边坡开挖对坡脚建筑影响分析.PDF

第30卷 第3期 2004年9月 四川建筑科学研究 Sichuan Building Science 收稿日期2004203208 作者简介杨佑发1968 , 男,湖南醴陵人,博士,副教授,主要从事 工程结构的动、 静力分析方面的研究。 基金项目重庆市科委资助7549 ;高等学校重点实验室访问学者基 金资助 边坡开挖对坡脚建筑影响分析 杨佑发1 ,2,王一功1 1. 重庆大学土木工程学院,重庆 400044 ; 2.重庆大学西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验室,重庆 400044 摘 要边坡开挖作为一个卸载过程,不可避免的会引起坡脚场地的回弹变形。本文使用平面弹塑性有限元 方法分析了这一问题,总结了坡脚回弹变形形态及影响因素,并初步探讨了其对坡脚建筑物的可能影响。 关键词边坡;开挖;回弹;有限元 中图分类号TU472 文献标识码A 文章编号1008 - 1933200403 - 0075 - 03 1 前言 随着经济的发展,城市规模不断扩大,大量建筑用地由 “高挖低填” 的方法产生。这造成城市内出现了大量的建筑 边坡,而边坡施工对已建建筑的影响也引起各方的关注。在 新颁布的 建筑边坡工程技术规范 中特别加入了关于坡顶 有重要建构筑物的边坡工程设计的相关内容。边坡开挖, 是一个卸载过程,不可避免的会在坡脚处产生回弹变形。而 这一变形过程,又必然会对坡脚建筑物产生影响。但关于边 坡开挖对坡脚建筑物影响的研究还不是很多。 边坡开挖回弹与基坑开挖回弹有着共同之处,但也有3 个方面的差异。首先,基坑开挖从截面上来看一般是对一个 矩形或梯形区域的开挖,而边坡开挖则是对一个三角形区域 的开挖。这造成边坡开挖的卸荷程度也是三角形分布的。 第二,研究基坑开挖回弹关心的是其对支护结构的影响,而 对边坡开挖回弹问题的研究更关心其对原坡脚已有建筑物 的影响。因此,引出第三点不同,就是基坑开挖研究的是开 挖区域内的回弹,而边坡开挖回弹问题的研究更关注其引起 的开挖区域外的场地变形情况。 本文利用平面弹塑性有限元方法,对边坡开挖回弹及其 对坡脚建筑物的影响进行了初步的分析。 2 计算模型 本文研究模型为一简单均质边坡,分4级开挖,所取模 型如图1所示。分析采用平面应变有限元方法,边坡及下部 土层使用摩尔-库仑破坏准则。底部边界条件采用全约束, 两侧边界条件只约束水平方向位移。下文中有关参数如无 特别说明,均取表1中所列数值。 图1 计算模型 表1 计算参数 密度ρ 弹性摸量E泊松比ν内摩擦角φ 2000kg/ m37106Pa0. 320 内聚力c原边坡倾角θ1开挖后边坡倾角θ2边坡高度H 60103Pa204515m 3 开挖回弹变形形态分析 通过100多个算例计算获知,边坡开挖所产生的坡脚变 形,虽在各种因素影响下变形程度变化较大,但基本的变形 形态皆如图2所示。 图 2 水平方向变形与竖直方向变形相比基本相差一个数量 级,但水平变形的影响范围远大于竖直方向变形。如以 1mm为判别容差,水平变形的影响范围基本在竖直方向变 形影响范围的3～4倍左右。 水平变形和竖直变形的最大值均出现在距开挖后坡脚 一定距离处,然后迅速下降。 在开挖区以外,水平变形可分为两段,在接近边坡处为 逆向边坡水平变形段,随距边坡距离的增加,逆向边坡水平 变形逐步减小,在距边坡一定距离处,形成朝向边坡方向水 平变形段。开挖区外,以开挖引起的回弹变形为主,竖向回 弹变形随距边坡距离的增加逐步减少。在一定距离处,会由 开挖引起微量的地基下陷。 4 开挖回弹有关影响因素分析 由表2可以看出,竖向变形随边坡高度的增加而增加, 57 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 但所受影响不大。