SLIDE在深基坑支护可靠性分析中的应用

1、ISSN1005-2763矿业研究与开发第28卷第2期2008年4月SLIDE在深基坑支护可靠性分析中的应用熊赞民,高全臣,王春来2*(1.中国矿业大学力学与建筑学院, 北京 100083;2.北京科技大学, 北京 100083)摘 要:基于可靠性分析理论,利用SLIDE软件,对某深基坑复合土钉支护进行了数值模拟,计算了安全系数和可靠性指标。结果表明:SLIDE是基坑可靠性分析的一种有效工具,可在考虑土层参数不确定性的条件下,得出基坑支护的可靠性指标。关键词:深基坑;安全系数;可靠性分析;数值模拟;SLIDE中图分类号:TU753.8 文献标识码:A文章编号: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以概率来描述基坑支护的安全度,可靠概率Ps与失效概率Pf的关系如下:Ps+Pf=1(1)-2由于pf计算上较繁,一般用可靠指标 来度量, 值可由规范查得。对于基坑工程,大多将10-31310作为Pf的参考值。按照Pf与 的对应关系,其安全等级对应于结构设计中的三级, =2.7

5、。研究资料表明,土体的C、 值均近似正态分布,特别是 值,其正态分布规律十分明显,且对土体安全影响更明显,进行概率分析计算时,假定参数服从正态分布4。对正态随机变量来说,它的值落在区间 -3!, +3!内的概率为99.74%,几乎是肯定的事。在SLIDE软件中,参数变化区间是按数学期望值加减3倍标准差获得的。1.2 SLIDE的模拟原理85,6SLIDE分析时参数取样采用Monte-Carlo法,取样数量1000个,进行全局最小安全系数寻优。其破坏概率PF的计算式为:numfailed100%PF=numsumples(2)式中:numfailed为安全系数小于1的滑裂面数量;numsumpl

6、es为边坡滑裂面搜索的总数量。概率计算结束后,进行可靠性计算,并假设破坏概率按正态分布,计算式如下:=FS-1FS(3)基坑支护设计中,传统的方法均是以安全系数衡量支护效果,这是确定性分析的方法,由于土体参数具有空间变异性,计算出的安全系数不能反映基坑支护的失稳概率。鉴此,本文以可靠性原理为基础,用加拿大Rocscience公司开发的边坡稳定性计算软件SLIDE对某深基坑进行了数值模拟。式中: 可靠性指标;FS 中值安全系数;!FS 安全系数标准差。2 工程实例计算分析2.1 工程实例概述某工程基坑埋深约13.25m,周边无建筑物,地1 可靠性分析的原理1.1 可靠度简述*收稿日期:2007-

7、05-15:),xi163.40矿业研究与开发 2008,28(2)表2 不同材料标准差分布土层粘质粉土、粉质粘土填土c(kPa)1022242300粘质粉土、粉质粘土填土粘质粉土、砂质粉土粘质粉土、砂质粉土粉质粘土粉质粘土细砂、中砂细砂、中砂卵石卵石参数概率特征标准标准相关极相关极值差小值大值333333399999999999999999999下水位标高为-15m,施工环境比较简单。场地地质条件和计算参数见表1。表1 基坑各土层性质参数土层粘质粉土、粉质粘土填土粘质粉土、砂质粉土粘质粉土、砂质粉土粉质粘土细砂、中砂卵石层底标层厚重度3高(m)(m)(kN/m)(!)-1.5-5.9-10.

8、9-11.6-15.3-22.3153031323542正态分布15c正态分布19正态分布30正态分布32c正态分布19正态分布35正态分布42cc正态分布19.33基坑边坡设计方案采用预应力复合土钉支护体系坡高H为13.25m,坡角为81.50!,坡度10.15,土钉9排,土钉竖向间距1.4m,水平间距1.5m,土钉钢筋 20mm,钻孔直径100mm,19排土钉长度分别为9,14,11,12,11,10,9,8,7m,其中,第2排和第4排为预应力土钉。整个坡面铺设间距为200mm 200mm的 6.5钢筋网并喷射80mm厚的混凝土,喷射混凝土标号C20。复合土钉支护设计时,对于预应力土钉仍按

9、土钉计算,把施加的预应力作为安全储备,其计算模型从略,详见文献7。用SLIDE软件模拟计算的结果表明,无支护时滑弧较小,安全系数为0.742,小于规程要求的1.2,所以基坑边坡会沿着计算图中的滑动面滑动。基底与滑弧上口连接线相当于边坡按10.8放坡,也就是说,边坡按10.8开挖是安全的,可不加支护。土层参数按勘察报告提供的数据,标准离差分别为内摩擦角=2.05.0,密度r=3.0。粉质粘土填土参数的变化范围为:内摩擦角=(标准值-6.0标准值+6.0);密度r=(标准值-9标准值+9)。细砂、中砂和卵石层参数的变化范围为:内摩擦角=(标准值-15.0标准值+15.0);密度r= 根据计算,安全

