謝文東 葛燕鋒

(北方工業(yè)大學土木工程學院，北京 100144)

數(shù)值模擬在復(fù)合土釘支護工程中的應(yīng)用★

謝文東 葛燕鋒

(北方工業(yè)大學土木工程學院，北京 100144)

以北京某土釘與錨桿復(fù)合支護的基坑工程為例，采用FLAC3D軟件進行數(shù)值模擬，并以模擬結(jié)果來指導復(fù)合土釘支護的設(shè)計與施工，為以后數(shù)值模擬在實際工程中的應(yīng)用提供借鑒作用。

復(fù)合土釘支護，預(yù)應(yīng)力錨桿，F(xiàn)LAC3D，數(shù)值模擬

0 引言

復(fù)合土釘支護是我國20世紀90年代在土釘支護基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新的支護方法。復(fù)合土釘支護具有適應(yīng)性強、安全可靠、造價低、工期短等特點，使得其在深基坑工程中得到廣泛應(yīng)用。深基坑工程是一個高難度的巖土工程技術(shù)課題，其影響因素較多，具有復(fù)雜性和不確定性。正因為如此，出現(xiàn)了復(fù)合土釘支護的應(yīng)用實踐先于理論的現(xiàn)象。圍繞復(fù)合土釘支護的大量工程問題，我國技術(shù)和科研人員開展了許多卓有成效的研究工作。但是仍然存在理論不成熟，工程技術(shù)人員主要以經(jīng)驗以及軟件進行基坑的設(shè)計與施工，軟件的方便快捷設(shè)計使得設(shè)計人員過度依賴于設(shè)計軟件，缺乏扎實的理論知識，不能夠?qū)υO(shè)計結(jié)果進行有效的分析以及優(yōu)化設(shè)計，導致設(shè)計考慮不周引起的基坑事故時有發(fā)生。

我國地質(zhì)條件復(fù)雜，復(fù)合土釘支護形式多樣且應(yīng)用廣泛，室內(nèi)外試驗條件的代表性和試驗周期等因素限制了其在工程中的應(yīng)用。然而數(shù)值分析法在我國技術(shù)人員的努力下，使其在研究復(fù)合土釘支護方面取得了很多有價值的成果。雖然數(shù)值模擬只能做到定性分析，很難做到準確的定量分析，但是數(shù)值分析結(jié)果可以作為設(shè)計時重要的判斷依據(jù)之一。

為此，本文以北京某基坑工程為例，利用FLAC3D軟件進行數(shù)值模擬，通過模擬結(jié)果指導設(shè)計與施工，為數(shù)值分析法在實際工程中的應(yīng)用提供參考。

1 工程概況

本工程為北京某建設(shè)項目，擬建建筑物為A1號～A5號樓及地下車庫，本基坑支護設(shè)計范圍為A區(qū)地下車庫，A區(qū)地下車庫范圍內(nèi)含A4號和A5號樓，地下2層，基底埋深與地下車庫一致，地下車庫無地上結(jié)構(gòu)，A4號樓地面以上26層，A5號樓地面以上3層，A區(qū)地下車庫基坑絕對開挖深度為11.60 m。土層物理力學參數(shù)如表1所示。

表1 土層物理力學參數(shù)

根據(jù)工程地質(zhì)條件及場地周邊環(huán)境條件，依據(jù)規(guī)范判定本工程基坑側(cè)壁安全等級為二級?；硬捎脧?fù)合土釘墻支護形式，1∶0.3放坡，2道預(yù)應(yīng)力錨桿，6道土釘，土釘水平間距1.5 m，豎向間距1.3 m～1.4 m，土釘長度5.7m，6.7m，8.7m，土釘鋼筋采用HRB335鋼筋，直徑20 mm。預(yù)應(yīng)力錨桿水平間距1.5 m，距離地面分別為2.8 m和5.6 m。錨桿總長度均為15 m，錨固段長10 m，采用1根7φ5，1860級鋼絞線，施加預(yù)應(yīng)力120 kN。每次開挖深度為1.7 m，1.4 m，1.6 m，1.4 m，1.4 m，1.4 m，1.4 m，1.0 m，0.3 m。