在边坡高度较低时,水平向变形最大值发 生在逆边坡方向水平变形段。随边坡高度增加,逆边坡方向 水平变形减小,朝向边坡方向水平变形增加。在边坡高度较 高时,水平向变形最大值发生在朝向边坡方向水平变形段。 由表3、 表4可以看出,变形基本不受内摩擦角和内聚 力的影响。 表 2 边坡高度H/ m151821242730 开挖区外最大竖直变形/ m 0. 0616 0. 0620 0. 0626 0. 06330. 06410. 0651 开挖区外最大水平变形/ m- 0. 0066- 0. 0057- 0. 0048- 0. 00390. 00360. 0051 表 3 内聚力c/ kPa807060504543 开挖区外最大竖直变形/ m 0. 0615 0. 0616 0. 0616 0. 0616 0. 0616 0. 0617 开挖区外最大水平变形/ m- 0. 0066- 0. 0066- 0. 0066- 0. 0066- 0. 0067- 0. 0068 表 4 内摩擦角φ 403530252017 开挖区外最大竖直变形/ m 0. 00615 0. 00615 0. 00615 0. 00615 0. 0616 0. 0617 开挖区外最大水平变形/ m- 0. 0066- 0. 0066- 0. 0066- 0. 0066- 0. 0066- 0. 0070 这是由于开挖回弹变形一般由两部分组成一部分是由 于开挖后的卸载引起的弹性回弹;一部分是在周围土体在自 重作用下引起的塑性隆起。其中,对于大面积无穷均匀卸荷 的情况,卸荷面上只产生第一类卸荷弹性回弹没有第二类边 荷载引起的塑性隆起。对于不受周边土体影响的部位即在 边壁滑动面影响区之外 , 也只产生第一类卸荷回弹量。本 文主要研究的是开挖区以外的地面变形情况,距边壁较远, 以第一类卸载弹性回弹为主,第二类边荷载引起的塑性隆起 所占比重较小。因此,变形对参数H,φ,c不敏感。 由表5、 表6可以看出,弹性模量与密度对坡脚开挖回弹 变形影响明显,基本呈线性关系。这更充分说明了,开挖引 起的坡脚变形以卸载弹性回弹为主。在以后的相关分析中, 可以使用弹性方法对此类问题进行研究。 表 5 弹性模量E/ MPa987654 开挖区外最大竖直变形/ m 0. 0479 0. 0539 0. 0616 0. 0718 0. 0862 0. 1077 开挖区外最大水平变形/ m- 0. 0051- 0. 0058- 0. 0066- 0. 0077- 0. 0092- 0. 0115 表 6 密度D/ kg/ m3240022002000180016001400 开挖区外最大竖直变形/ m 0. 0739 0. 0677 0. 0616 0. 0554 0. 0492 0. 0431 开挖区外最大水平变形/ m- 0. 0079- 0. 0073- 0. 0066- 0. 0059- 0. 0053- 0. 0046 分析表7、 表8、 表9可知,回弹变形与开挖量密切相关。 随原边坡倾角增加,其它参数不变时,开挖量增加,因此,回 弹变形增加。而随开挖后边坡倾角的增加,开挖量减少,回 弹变形值减少。开挖场地宽度增加有两方面的影响一方面 是开挖区的最大变形值随开挖区增大、 开挖量增加而增加, 这会引起非开挖区的变形值增加;另一方面是随开挖区宽度 的增加,开挖区最大变形值距原坡脚的距离增加,这会引起 非开挖区变形值减少。将开挖区最大竖向、 水平变形值和开 挖区最大变形点距原坡脚距离除以开挖区宽度为2m时的最 大竖向、 水平变形值和开挖区最大变形点距原坡脚距离得图 3。从图3可以看出,开挖区变形随开挖宽度的增加速度远 快于开挖区最大变形点距原坡脚距离增加的速度。因此,表 7中数据反应出开挖区外变形对开挖区宽度变化的影响非常 敏感。 表 7 开挖场地宽度B/ m201816141210 开挖区外最大竖直变形/ m 0. 