基于上限理论的软土基坑抗隆起稳定分析方法

多块体上限法是当前岩土工程稳定性问题求解的一种严格、高效、简便且实用的方法。依据多块体上限法求解岩土工程稳定性问题的一般模式,通过对软黏土基坑抗隆起稳定性问题的适当简化,从而提出了基于极限分析上限理论的黏土基坑抗隆起稳定分析新方法。为适应国内外深基坑工程实践的现状,分别给出了土体强度指标为固结不排水剪及不固结不排水剪时的上限法理论方程中内能耗散项的计算方法。给出了所提出新方法求解实现的详细过程,并编制了该方法的计算程序,从而使所提出的方法能够直接应用于国内外的工程实践。详细分析总结了支护墙体刚度、支护墙体入土深度、基坑开挖深度、土体强度等影响因素对抗隆起稳定性的影响及规律,最后通过具体工程实例的计算及对比说明了该方法的合理性及实用性。     

基于上限法的K0固结黏土基坑抗隆起稳定分析

软黏土基坑抗隆起稳定一般以不排水强度控制。考虑挡墙入土深度、挡墙与土体之间的摩擦和土体非均质各向异性,首先根据严格的塑性极限分析上限定理假设挡墙完全光滑或完全粗糙,并运用考虑软黏土K0正常固结和基坑开挖引起土体应力主轴旋转的不排水各向异性强度公式,推导基于Terzaghi机构和Prandtl机构的基坑抗隆起稳定上限解。将在各向同性情况下推导所得稳定系数计算公式与同样基于上限法的Chang(2000)和黄茂松等(2008)以及基于极限平衡法的Terzaghi(1943)稳定系数计算公式进行对比。研究挡墙入土深度、土体强度各向异性和非均质等因素对基坑抗隆起稳定性的影响,同时与多块体上限法的计算结果进行比较分析,验证本文推导方法的适用性。     

K_0固结黏土基坑抗隆起稳定性上限分析

软黏土中深基坑开挖支护系统设计一般由不排水稳定控制。考虑基坑开挖引起土体应力主轴旋转和土体不排水抗剪强度的各向异性,首先基于所提出的各向异性本构模型推导了三轴条件下软黏土的不排水强度公式并结合Casagrande和Carillo推荐的能考虑土体应力主轴旋转的软黏土强度公式,提出一种适合于基坑开挖抗隆起稳定分析的K0正常固结软黏土的不排水各向异性抗剪强度。假定Prandtl的土体滑移破坏形式,运用塑性极限分析上限定理推导非均质土层中深基坑开挖的抗隆起稳定公式。研究了基坑开挖土体强度各向异性比、挡墙入土深度、坑底硬土层对抗隆起安全系数的影响。并与基于MIT-E3模型的有限元计算结果及其它文献中的算例进行验证,说明该方法的适用性。     

K0固结黏土基坑抗隆起稳定性上限分析

软黏土中深基坑开挖支护系统设计一般由不排水稳定控制。考虑基坑开挖引起土体应力主轴旋转和土体不排水抗剪强度的各向异性,首先基于所提出的各向异性本构模型推导了三轴条件下软黏土的不排水强度公式并结合Casagrande和Carillo推荐的能考虑土体应力主轴旋转的软黏土强度公式,提出一种适合于基坑开挖抗隆起稳定分析的K0正常固结软黏土的不排水各向异性抗剪强度。假定Prandtl的土体滑移破坏形式,运用塑性极限分析上限定理推导非均质土层中深基坑开挖的抗隆起稳定公式。研究了基坑开挖土体强度各向异性比、挡墙入土深度、坑底硬土层对抗隆起安全系数的影响。并与基于MIT-E3模型的有限元计算结果及其它文献中的算例进行验证,说明该方法的适用性。     

基坑抗隆起稳定的块体集上限分析

采用块体集上限法构造了基坑抗隆起稳定问题的运动许可速度场,分析了各种条件下不排水黏土基坑抗隆起稳定系数和破坏面特性。通过对考虑坑底坚硬土层、挡墙入土深度和基坑外侧地表超载条件下,块体集上限分析结果与已有文献结果的对比,验证了方法的有效性。块体集上限法克服了多块体上限法存在破坏面假设的缺点,不仅适用范围更广,同时可以得到更完整的基坑抗隆起优化破坏面。在考虑支护挡墙入土深度时,块体集上限法所得基坑抗隆起稳定分析结果优于多块体上限法和强度折减有限元法,具有较大优越性。     