10、系数FS=1.619,均值安全系数FSm=1.642,两者相近,当所取的土样数足够多时,二者非常接近。本支护设计用通用的基坑支护软件计算,其安全系数为1.41,两者的误差约为10%。安全系数在1.65附近处于最高值,安全系数呈正态分布,可靠性分布属合理曲线。各安全系数按正态分布时,RI( )=3.761,按对数正态分布时,RI( )=4.674。均大于3.0。此外,计算结果还表明,各土层中砂质粘土填土的内摩擦角对安全系数的关系影响最大。因此,基坑施工过程中,本层土中的土钉应重点进行设计指标校核。3 结 论(1)根据相关规范和边坡资料分析,提出可靠指标的取值 =2.7。按此指标,应用SLIDE软

11、件对某基坑土钉支护进行了数值模拟。结果表明,本基坑的稳定性安全系数为1.619,可靠性指标满足安全要求,基坑是稳定的。(2)通过土层参数与安全系数的相关性分析,砂层的内摩擦角对安全系数的影响最大。施工时,需对本层土的性质及土钉的参数进行相关的测试,从而对设计参数进行动态调整。(3)可靠性计算结果表明,基坑安全系数呈正态分布,安全系数标准值取1.2时,基坑边坡破坏概率为0.2%。参考文献:.熊赞民,等: SLIDE在深基坑支护可靠性分析中的应用2高大钊.土力学可靠性原理M.北京:中国建筑工业出版杜,1989.3周 东,吴 恒,等.深基坑支护稳定性概率分析J.岩土工程学报,2000,22(5):6

12、30632.4SchweigerHF,PeschlGM.ReliabilityanalysisingeotechnicswiththerandomsetfiniteelementmethodJ.ComputersandGeotechnics,2005,32,422435.76541黄克中,毛善培.随机方法与模糊数学应用M.上海:同济大学出版社,1987.施久玉.概率论与数理统计M.哈尔滨:哈尔滨工程大学应用数学系编,2003.熊赞民,隆 威.深基坑预应力复合土钉支护稳定性的可靠性研究J.矿业研究与开发,2002,22(4).(上接第25页)处理,以增强其整体性,亦可防止岩土体进一步风化。5 治

13、理措施5.1 北帮西区边坡加固方案根据计算结果,本边坡拟采用的加固措施布置在-82-142m高程处,沿边坡走向方向的加固范围初步考虑F12以东至F20,F12以西至F7,约150m。设计采用钢轨桩与锚索联合加固的方案,锚索与钢轨桩布置的原则是应穿过最危险的滑面。(1)抗滑桩加固方案。在北帮西部-142m平台布置两排钢轨桩,桩距可设为4.0m,每根钢轨桩可提供的抗力为658.56kN。(2)锚索加固方案。在北帮西部-80m至-142m高程间布置2排锚索,间距4.5m。锚索应穿过F12断层,其长度应大于25.0m。每根锚索可提供锚固力1200kN。锚索垂直于坡面走向向下倾斜布置,倾角为15!。5.

14、2 北帮东区边坡加固方案采用预应力锚索与钢轨桩相结合的加固方案,加固范围为沿边坡走向150m范围内。在北帮东部-130m高程以上-82m高程以下布置4排预应力锚索,间距4.5m,上下交错布置。其中,-106m高程以上锚索长度为20m,-106m高程以下锚索长度为25m。拟采用的锚索为8根 5mm钢绞线组成,钢绞线的强度为1860MPa,每根钢绞线的张拉力为150kN,每根锚索所提供的张拉力为1200kN。锚索垂直于坡面走向向下倾斜布置,倾角为15!。在-130m高程上布置一排钢轨桩,桩距3m,采用50kg/m的旧重轨。钢轨桩孔深24.7m,钢轨桩长25m。5.3 加强地表水排水措施采取边坡明沟

15、排水措施,以确保边坡的稳定性。针对局部破碎区采用金属网加锚喷结合的方式进行6 综合分析根据收集到的两个观测点处水平裂缝的发展趋势,可以初步认为开裂位移已基本稳定,不再继续发展,而且灰场运行不象采矿一样会有爆破等强烈的震动作业。利用开挖形成的矿坑作为电厂的贮灰场,随着火力发电所产生的灰渣逐渐对矿坑进行回填,北帮边坡的变形将会得到有效控制。从这个意义上说,目前的北帮边坡可以认为是一个#临时性的边坡。因此根据北帮边坡的具体特点及灰场运行情况,加固治理应以保证运行人员、车辆安全,并尽量使场内的运输道路不因边坡的破坏而中断为目的。另一方面,由于该矿坑停止开采才1a时间,岩体内的卸荷裂隙也有可能得到进一步发展,使岩土体的抗剪强度参数进一步降低。而且地震和特殊的天气条件,常常是地质灾害发生的诱因,因此对其治理不能掉以轻心。根据设计考虑的灰场运行规划,由于矿坑的运输道路主要在矿坑西部,因此灰场规划先利用矿坑西部区域,矿坑东部的边坡稳