SLIDE在深基坑支護可靠性分析中的應用

1、ISSN1005-2763礦業(yè)研究與開發(fā)第28卷第2期2008年4月SLIDE在深基坑支護可靠性分析中的應用熊贊民,高全臣,王春來2*(1.中國礦業(yè)大學力學與建筑學院, 北京 100083;2.北京科技大學, 北京 100083)摘 要:基于可靠性分析理論,利用SLIDE軟件,對某深基坑復合土釘支護進行了數(shù)值模擬,計算了安全系數(shù)和可靠性指標。結(jié)果表明:SLIDE是基坑可靠性分析的一種有效工具,可在考慮土層參數(shù)不確定性的條件下,得出基坑支護的可靠性指標。關鍵詞:深基坑;安全系數(shù);可靠性分析;數(shù)值模擬;SLIDE中圖分類號:TU753.8 文獻標識碼:A文章編號:1005-2763(2008)02

2、-0039-03ApplicationofSLIDEintheReliabilityAnalysisonSupportofDeepFoundationPitXiongZanmin1,GaoQuanchen1,WangChunlai2(1.SchoolofMechanicsandCivilEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Beijing100083,China;2.UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China)Abstract:Basedonthetheory

3、ofreliability,thenumericalsimu lationwasmadeonthecompositesoilnailingstructureofacer tainadeepfoundationpitbyusingSLIDEsoftware,thesafetyfactorandreliabilityindexwerecalculated.TheresultshowsthatSLIDEisanavailabletoolforthereliabilityanalysisoffounda tionpit,itcaneducethereliabilityindexofsupportstr

4、uctureoffoundationpitwhenthevariabilityofthesoilparametersistakenintoaccount.KeyWords:Deepfoundationpit,Safetyfactor,Reliabilityana lyze,Numericalsimulation,SLIDE以概率來描述基坑支護的安全度,可靠概率Ps與失效概率Pf的關系如下:Ps+Pf=1(1)-2由于pf計算上較繁,一般用可靠指標 來度量, 值可由規(guī)范查得。對于基坑工程,大多將10-31310作為Pf的參考值。按照Pf與 的對應關系,其安全等級對應于結(jié)構(gòu)設計中的三級, =2.7

5、。研究資料表明,土體的C、 值均近似正態(tài)分布,特別是 值,其正態(tài)分布規(guī)律十分明顯,且對土體安全影響更明顯,進行概率分析計算時,假定參數(shù)服從正態(tài)分布4。對正態(tài)隨機變量來說,它的值落在區(qū)間 -3!, +3!內(nèi)的概率為99.74%,幾乎是肯定的事。在SLIDE軟件中,參數(shù)變化區(qū)間是按數(shù)學期望值加減3倍標準差獲得的。1.2 SLIDE的模擬原理85,6SLIDE分析時參數(shù)取樣采用Monte-Carlo法,取樣數(shù)量1000個,進行全局最小安全系數(shù)尋優(yōu)。其破壞概率PF的計算式為:numfailed100%PF=numsumples(2)式中:numfailed為安全系數(shù)小于1的滑裂面數(shù)量;numsumpl

6、es為邊坡滑裂面搜索的總數(shù)量。概率計算結(jié)束后,進行可靠性計算,并假設破壞概率按正態(tài)分布,計算式如下:=FS-1FS(3)基坑支護設計中,傳統(tǒng)的方法均是以安全系數(shù)衡量支護效果,這是確定性分析的方法,由于土體參數(shù)具有空間變異性,計算出的安全系數(shù)不能反映基坑支護的失穩(wěn)概率。鑒此,本文以可靠性原理為基礎,用加拿大Rocscience公司開發(fā)的邊坡穩(wěn)定性計算軟件SLIDE對某深基坑進行了數(shù)值模擬。式中: 可靠性指標;FS 中值安全系數(shù);!FS 安全系數(shù)標準差。2 工程實例計算分析2.1 工程實例概述某工程基坑埋深約13.25m,周邊無建筑物,地1 可靠性分析的原理1.1 可靠度簡述*收稿日期:2007-