支护结构入土深度对黏土基坑抗隆起稳定的影响分析

在考虑支护结构入土深度影响的情况下,传统的基于Prandtl机构的上限解过高地估计了黏土基坑的抗隆起稳定安全系数,因而无法真正应用于工程实践中。首先采用强度折减弹塑性有限元法和多块体上限法对支护结构入土深度的影响进行了深入的分析,在此基础上对Prandtl机构进行了修正,并推导了符合极限分析上限定理的修正机构简化解;通过对比分析验证了所推导公式的合理性,此公式对工程中常见的软土层厚度较大时基坑抗隆起稳定分析具有重要的实用意义。     

考虑土体吸力基坑抗隆起稳定性极限上限分析

软土及高水位地区基坑降水对土体抗剪强度及基坑稳定性有积极作用。基于有效饱和度和土-水特性参数的非饱和吸应力模型,推导了地下水位面以上土体吸应力的空间分布规律。在此基础上,假设基坑地连墙与土体之间部分粗糙,考虑土体吸应力引起的土体内能耗散,基于塑性极限分析上限定理采用Terzaghi机构推导了基坑抗隆起稳定性的上限解。对比分析了考虑降水与不考虑降水时基坑抗隆起稳定性的差异,研究了基坑降水条件下坑底抗隆起稳定性与基坑深度、地下水位以及土体内摩擦角,进气值等因素的关系。研究结果表明,在降水条件下,水位线以上土体基质吸力提高,土体抗剪强度增加,基坑抗隆起稳定性随降水深度的增加而显著提高,基坑抗隆起稳定性随基坑开挖深度的增加而降低。研究结果为基坑降水施工过程中的抗隆起稳定性分析提供了一定的理论依据。     

考虑支护结构的软土基坑抗隆起稳定上限分析

采用极限分析有限元方法,考虑了支护结构的影响,通过塑性流动约束条件,速度不连续约束条件以及速度边界约束条件等,形成了一个以结点速度,非负塑性应变率和引进的非负变量作为未知量的线性方程组,由能量平衡的关系建立了目标函数,运用线性规划优化算法求解线性方程组。分析了土体强度,支护结构入土深度以及支护结构极限弯矩等因素对于基坑抗隆起稳定性安全系数的影响,得出了基坑抗隆起稳定性安全系数随着支护结构入土深度和极限弯矩增加而增大的结论。通过两个算例的验算,并且与传统算法计算结果进行对比,体现出本文方法的适用性和正确性。本文的计算方法为软土地区基坑抗隆起稳定性验算提供了一个新的计算思路,具有一定工程参考价值。     

非均质黏土地基隧道环向开挖面稳定上限分析

基于多块体极限分析上限法,推导了不排水条件下饱和黏性土地基中隧道环向开挖面稳定支护压力的计算公式。编制相应的计算程序,优化得到了隧道环向开挖稳定的最优上限解答。通过与已有极限分析上限解答的对比,验证了多块体极限分析上限法在隧道开挖稳定性分析的适用性。对照隧道开挖稳定的最优上限解的变化规律及相应破坏面的形状,详细分析了隧道埋深比、土体重度及强度非均质性对开挖面极限支护压力和因隧道开挖产生的滑动面范围和位置的影响。在此基础上,进一步基于隧道失稳的简化破坏模式推导了黏性土地基隧道开挖稳定的极限支护压力的简化上限解。通过与已有离心模型试验的对比验证,指出本文上限解可直接用于工程中初步确定开挖面支护压力,为隧道工程设计提供可靠的理论依据。     

基于旋转块体集的深埋条形锚板上限分析

提出一种基于旋转块体集的极限分析上限方法，该方法以由多个三角形楔块所组成的旋转块体集为基本单元，通过旋转块体集的组合来构造所求问题的运动许可速度场。首先推导了旋转块体集的内能耗散和重力做功，然后运用旋转块体集对不排水黏土中深埋条形锚板的抗拔承载力进行了分析，计算结果表明：深埋条形锚板的抗拔承载力系数上限解与锚板在土体中的埋置方位无关，均为11.42。本文上限解比极限分析有限元所得上限解更为精确，而且求解所得破坏面较极限分析有限元更为清晰直观，从而验证了本文方法的优越性。     

