移矢量角变化值的均值和方差

图7 基坑坡低位移矢量角变化与稳定系数定量关系曲线

五、总结

利用FLAC3D软件程序，考虑降雨条件下土体渗流作用，对青岛地区一土钉支护系统的基坑进行数值模拟计算，在数值模拟的基础上，分析和研究了渗流条件下稳定系数变化导致位移矢量角变化的规律，得出了位移矢量角具有如下规律：随渗流参数值变化稳定系数降低，在基坑坡体模拟计算时步超过10000时，位移矢量角发生突变位移矢量角发生突变，即在基坑坡底位移矢量角随时间的增加将突然变小，在基坑坡顶位移矢量角随时间的增加将突然变大，在中间部分位移矢量角随时间将逐渐增大。此时其位移矢量角的变化发生突变，变化范围超出；且坡底位移矢量角小于基坑坡体倾角。

参考文献

【1】Burland J B，The Ninth Bjerrum Men. Lecture：Small is beautiful-the stiffness of soils at Small trains [J]， Canadian Geotechnical Journal, 1989，26：499-516

【2】山东省建设厅，建筑基坑工程监测技术规范GB50497-2009，2009-9-1

【3】胡强、刘宁、李锦辉等，超变形法及其在深基坑开挖中的应用[J].岩土工程技术，2003，(3)：167-170

【4】建仁、张福林，基坑稳定的人工神经网络预测[J]，建筑技术开发，2001，28(2)：10-13

【5】邵国建、刘宁等，基坑安全稳定的广角度综合评判法[J]，岩土工程技术，2004，18(2)：96-99