条形荷载下临坡地基破坏模式与承载能力及稳定性分析

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工程实践中,由于工程需要及地形条件的限制,不可避免地将建筑物及构筑物基础设置在基坑附近或边坡顶部,这类地基称为临坡地基。到目前为止,临坡地基承载问题还没有合理系统的解释,主要问题是当边坡坡顶承受工程荷载后,需要同时考虑地基承载和边坡稳定的相互影响,变得较为复杂。目前对于条形荷载下临坡地基承载力的研究主要是对不排水条件下饱和黏性土(φ=0°)或砂性土(c=0kPa)的地基进行研究,而对于工程实践中常见的c-φ型土体的研究较少。既有研究中多采用基于经典的水平地基的破坏机制来分析临坡地基的破坏机制承载能力,对于临坡地基同时涉及承载能力与边坡稳定的破坏机理认识尚不清楚,实际工程中也没有合理的综合考虑承载能力和稳定性对临坡地基进行安全性评估。论文在前人的基础上分析不同条件下临坡地基的破坏模式转换与极限承载力的变化规律,提出临坡地基破坏模式判定方法,从承载能力与边坡稳定两个方面对地基安全程度进行评估。主要内容和结论如下:1)采用有限元对临坡地基建模计算,分析了承载能力与边坡稳定性对临坡地基承载能力的综合影响,提出了基于不同破坏机制将临坡地基破坏模式划分为地基承载破坏、承载-稳定耦合破坏、边坡失稳破坏3大种,根据破坏面的分布形式和发展过程,细化为水平地基承载破坏、边坡地基承载破坏、坡面承载破坏、坡脚承载破坏、坡脚稳定破坏、边坡失稳破坏6小类的划分方式,建立了临坡地基破坏模式的判定依据。2)研究了临坡地基破坏模式与极限承载力之间的关系及其影响因素。临坡地基破坏模式为坡面承载破坏时,极限承载力随黏聚力c与容重γ及荷载宽度B的比值c/γB提高而线性增大,随坡度β变缓、荷载位置λ远离坡肩而增大,不受坡高H与荷载宽度B的比值H/B影响;破坏模式为承载-稳定耦合破坏时,极限承载力随c/γB提高而非线性增大,随坡度β变缓、H/B减小而增大,随荷载基础外侧边缘距坡肩的距离S与荷载宽度B的比值λ=D/B而先减小后增大。3)分析了临坡地基破坏模式之间的转化规律,提出了破坏模式的判定方法。存在临界距离λcr,当λ>λcr时,临坡地基不再受边坡影响,发生水平地基承载破坏;当H/B<1.5时,破坏面延伸至地基面以下,发生边坡地基承载破坏;当边坡稳定性较低时,土体自重对临坡地基极限承载力产生负面影响(Nγ<0),发生承载-稳定耦合破坏;边坡自身稳定性接近极限状态时,临坡地基破坏面位置不受极限荷载影响,发生边坡失稳破坏。4)针对水平地基和临坡地基,研究了承载安全系数K和稳定安全系数Fs之间的关系及其影响因素,分析了在承载能力特征值fa作用下地基稳定安全程度。按照《建筑地基设计规范》(GB50007-2011)对地基进行承载力设计时,水平地基稳定安全系数Fs>1.25,满足稳定性要求,临坡地基稳定安全系数Fs随坡高H增高、坡率β变陡、荷载位置λ变小而降低。存在安全距离λsa,当λ>λsa时,临坡地基在fa作用下稳定安全系数Fs>1.25或者不受边坡影响。
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