基坑支護剖面如圖1所示。

圖1 基坑支護剖面

2 數(shù)值分析模型建立

本文采用FLAC3D軟件建立三維模型模擬實際工程，并對模擬結(jié)果進行分析。建立的模型尺寸為35 m×3 m×21 m，從上到下分為9個土層(見表1)，土體采用理想彈塑性模型，即Mohr-Coulomb本構(gòu)模型。模型的左右及前后邊界分別固定法向位移，下部邊界固定x，y，z方向位移，上部為自由邊界。上部距離基坑邊壁2 m設(shè)置6 m長的20 kPa均布荷載。土釘及錨桿采用軟件中的Cable單元來模擬，考慮水平間距的影響，每排設(shè)置2根土釘或錨桿，左右間距0.75 m，中間間距1.5 m。混凝土面層在支護結(jié)構(gòu)中并不是主要受力構(gòu)件，對位移約束作用也有限，因此，本文數(shù)值模擬中不考慮面層的約束作用。

計算模型如圖2所示。

圖2 計算模型

3 模擬結(jié)果與分析

1)該支護結(jié)構(gòu)中，土釘與錨桿所受軸力皆為拉應(yīng)力，土釘軸力出現(xiàn)中間大兩頭小的現(xiàn)象，第1，2排土釘由于預(yù)應(yīng)力錨桿的作用導致軸力較小，中下排土釘軸力相對于較大。第4排土釘所受軸力最大，達到66.92 kN。錨桿最大軸力出現(xiàn)在自由端，且在自由段相同，并在錨固段逐漸減小。第2排錨桿軸力最大，達到94.05 kN。如圖3所示。根據(jù)理論研究可知，土釘與錨桿軸力最大點的連線即為基坑內(nèi)部土體的潛在失穩(wěn)破壞面，連接圖3中最大軸力點，我們可以發(fā)現(xiàn)一個圓弧形線條，一般便認為該弧線所在平面為潛在滑移面。確認滑移面后，可以合理設(shè)計土釘長度，長度應(yīng)超過滑移面，并在滑移面所在地面位置設(shè)置重點監(jiān)測點，觀察地面是否出現(xiàn)土體裂縫。

2)如圖4所示，最大位移出現(xiàn)在基坑中下部位，開挖深度8 m左右，最大變形位移達到32.65 mm，而坡頂變形最小，為7.25 mm。因此，該基坑不會出現(xiàn)傾倒式破壞，潛在破壞形式應(yīng)該為圓弧滑移式破壞。在設(shè)計與施工中，應(yīng)加強中下部位的防護，做好開挖前的土體變形預(yù)防措施，防止出現(xiàn)局部破壞。

坡頂水平位移模擬值如圖5所示，實際施工監(jiān)測值如圖6所示。由兩圖比較可知，實際工程中，變形會出現(xiàn)較大波動，而模擬結(jié)果波動較小，但是最終變形值較為相似，均為7 mm左右，有較高的參考價值。實際施工中，影響因素較多，如降水、降雨天氣及施工技術(shù)等因素都會影響變形。因此，如圖6所示，位移出現(xiàn)幾次較大波動，經(jīng)過施工中采取有效措施，控制變形在較小范圍，約為-7 mm～5 mm。而數(shù)值模擬采用的是理想化模型分析，無法準確預(yù)測變形，但是總結(jié)大量文獻數(shù)據(jù)可知，如果取模擬值與報警值之間的一定數(shù)值可以更好的作為變形預(yù)警值，利于更早地發(fā)現(xiàn)可能的潛在危險，如本例中可取坡頂水平位移預(yù)警值為20 mm。

圖3 土釘與錨桿軸力分布

圖4 基坑邊坡水平位移

圖5 數(shù)值模擬的坡頂水平位移

圖6 實際監(jiān)測的坡頂水平位移

3)另外，通過改變支護構(gòu)件設(shè)計參數(shù)進行數(shù)值模擬，可以通過比較分析不同參數(shù)下對基坑變形的影響，從而優(yōu)化設(shè)計結(jié)果。如表2所示，改變放坡坡比，通過數(shù)值模擬，我們可以發(fā)現(xiàn)坡比越小，坡頂水平位移越小，但是當坡比達到1∶0.3與1∶0.4時變形值減少幅度已經(jīng)很小了，再綜合考慮造價因素，選擇1∶0.3的坡比是較合適的。