基于非线性破坏准则的土坡稳定有限元上限分析

材料的非线性破坏准则是指材料的强度与应力相关,因此描述材料强度的前提是应力已知。现有土坡稳定的上限极限分析方法由于无法确定土坡内的应力分布而无法采用非线性强度准则。论文基于Mohr-Coulomb屈服准则和有限单元法,将边坡稳定上限极限分析形成标准二次锥规划数学模型,并转化为对偶问题的“静力形式”进行求解,从而可以确定边坡内部的应力分布,进而使用迭代的方法确定材料在非线性破坏准则下的等效剪切强度,最终得到问题的上限解。通过两个算例的计算分析,并与已有计算方法进行对比,验证了所提出方法的正确性,得到的上限解也更为严格、精确。     

Upper-bound stability analysis of a plane strain heading in non-homogeneous clay

This paper investigates the undrained stability of a plane strain tunnel heading in cohesive soil, whose undrained shear strength is assumed to increase linearly with depth. Upper bound stability solutions for a practical range of parameters of geometries and soil conditions are found using the multi-rigid-block upper bound method. The upper bound solutions obtained from the multi-rigid-block mechanisms significantly improve the classical solutions and have good agreement with those of the finite element limit analysis when C/D is small. An improved simple collapse mechanism which intermix inhomogeneous deforming region and rigid blocks translation together is proposed based on the multi-rigid-block upper-bound analysis. An upper bound analytical solution is then obtained in view of the numerical results of both the multi-rigid-block collapse mechanism and the improved simple collapse mechanism. And it predicts the plane strain heading stability relatively accurate for shallow tunnels.     

考虑参数空间变异性的边坡稳定可靠性有限元极限分析

当土性参数空间变异性较大时,极限平衡法得到的滑移面不尽合理。阐述了基于广义变分原理的有限元极限分析方法,采用混合有限元方法,构筑了线性应力三角形单元与线性速度三角形单元,结合强度折减法与线性规划算法,建立了边坡稳定安全系数上下限分析方法,分析了土的抗剪强度参数空间变异性对边坡稳定性的影响,并与3种典型极限平衡法进行了对比。结果表明,FELA方法可有效搜索边坡临界滑移面,并给出安全系数的严格上下限。对于简单均质边坡,有限元极限分析与极限平衡法结果接近,极限平衡法结果大多位于极限分析的上下限内;对于空间变异性较大的边坡,有限元极限分析法可以有效搜索可能的多种临界滑移面,而极限平衡法则存在显著偏差,且往往高估滑坡风险。强度参数的空间变异性还导致边坡安全系数分布形式变化显著,仅采用安全系数无法反应这一变化。根据安全系数的分布形式,给出了土性参数设计值建议。     

黏土地层隧道开挖面三维稳定性上限分析

对不排水均质黏土地基隧道开挖失稳三维破坏模式进行改进,弥补了目前隧道开挖稳定性问题中三维极限分析上限法的不足。采用截椭圆柱体构造多块体平动破坏模式,克服了现有三维多块体平动破坏模式与隧道开挖面不完全接触的缺陷;进一步针对三维多块体平动破坏模式存在的问题,提出了多块体转动–剪流组合破坏模式,得到了均质黏土地层中隧道开挖稳定的上限解,明显改善了现有的极限分析上限解,并与三维弹塑性有限单元法结果及文献中的离心试验结果进行对比,验证了上限分析方法的有效性。     

基于Drucker-Prager准则的高阶单元自适应上限有限元研究

引入Drucker-Prager屈服准则,建立了基于高阶单元和二阶锥规划的自适应上限有限元方法,并编制了计算程序。采用单元内部耗散能为控制指标的自适应加密策略,以一分为二的方式对能量耗散率较大的单元进行剖分加密,形成多次往复计算完成上限有限元的自适应加密过程。通过隧道稳定性及条形基础地基承载力算例,分析了系列Drucker-Prager屈服准则对极限荷载上限解的影响,揭示该屈服准则与Mohr-Coulomb屈服准则的差异所在,以及对上限解和破坏模式的影响,并进一步验证了基于高阶单元和二阶锥规划的自适应上限有限元法具有计算精度和求解效率高以及可搜索获取精细化破坏模式的特点。