7、05-15:),xi163.40礦業(yè)研究與開發(fā) 2008,28(2)表2 不同材料標準差分布土層粘質(zhì)粉土、粉質(zhì)粘土填土c(kPa)1022242300粘質(zhì)粉土、粉質(zhì)粘土填土粘質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土粘質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土粉質(zhì)粘土粉質(zhì)粘土細砂、中砂細砂、中砂卵石卵石參數(shù)概率特征標準標準相關極相關極值差小值大值333333399999999999999999999下水位標高為-15m,施工環(huán)境比較簡單。場地地質(zhì)條件和計算參數(shù)見表1。表1 基坑各土層性質(zhì)參數(shù)土層粘質(zhì)粉土、粉質(zhì)粘土填土粘質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土粘質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土粉質(zhì)粘土細砂、中砂卵石層底標層厚重度3高(m)(m)(kN/m)(!)-1.5-5.9-10.

8、9-11.6-15.3-22.3153031323542正態(tài)分布15c正態(tài)分布19正態(tài)分布30正態(tài)分布32c正態(tài)分布19正態(tài)分布35正態(tài)分布42cc正態(tài)分布19.33基坑邊坡設計方案采用預應力復合土釘支護體系坡高H為13.25m,坡角為81.50!,坡度10.15,土釘9排,土釘豎向間距1.4m,水平間距1.5m,土釘鋼筋 20mm,鉆孔直徑100mm,19排土釘長度分別為9,14,11,12,11,10,9,8,7m,其中,第2排和第4排為預應力土釘。整個坡面鋪設間距為200mm 200mm的 6.5鋼筋網(wǎng)并噴射80mm厚的混凝土,噴射混凝土標號C20。復合土釘支護設計時,對于預應力土釘仍按

9、土釘計算,把施加的預應力作為安全儲備,其計算模型從略,詳見文獻7。用SLIDE軟件模擬計算的結(jié)果表明,無支護時滑弧較小,安全系數(shù)為0.742,小于規(guī)程要求的1.2,所以基坑邊坡會沿著計算圖中的滑動面滑動。基底與滑弧上口連接線相當于邊坡按10.8放坡,也就是說,邊坡按10.8開挖是安全的,可不加支護。土層參數(shù)按勘察報告提供的數(shù)據(jù),標準離差分別為內(nèi)摩擦角=2.05.0,密度r=3.0。粉質(zhì)粘土填土參數(shù)的變化范圍為:內(nèi)摩擦角=(標準值-6.0標準值+6.0);密度r=(標準值-9標準值+9)。細砂、中砂和卵石層參數(shù)的變化范圍為:內(nèi)摩擦角=(標準值-15.0標準值+15.0);密度r= 根據(jù)計算,安全

10、系數(shù)FS=1.619,均值安全系數(shù)FSm=1.642,兩者相近,當所取的土樣數(shù)足夠多時,二者非常接近。本支護設計用通用的基坑支護軟件計算,其安全系數(shù)為1.41,兩者的誤差約為10%。安全系數(shù)在1.65附近處于最高值,安全系數(shù)呈正態(tài)分布,可靠性分布屬合理曲線。各安全系數(shù)按正態(tài)分布時,RI( )=3.761,按對數(shù)正態(tài)分布時,RI( )=4.674。均大于3.0。此外,計算結(jié)果還表明,各土層中砂質(zhì)粘土填土的內(nèi)摩擦角對安全系數(shù)的關系影響最大。因此,基坑施工過程中,本層土中的土釘應重點進行設計指標校核。3 結(jié) 論(1)根據(jù)相關規(guī)范和邊坡資料分析,提出可靠指標的取值 =2.7。按此指標,應用SLIDE軟

11、件對某基坑土釘支護進行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明,本基坑的穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.619,可靠性指標滿足安全要求,基坑是穩(wěn)定的。(2)通過土層參數(shù)與安全系數(shù)的相關性分析,砂層的內(nèi)摩擦角對安全系數(shù)的影響最大。施工時,需對本層土的性質(zhì)及土釘?shù)膮?shù)進行相關的測試,從而對設計參數(shù)進行動態(tài)調(diào)整。(3)可靠性計算結(jié)果表明,基坑安全系數(shù)呈正態(tài)分布,安全系數(shù)標準值取1.2時,基坑邊坡破壞概率為0.2%。參考文獻:.熊贊民,等: SLIDE在深基坑支護可靠性分析中的應用2高大釗.土力學可靠性原理M.北京:中國建筑工業(yè)出版杜,1989.3周 東,吳 恒,等.深基坑支護穩(wěn)定性概率分析J.巖土工程學報,2000,22(5):6

