潘啟釗　林本海

(1.深圳市工勘巖土集團(tuán)有限公司　深圳　518000；2.廣州大學(xué) 地下工程與地質(zhì)災(zāi)害研究中心　廣東廣州　510006)

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土釘樁錨聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的三維有限元模擬

潘啟釗1林本海2

(1.深圳市工勘巖土集團(tuán)有限公司深圳518000；2.廣州大學(xué) 地下工程與地質(zhì)災(zāi)害研究中心廣東廣州510006)

在確保安全的前提下，為節(jié)約成本，經(jīng)常在深基坑支護(hù)工程中使用土釘與樁錨聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)。但該聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)沒(méi)有可靠的位移計(jì)算方法。為研究聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的規(guī)律，建立了三維有限元模型，對(duì)其變形機(jī)制進(jìn)行了動(dòng)態(tài)分析。通過(guò)與工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比表明，三維有限元分析成果與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較接近。上部的土釘支護(hù)位移呈楔體狀，并且滑裂面隨開(kāi)挖深度加大向后緣發(fā)展，土釘逐漸遠(yuǎn)離滑裂面，對(duì)整體穩(wěn)定影響越來(lái)越小。三維有限元分析可得到較準(zhǔn)確的位移，并可預(yù)測(cè)各工況變形，為設(shè)計(jì)及施工提供重要參考。

土釘；聯(lián)合支護(hù)；有限元；水平位移

0　引言

上部土釘與下部樁錨的聯(lián)合基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)融合了土釘柔性支護(hù)與樁+錨的剛性支護(hù)結(jié)構(gòu)的各自?xún)?yōu)點(diǎn)，既經(jīng)濟(jì)又安全，被廣泛應(yīng)用于深基坑支護(hù)工程中[1,2]。目前，該聯(lián)合支護(hù)型式的理論研究還落后于工程實(shí)踐，工程技術(shù)人員對(duì)該種聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及變形并不十分清楚，部分學(xué)者對(duì)水平位移提出了一些計(jì)算方法[3,4]，有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。目前仍然缺乏一種簡(jiǎn)單而具工程精度的水平位移計(jì)算方法，對(duì)工程安全構(gòu)成潛在風(fēng)險(xiǎn)。目前對(duì)該聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形分析最有效的方法是有限元法[5,6]。

本文采用三維有限元對(duì)該種基坑聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)各工況進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬，以分析支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形特性，為工程技術(shù)人員優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1　本構(gòu)模型及單元類(lèi)型的確定

土體本構(gòu)模型采用摩爾-庫(kù)侖(Mohr-Coulomb)模型。樁及混凝土面層可視為線彈性模型。而土釘和錨索為混凝土與鋼筋的復(fù)合體，采用線彈性模型。

為真實(shí)模擬基坑實(shí)際應(yīng)力應(yīng)變情況，對(duì)土體采用三角錐(四節(jié)點(diǎn)單元)實(shí)體單元。

根據(jù)土釘和錨索(桿)的受力特性，采用空間植入式桁架單元模擬土釘及錨(桿)[7]。該種單元是桁架單元的特殊形式，能嵌入實(shí)體單元。該種單元由兩個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，它只能傳遞軸向拉壓力，通常用于模擬巖土支承彈簧或錨桿。

樁體使用了梁?jiǎn)卧姆绞剑譃榱簡(jiǎn)卧尤虢佑|單元，以模擬樁與土體的接觸面。接觸單元的剪切應(yīng)力由接觸單元的剪切剛度決定，可用于判斷剪切應(yīng)力是否超過(guò)了摩爾-庫(kù)侖屈服標(biāo)準(zhǔn)中的最大剪切強(qiáng)度。

