机场填方中溶洞稳定性分析的强度折减有限元法

机场填方中溶洞稳定性分析的强度折减有限元法

0关于隧道和地下洞室的稳定分析方法随着国家经济的不断发展，中国在西南山区实施了大量的机场建设项目。由于机场面积大、区位广、区位少等因素，在施工过程中不能避免所有的洞穴。同时，机场建设通常包括高埋和高填埋负荷的作用，这使得隧道的稳定性进一步提高。可能发生的岩石崩塌可能会对机场工程的安全构成威胁。由于目前溶洞稳定性分析理论不太成熟,所以为了保证工程的安全,多数情况下对溶洞的处治较为保守,费用巨大。因此,准确分析机场填土地基下溶洞的稳定性是一件很重要的工作。长期以来,在溶洞稳定性计算方面采用的多数是定性及经验结合的判定方法或应用经验公式验算的简单的定量判定方法。定性分析方面主要依靠工程人员的经验;定量计算方面多为应用结构力学的原理,将溶洞的顶板当作梁板受力来考虑,进行抗弯和抗剪计算,应用最小顶板厚度的方法来判定溶洞的稳定性。这些方法在理论上并不严密,都作了相当大程度上的简化,计算结果误差较大。有限元强度折减技术最早由Zienkiewicz(1975)提出并用于边坡的稳定性分析,由于当时数值计算和计算机水平所限而未能得到发展。十几年来,随着数值计算水平的提高和计算机技术的发展,强度折减有限元法已经在边坡稳定分析方面得到了成功应用并已经可以进行实际工程的设计。在地下工程领域,目前也已经有学者进行了一些研究,郑颖人等将强度折减有限元法应用于隧道与地下洞室工程中,计算了洞室结构的抗剪安全系数;唐春安等提出应用RFPA强度折减法进行岩土工程稳定性分析,在边坡和隧道结构方面都进行了一些研究;杨臻、郑颖人等应用强度折减法分析了各类隧洞岩体的稳定性并根据安全系数反推了岩体的强度参数。用弹塑性有限元方法分析溶洞的稳定性,只要计算参数选择准确,就可以得到比较精确的计算结果,同时得出的计算数据也更为直观,便于指导工程实践。1顶面受拉拉破坏对于地下洞室结构来说,破坏形式主要有两种:一种是剪切破坏;对于顶面比较平缓的洞室结构,也有可能会发生受拉破坏。大多数的洞室结构破坏形式都是受剪破坏,由于受拉破坏的情况比较少,因此本文主要考虑了溶洞受剪破坏的安全系数。1.1折减系数和最小验算抗剪安全系数是通过抗剪强度折减法求得的,所谓抗剪强度强度折减,就是在有限元计算中将溶洞岩体粘聚力c和内摩擦角ϕ同时除以一个折减系数F,得到一组新的c和ϕ值。经过折减的剪切强度参数c′f和ϕ′f变为:c′f=c/F(1)ϕ′f=arctan(tanϕF)(2)ϕ′f=arctan(tanϕF)(2)然后,将折减后的c′f和ϕ′f作为一组新的材料参数输入,再进行试算。当计算出溶洞失稳时,对应的强度折减系数F就是溶洞的最小安全系数,此时溶洞达到极限状态,发生剪切破坏。有限元计算参数见表1。1.2drcker-pr果准则在对溶洞稳定性进行分析时,只要选取合适的屈服准则,就能够比较准确地判断出溶洞是否发生了失稳。本文的数值计算就应用了在有限元分析中应用非常广泛的Drucker-Prager(D-P)准则。D-P准则的表达式为:F=3√αI1+3J2−−−√−σy=0(3)F=3αΙ1+3J2-σy=0(3)式中静水压力为:I1=σii参数α和σy与粘聚力c和内摩擦角ϕ有关,表达式为:α=sinϕ9+3sin2ϕ√σy=9ccosϕ9+3sin2ϕ√(4)α=sinϕ9+3sin2ϕσy=9ccosϕ9+3sin2ϕ(4)1.3结构稳定性有限元分析有限元法分析岩土结构稳定性的一个关键问题是如何根据有限元计算结果来判别结构是否达到极限破坏状态,目前在失稳判据方面还存在着一些争议,主要有以下几种评判指标:1)限定收敛迭代最大次数,以节点不平衡力与外荷载比值大于某一数值导致数值计算不收敛作为判据;2)基于有限元分析结果,绘制结构广义剪应变分布,以某一幅值的广义剪应变区域贯通作为判据;3)以塑性应变为指标,用塑性区范围及连通状态评价结构稳定性。目前的岩土结构有限元计算多用数值计算不收敛或以塑性区的范围及连通状态作为判据。这两种方法分别有其优缺点,对于数值计算不收敛来说,影响因素比较多,不能够保证计算的不收敛是由结构变形发生突变引起的,因此,如以这种方法作为判据有时会出现不正确的计算结果;而以塑性区范围作为判据时,究竟出现多大的塑性应变才能认为结构破坏,也没有一个定量的标准。本文将两种方法综合起来判定溶洞结构的稳定性,首先设定收敛准则,当数值计算不收敛时,观察溶洞的塑性应变,如果此时溶洞周边发生了大范围的塑性变形且塑性区基本贯通,可认为此时结构已发生破坏,结构的变形发生突变;如果计算不收敛时,塑性变形还很小,那么认为计算不收敛不是由结构破坏引起的,检查模型调整参数后,继续进行计算。2填土作用下的岩溶稳定性分析云南某机场处于岩溶区,在填方区地基下部存在一圆形溶洞,溶洞顶板为微风化灰岩,分析其在填土荷载作用下的稳定性。具体参数见表2,3。在有限元计算中,按照平面应变问题建立模型,土体选用理想弹塑性材料,应用Drucker-Prager准则。边坡的左右两侧为水平约束,底面固定约束。模型共有2316个单元,1226个节点,设定两个工况:第1个工况不考虑填土作用,将填土单元设定为死单元,计算出在未进行填土作用时初始地应力;第2个工况激活填土单元,分析在填土重力作用下溶洞的受力和变形情况,以判定溶洞的稳定性。土层分布及有限元网格划分如图1所示。图2是工况1即未进行填土作用时溶洞周边的竖向应力分布,可以看出此时应力不大,计算出溶洞周边岩体仍处于弹性阶段,并未发生塑性变形。工况1分析完成后在原地基上部加载填土,经过工况2分析计算,得出溶洞周边的竖向应力分布如图3所示,此时溶洞周边岩体已经产生了塑性变形,但是从图4可以看到,塑性变形的范围以及量值都非常小,此时的溶洞仍然是稳定的。对岩体进行强度折减,当折减系数为1.79时,计算不再收敛,减小折减系数为1.78,计算收敛,此时的塑性区分布如图5所示。从图5中可以看到,此时溶洞周边大范围岩体已经发生变形,可以认为溶洞发生破坏,由此得到在高填土作用下溶洞的抗剪安全系数为1.78。3有限元法特点