12、30632.4SchweigerHF,PeschlGM.ReliabilityanalysisingeotechnicswiththerandomsetfiniteelementmethodJ.ComputersandGeotechnics,2005,32,422435.76541黃克中,毛善培.隨機方法與模糊數(shù)學應用M.上海:同濟大學出版社,1987.施久玉.概率論與數(shù)理統(tǒng)計M.哈爾濱:哈爾濱工程大學應用數(shù)學系編,2003.熊贊民,隆 威.深基坑預應力復合土釘支護穩(wěn)定性的可靠性研究J.礦業(yè)研究與開發(fā),2002,22(4).(上接第25頁)處理,以增強其整體性,亦可防止巖土體進一步風化。5 治

13、理措施5.1 北幫西區(qū)邊坡加固方案根據(jù)計算結(jié)果,本邊坡擬采用的加固措施布置在-82-142m高程處,沿邊坡走向方向的加固范圍初步考慮F12以東至F20,F12以西至F7,約150m。設計采用鋼軌樁與錨索聯(lián)合加固的方案,錨索與鋼軌樁布置的原則是應穿過最危險的滑面。(1)抗滑樁加固方案。在北幫西部-142m平臺布置兩排鋼軌樁,樁距可設為4.0m,每根鋼軌樁可提供的抗力為658.56kN。(2)錨索加固方案。在北幫西部-80m至-142m高程間布置2排錨索,間距4.5m。錨索應穿過F12斷層,其長度應大于25.0m。每根錨索可提供錨固力1200kN。錨索垂直于坡面走向向下傾斜布置,傾角為15!。5.

14、2 北幫東區(qū)邊坡加固方案采用預應力錨索與鋼軌樁相結(jié)合的加固方案,加固范圍為沿邊坡走向150m范圍內(nèi)。在北幫東部-130m高程以上-82m高程以下布置4排預應力錨索,間距4.5m,上下交錯布置。其中,-106m高程以上錨索長度為20m,-106m高程以下錨索長度為25m。擬采用的錨索為8根 5mm鋼絞線組成,鋼絞線的強度為1860MPa,每根鋼絞線的張拉力為150kN,每根錨索所提供的張拉力為1200kN。錨索垂直于坡面走向向下傾斜布置,傾角為15!。在-130m高程上布置一排鋼軌樁,樁距3m,采用50kg/m的舊重軌。鋼軌樁孔深24.7m,鋼軌樁長25m。5.3 加強地表水排水措施采取邊坡明溝

15、排水措施,以確保邊坡的穩(wěn)定性。針對局部破碎區(qū)采用金屬網(wǎng)加錨噴結(jié)合的方式進行6 綜合分析根據(jù)收集到的兩個觀測點處水平裂縫的發(fā)展趨勢,可以初步認為開裂位移已基本穩(wěn)定,不再繼續(xù)發(fā)展,而且灰場運行不象采礦一樣會有爆破等強烈的震動作業(yè)。利用開挖形成的礦坑作為電廠的貯灰場,隨著火力發(fā)電所產(chǎn)生的灰渣逐漸對礦坑進行回填,北幫邊坡的變形將會得到有效控制。從這個意義上說,目前的北幫邊坡可以認為是一個#臨時性的邊坡。因此根據(jù)北幫邊坡的具體特點及灰場運行情況,加固治理應以保證運行人員、車輛安全,并盡量使場內(nèi)的運輸?shù)缆凡灰蜻吰碌钠茐亩袛酁槟康?。另一方?由于該礦坑停止開采才1a時間,巖體內(nèi)的卸荷裂隙也有可能得到進一步發(fā)展,使巖土體的抗剪強度參數(shù)進一步降低。而且地震和特殊的天氣條件,常常是地質(zhì)災害發(fā)生的誘因,因此對其治理不能掉以輕心。根據(jù)設計考慮的灰場運行規(guī)劃,由于礦坑的運輸?shù)缆分饕诘V坑西部,因此灰場規(guī)劃先利用礦坑西部區(qū)域,礦坑東部的邊坡穩(wěn)