由表3可知，相對于放坡因素，錨桿施加預(yù)應(yīng)力的大小對于坡頂水平位移的影響小很多，但是對于限制土體變形還是有很大作用，具體施加多大預(yù)應(yīng)力應(yīng)綜合考慮土質(zhì)、造價等因素具體選擇。

4)除了以上所展示結(jié)果外，通過FLAC3D軟件進行的數(shù)值模擬，還可以查看每步開挖及支護后的土體變形云圖、應(yīng)力云圖、支護構(gòu)件受力圖等，這些可以供施工過程中進行參考。由于篇幅有限，構(gòu)件設(shè)計參數(shù)對于土體變形的比較分析也只是舉出兩個例子，其他參數(shù)也可通過相同方法進行比較分析，以達到優(yōu)化設(shè)計的目的。

表2 不同坡比下坡頂水平位移

表3 不同錨桿預(yù)應(yīng)力下坡頂水平位移

4 結(jié)語

基坑支護工程作為巖土工程的一個重要領(lǐng)域，由于其自身的特殊性，在未來很長一段時間仍會是理論落后于實踐的現(xiàn)象，科研人員對支護結(jié)構(gòu)作用機理的研究任重而道遠。數(shù)值分析法作為一種重要的分析問題的方法，不應(yīng)只應(yīng)用于學術(shù)研究中，而是應(yīng)該將數(shù)值模擬結(jié)果作為巖土工程設(shè)計中的重要綜合判斷依據(jù)。

本文通過工程實例，對土釘與錨桿復(fù)合支護進行了數(shù)值模擬，研究表明:

1)通過數(shù)值模擬得到的土釘與錨桿軸力，可以清晰展示出支護構(gòu)件受力情況，并大致顯示出潛在失穩(wěn)破壞面，為土釘與錨桿的長度設(shè)計提供參考，還可在施工中設(shè)置重點監(jiān)測土體裂縫可能出現(xiàn)的位置。

2)通過對基坑變形模擬分析，可以對基坑各部位變形情況有大致了解，并找到最大變形部位，提前做好減少變形措施，以及安排變形監(jiān)測點;還可提供一個更加可靠的變形預(yù)警值，以便更早發(fā)現(xiàn)潛在危險，迅速采取應(yīng)急措施。

3)通過對土釘與錨桿設(shè)計參數(shù)的比較分析，可以優(yōu)化設(shè)計方案，使其滿足變形要求，支護構(gòu)件受力更合理。

4)數(shù)值分析法在一定程度上，可以很好地指導設(shè)計與施工，但是想要在實際工程中得到普遍推廣還是存在一些阻礙。例如技術(shù)人員水平不一，無法快速掌握理論分析法，對基坑安全認識不足，過度信任工程經(jīng)驗等。另外，數(shù)值模擬軟件也存在一些不足，無法充分分析各種因素，分析結(jié)果的可靠度還需要更多實際工程的檢驗。

［1］ 曾憲明，鄭志輝，戴瑞琪，等.復(fù)合土釘支護設(shè)計與施工［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009.

［2］ 秦四清，王建黨，王 清，等.土釘支護機理與優(yōu)化設(shè)計［M］.北京:地質(zhì)出版社，1999.

［3］ 孫書偉，林 杭，任連偉.FLAC3D在巖土工程中的應(yīng)用［M］.北京:中國水利水電出版社，2011.

［4］ GB 50739—2011，復(fù)合土釘墻基坑支護技術(shù)規(guī)范［S］.

［5］ JGJ 120—2012，建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程［S］.

Application of numerical simulation in com posite soil nailing★

Xie W endong Ge Yanfeng

(School of Civil Engineering，North China University of Technology，Beijing 100144，China)

In this paper，the foundation pit engineering of composite soil nailing with anchor support in Beijing is used as an example.The numerical simulation is carried out by using FLAC3D to guide the design and construction of composite soil nailing.It can provide reference when numerical simulation is applied in practical engineering in the future.

composite soil nailing，prestressed anchor，F(xiàn)LAC3D，numerical simulation

TU463

A

1009-6825(2015)29-0054-03

2015-08-06 ★:北京市教育委員會科技發(fā)展計劃面上項目資助(項目編號:KM201410009011)

謝文東(1990-)，男，在讀碩士; 葛燕鋒(1964-)，男，副教授，一級建造師