岩土视角下地基稳定性的分区与分步耦合分析及有限元二次开发

1.1 研究背景及意义 

  土压力、边坡稳定性、地基承载力是经典土力学的三大问题[1]  。地基承载力是指地基承受荷载的能力，通常把地基土单位面积上所能承受的最大荷载称为地基极限承载力。建筑物地基必须同时满足变形要求和稳定要求。变形要求是指地基变形量不超过容许沉降量或沉降差，以满足建筑物的正常使用功能。稳定要求即强度条件，要求上部建筑物荷载传递至基础底面的压力不得大于地基极限承载力，以确保地基不丧失稳定性。 地基渐进失稳破坏过程与边坡类似，基础底面以下的土体在上部建筑物荷载作用下，一定深度范围内地基土附加应力与变形不断增大，当地基内潜在滑动面的抗剪强度不足以抵抗滑动力时，土体发生剪切破坏，即地基失稳。因此，地基极限承载力分析也是一种稳定性分析问题[2]。因地基稳定性不足引起的事故与威胁不算少数，例如加拿大特朗斯康谷仓地基事故、意大利比萨斜塔、我国苏州虎丘塔等，都是因为地基的不均匀沉降或地基承载力不足所致的典型实例。可见地基失稳破坏引起的危害，严重威胁着人民的生命及财产安全。迫于当前对地基失稳过程发展机理的理解限度，工程师通常根据安全系数或分项系数来确定地基容许承载力，这仍然缺乏更有力的科学依据。随着工程经济性的倡导，未来会将设计极限推得更远，更多失效或灾害可能会发生。因此，揭示地基稳定性分析过程的变化机理，合理确定地基极限承载力，为工程设计提供更有借鉴意义的数据与方法，是基础决定上层建筑物的有效保障。 地基稳定性问题涉及建筑工程、矿山工程、水利水电工程等诸多工程领域，鉴于其重要性，国内外学者对地基稳定性进行了大量的研究，研究方法以极限平衡法、滑移线法、极限分析法、数值分析方法为主。然而，地基土是由跨越多个数量级尺度的矿物颗粒与水、空气聚集在一起的非连续颗粒介质[3-5]，其变形、强度及稳定性问题依赖于颗粒尺寸及尺度分布范围，即颗粒尺度效应[6]。传统力学通常忽略颗粒介质特性，把地基土视为连续介质，从单一宏观尺度的物理机理进行地基的稳定性分析，以经典浅基础极限承载力公式理论和有限元法为典型代表。基于连续介质力学理论的有限元法可以考虑岩土体本构关系和复杂地质条件，但存在本构模型的唯象特性和网格依赖性问题[7]，并且忽略了地基失稳过程的非连续变化特征。颗粒流分析方法从细观尺度出发，考虑了颗粒材料的接触与分离，模拟颗粒材料的非连续变化特征，以离散元法为典型代表。离散元法在揭示细观破坏机理、模拟非连续变形现象、探究岩土体的软化或硬化行为等具有较大优势，但由于离散元颗粒数量过多、计算时步过短导致总体计算时间过长、计算效率过低等缺点，不适于工程实际应用。从宏观尺度和细观尺度出发，不同方法各具优势与特色，讨论不同方法的劣势，并非为了与地基稳定性分析对立起来，而是为了综合不同方法的优势与适用范围，并且统一归纳。从实际情况看，地基稳定性分析是一个多尺度渐进破坏发展过程，土体变形经历弹性变形、塑性变形、变形局部化、剪切带形成、地基失稳破坏等多个阶段，各个阶段的变形特性、强度特性取决于几何上不同尺度的物理机制。因此，仅用单一尺度的物理力学机理来描述地基失稳破坏全过程，显然是不合适的。采用传统理想弹塑性本构关系可以描述岩土的弹性和部分塑性行为，但不适于描述剪切带形成、大变形、地基失稳破坏过程的多尺度力学特征；颗粒流分析方法能进一步揭露颗粒尺度的物理机制，有效模拟剪切带形成、地基失稳破坏过程的非连续变化特征。分区耦合分析法和分步耦合分析法综合了不同尺度方法的优势，将不同尺度所适用的分析方法应用于一个分析系统，实现不同尺度方法的耦合，是岩土工程领域中研究多尺度渐进破坏行为的有效方法。