面層厚度相對(duì)基坑尺寸而言很小，故采用平面板單元模擬土釘面層。

2　基坑開(kāi)挖過(guò)程的模擬

巖土支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形往往與其施工工況或過(guò)程密切相關(guān)。用有限元法模擬基坑開(kāi)挖和施工過(guò)程時(shí)，對(duì)施工過(guò)程中的最大區(qū)域來(lái)劃分有限元網(wǎng)格，必要時(shí)關(guān)閉某些單元以形成體系的初始狀態(tài)，之后再通過(guò)單元的關(guān)閉和啟動(dòng)來(lái)模擬開(kāi)挖與建造的過(guò)程。單元的關(guān)閉就是將挖去的土體單元的材料屬性進(jìn)行修改，將該單元的剛度取零，使其沒(méi)有承載能力。當(dāng)對(duì)單元的關(guān)、啟狀態(tài)有變化時(shí)，程序重新生成體系的剛度矩陣，并計(jì)算相應(yīng)的施工荷載，求解體系內(nèi)力和變形的改變量，從而實(shí)現(xiàn)模擬開(kāi)挖與建造的計(jì)算。錨索的預(yù)應(yīng)力，通過(guò)對(duì)桿系單元端部施加集中力實(shí)現(xiàn)。

每步土釘支護(hù)施工的模擬過(guò)程為開(kāi)挖一定深度的土體，設(shè)置一排土釘，構(gòu)筑噴混凝土面或者施工預(yù)應(yīng)力錨索。初始有限元網(wǎng)格生成中，各個(gè)組成部分的單元信息都事先建立，而且設(shè)置開(kāi)啟開(kāi)關(guān)，根據(jù)開(kāi)挖和支護(hù)的步驟確定開(kāi)關(guān)是啟或關(guān)。當(dāng)挖去一層單元的土體時(shí)，計(jì)算挖去的土重在開(kāi)挖面所形成的等價(jià)結(jié)點(diǎn)力；用與這些結(jié)點(diǎn)力大小相等、方向相反的力作為結(jié)點(diǎn)荷載(與前步開(kāi)挖時(shí)該結(jié)點(diǎn)等價(jià)結(jié)點(diǎn)荷載不相等)，對(duì)開(kāi)挖后的結(jié)構(gòu)(關(guān)閉挖去的土單元)進(jìn)行一次分析，得到第一次開(kāi)挖后的位移和應(yīng)力狀態(tài)。隨著開(kāi)挖的加深，土體單元數(shù)目逐次減少，土釘單元和面層單元逐次啟動(dòng)，可分析得到每步開(kāi)挖后的位移和應(yīng)力狀態(tài)。

3　工程實(shí)例分析

3.1工程概況

某廣場(chǎng)深基坑支護(hù)工程，基坑?xùn)|西長(zhǎng)308.2m，南北向?qū)?6.5m～82.5m，基坑開(kāi)挖深度約為13m～21m。場(chǎng)地東、西、北三面鄰近市政道路，道路周邊分布大量市政及通信管線，總體周邊環(huán)境復(fù)雜。

場(chǎng)地地層由第四系人工填土層、沖洪積層、殘積層和燕山期基巖組成。計(jì)算剖面土層從上到下依次為：素填土層厚2.5m，粉質(zhì)粘土層厚5.0m，礫質(zhì)粘性土層15.0m，中風(fēng)化花崗巖層厚12.0m。

本次有限元分析為了最大程度模擬基坑實(shí)際情況，該基坑支護(hù)剖面的設(shè)計(jì)計(jì)算簡(jiǎn)圖及勘察鉆孔資料見(jiàn)圖1。所有構(gòu)件幾何尺寸及材料數(shù)據(jù)采用該支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面的實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，其中冠梁尺寸1 200mm×800mm，腰梁為400mm×300mm，分別位于第一、二及三道預(yù)應(yīng)力錨索的標(biāo)高處；樁、冠梁及腰梁均采用C30混凝土；土釘支護(hù)的噴射素混凝土面層厚度均為100mm，采用C20混凝土。

3.2計(jì)算參數(shù)的選取

土體的計(jì)算參數(shù)如表1所示。支護(hù)樁、冠梁及腰梁材料均為C30混凝土，彈性模量(E)為2.8×107kN/m2，泊松比(ν)為0.18；噴射混凝土面層為C20素混凝土，彈性模量(E)為1.5×106kN/m2，泊松比(ν)為0.20；土釘及錨索為主要受拉構(gòu)件，而注漿體彈性模量較低，且受拉承載力低，因此取用鋼筋彈性模量作為土釘及錨索的彈性模量，其彈性模量為2.0×108kN/m2，泊松比(ν)為0.18，而相應(yīng)的截面積取土釘及錨索中鋼筋的面積。