1326 0. 1204 0. 1070 0. 0925 0. 0773 0. 0616 开挖区外最大水平变形/ m- 0. 0138- 0. 0129- 0. 0116- 0. 0101- 0. 0084- 0. 0066 表 8 原始边坡倾角θ1 30252015 开挖区外最大竖直变形/ m0. 1397 0. 0914 0. 0616 0. 0402 开挖区外最大水平变形/ m0. 0079- 0. 0055- 0. 0066- 0. 0071 67 四川建筑科学研究第30卷 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 表 9 开挖后边坡倾角θ2 907560453525 开挖区外最大竖直变形/ m 0. 0473 0. 0502 0. 0543 0. 0616 0. 0718 0. 0963 开挖区外最大水平变形/ m- 0. 0027- 0. 0036- 0. 0048- 0. 0066- 0. 0084- 0. 0094 图 3 5 边坡开挖回弹对建筑物影响分析 本文在距离原边坡坡脚5 m处建立一5层5跨二维弹 性梁单元框架模型,以初步分析边坡开挖对建筑物的影响。 框架层高取3 m ,跨度6 m。弹性模量取3105104MPa ,泊 松比取012。柱截面取0145 m0145 m ,梁截面取013 m 016 m。边坡有关参数按照表1取值。 框架最大沉降差达01015 m ,已经超过 建筑地基基础设 计规范 有关规定。 由地基变形引起的附加弯矩梁端最大达228 kNm ,柱 端最大附加弯矩达235 kNm;引起的柱子最大附加压力达 259 kN ,最大附加拉力达207 kN ,梁最大附加压力达193 kN ,引起的梁附加拉力较小,可以忽略不计。引起的柱端最 大剪力为80 kN ,梁端最大剪力为136 kN。 由图4可以看出,靠近边坡一侧边跨受开挖影响最大, 中间各跨所受影响较小,而另外一侧边跨虽然柱间沉降差最 图4 框架附加弯矩 小,但产生附加内力仅次于靠近边坡一侧边跨。 综合分析,受影响最大的部位,是边柱及与其相连的梁 端。这个部位所承受的附加内力最大,而且将和上部荷载所 产生的内力迭加,有可能对构件造成损害。 6 结论 综上所述,土质边坡开挖,在特定情况下,将引起坡脚场 地的较显著变形,并可能对建筑物造成损害。这一变形可以 使用弹性方法分析,并与开挖量大小有密切关系。在以后的 边坡开挖设计中,如果土质较软,则在分析开挖可能对坡顶 建筑物所造成影响的同时,也要考虑是否会对坡脚建筑物造 成不利影响。 参 考 文 献 [1] 俞建霖,龚晓南.基坑工程变形性状研究[J ].土木工程学报, 2002 ,354 . [2] 潘林有.对 “深基坑卸荷回弹问题的研究” 讨论的答复[J ].岩土 工程学报,2002 ,24 5 . [3] 赵尚毅,郑颖人,时卫民,王敬林.用有限元强度折减法求边坡 稳定安全系数[J ].岩土工程学报,2002 ,243 . The influence of excavating slope to building at the bottom of the slope YANG You2fa1 ,2,WANG Yi2gong1 1. Faculty of Civil Engineering , Chongqing University ,Chongqing 400044 ,China ; 2. Key Lab for the Exploitation on Southwestern Resources excavate ;heave ;FEM 77 2004 No. 3杨佑发,等边坡开挖对坡脚建筑影响分析 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.