地面超載為均布荷載15kPa，范圍覆蓋基坑外側(cè)地面。預(yù)應(yīng)力錨索分別施加預(yù)應(yīng)力為：350kN、350kN、400kN。K0為巖土體的靜止側(cè)壓力系數(shù)。

表1　土體單元屬性參數(shù)

圖1　土釘與樁錨聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖

4　數(shù)據(jù)處理與成果分析

采用MIADS GTS進(jìn)行建模并計(jì)算，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到土釘與樁錨聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變、內(nèi)力及位移數(shù)據(jù)。圖2為基坑中部剖面總位移適量圖，從圖中可見(jiàn)樁頂部及土釘墻頂部位移最大，與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果相符。上部土釘支護(hù)位移呈楔體狀，但不同于普通土釘墻，其滑裂面不經(jīng)過(guò)土釘墻坡腳，而是下移至樁頂以下。此外，滑裂面在接近地表處呈近似垂直向上延伸。

由圖2可見(jiàn)基坑側(cè)壁土體位移方向大致斜向基坑底部，與水平夾角約30°，樁頂以上土體變形延伸較遠(yuǎn)，可達(dá)一倍基坑開(kāi)挖深度，基坑底部則有少量土體隆起。

由圖3可見(jiàn)基坑中部是變形最大區(qū)域，亦是監(jiān)測(cè)剖面。該圖能正確反映基坑開(kāi)挖過(guò)程中發(fā)生的最大變形，并與監(jiān)測(cè)實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比。該剖面的各工況基坑頂部水平位移曲線與實(shí)測(cè)值曲線對(duì)比如圖4。

圖2　基坑中部剖面總位移矢量圖

由圖4可見(jiàn)有限元模擬的分析結(jié)果與實(shí)測(cè)值相近?；娱_(kāi)挖到底時(shí)實(shí)測(cè)的最大位移為74 mm，但土體蠕變形還在發(fā)展，監(jiān)測(cè)到最大位移為92mm；有限元分析基坑頂部水平位移值為89.6 mm。結(jié)果表明有限元方法計(jì)算結(jié)果較接近實(shí)際變形情況。

上部土釘墻屬柔性支護(hù)，基坑開(kāi)挖到底后由土釘支護(hù)段引起水平位移的量占整體基坑變形量的比例較大，上部變形量在80 mm以上。但在上部土釘開(kāi)挖施工期間水平位移卻很小，最大位移13 mm。從第五工況開(kāi)始，即進(jìn)入下部樁錨支護(hù)后的土釘支護(hù)位移急驟增加。從第五工況到第七工況，土釘墻最大位移增量為：17 mm、23 mm及28 mm。一方面是因?yàn)楹竺婀r開(kāi)挖深度大，樁頂?shù)奈灰茖?duì)坑頂位移的放大作用明顯加大；另一方面也是由于土釘長(zhǎng)度較短，土體潛在滑裂面往基坑外側(cè)移動(dòng)并最終離開(kāi)土釘，使上部土釘支護(hù)段完全處于非受控狀態(tài)，對(duì)土體位移約束大大減弱。

圖3　基坑中部剖面各工況水平位移圖

圖4　基坑頂水平位移計(jì)算值與實(shí)測(cè)值曲線圖

基坑最大水平位移開(kāi)始階段在坡腳附近，隨著開(kāi)挖深度加大，逐步往上移動(dòng)，最后出現(xiàn)在基坑頂部，呈現(xiàn)上大下小的傾覆狀。土釘墻支護(hù)部分水平位移值在基坑開(kāi)挖到下部樁錨支護(hù)段后不僅都大于支護(hù)樁頂?shù)乃轿灰疲铱禹數(shù)奈灰埔哺S放大，如圖3。

結(jié)果還顯示，在土釘墻與樁錨支護(hù)相接處，位移突變較大，且樁體變形也呈上部大、下部小。結(jié)合剖面水平位移云圖及開(kāi)挖工況圖可知，在單獨(dú)施工上部土釘墻支護(hù)段時(shí)確實(shí)起到很好的約束變形作用，隨著開(kāi)挖深度加大，基坑潛在滑裂面往后移動(dòng)，并最終離開(kāi)土釘長(zhǎng)度范圍，即土釘完全處于滑動(dòng)土體中，抗拔力顯著降低，土釘對(duì)基坑整體穩(wěn)定的貢獻(xiàn)很小，只對(duì)上部土釘支護(hù)起局部穩(wěn)定作用。

5　結(jié)論

根據(jù)分析成果，上部土釘支護(hù)位移呈楔體狀，其滑裂面下移至樁頂以下，以主動(dòng)滑裂面傾角斜向上發(fā)展，在滑體后緣接近地表處呈近似垂直向上延伸。

土釘墻對(duì)上部土體局部穩(wěn)定性發(fā)揮著重要作用，但隨著土體開(kāi)挖到土釘墻坡腳以下(第五工況)，滑裂面向深處發(fā)展，土釘對(duì)基坑整體穩(wěn)定性的影響越來(lái)越小，土釘墻頂部位移迅速增大，并逐漸成為基坑側(cè)壁位移最大的位置?；又ёo(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，不可將上部土釘墻簡(jiǎn)化為荷載而忽略土釘墻的位移。

[1]吳忠誠(chéng)，湯連生，劉曉綱，等. 復(fù)合土釘墻大型現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及變形性狀分析研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007(7)：2974-2980.

[2]朱彥鵬，夏晉華， 司亞蔚. 深基坑樁錨與土釘墻聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測(cè)分析[J]. 甘肅科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，21(1)：117-120.

[3]申利梅，劉建偉，李鋒. 基于協(xié)調(diào)變形的樁錨與土釘聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算[J]. 河南科學(xué)，2007，25(2)：289-291.

[4]尹驥，李象范.上部土釘、下部樁錨結(jié)構(gòu)的復(fù)合型圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算方法的探討[J].巖土錨固工程，2008 (4)：26-30.

[5]宋二祥，邱明.基坑復(fù)合土釘支護(hù)的有限元分析[J]. 巖土力學(xué). 2001，22(3)：241-245.

[6]吳忠誠(chéng)，湯連生，廖志強(qiáng)，等. 深基坑復(fù)合土釘墻支護(hù)FLAC-3D模擬及大型現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)，2006，28：1460-1465.

[7]楊志明，姚愛(ài)國(guó). 桿系有限元法求解復(fù)合土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移[J]. 煤田地質(zhì)與勘探， 2002，30(5)：31-34.

Simulation of 3D finite element for deformation of soil nail wall and pile anchor combined support structure

PAN Qizhao1LIN Benhai2

(1.Shenzhen Gongkan Geotechnical Group Co..Ltd, Shenzhen 518000;2.Research Center of Underground Engineering and Geological Hazard, Guangzhou University, Guangzhou 510006)

Under the premise of ensuring safety, for the effective conservation of urban excavation project cost, soil nail wall and pile anchor combined support structure often used. But so far, there is not a reliable method for calculating the displacement of the structure. In order to study the deformation of soil nail wall and pile anchor combined support structure, the 3D finite element model is established, and the dynamic analysis of the deformation is carried out. Compared with the engineering example, the results show that the 3D finite element analysis results are close to the actual monitoring data. The displacement of the upper soil nailing is in a wedge shape, and the sliding surface is developed along with the excavation depth and the sliding surface is developed along with the excavation depth. The soil nail is far away from the sliding surface, and the effect on the overall stability is smaller and smaller. 3D finite element method provides a reliable displacement calculation method for soil nail wall and pile anchor combined support structure, and can predict the deformation of each working condition, which provides an important reference for the design and construction.

Soil nail wall; Combined support; Finite element; Horizontal displacement

潘啟釗(1984.11-)，男，工程師

E-mail:32060465@qq.com

2016-06-12

TU47

A

1004-6135(2016)08-0084-04