黃土基坑復(fù)合型土釘支護(hù)計算和施工分析

宋 書

1 工程概況

某工程根據(jù)巖土工程勘察報告,擬建場地內(nèi)地層結(jié)構(gòu)及巖土特性見表1。

表1 設(shè)計基本參數(shù)

基坑開挖深度為11.0 m,邊坡設(shè)計坡度1∶0.1,設(shè)6層土釘,土釘布置方式為梅花形。在-6.0 m處設(shè)1道預(yù)應(yīng)力錨桿,以減小基坑的水平位移,保證鄰近高層建筑的安全和穩(wěn)定。土釘間距為1.5 m,傾角為15°;錨桿采用 2φ8鋼筋,長 18 m(其中自由段長10 m,錨固段長8 m),施加預(yù)應(yīng)力150 k N。

2 基本假定和材料參數(shù)

2.1 基本假定

簡化計算,在對復(fù)合土釘支護(hù)進(jìn)行數(shù)值分析時,作以下假定:1)考慮到除基坑坑角外,同一側(cè)邊同一深度處相鄰?fù)玲數(shù)氖芰妥冃位鞠嗤?認(rèn)為復(fù)合土釘支護(hù)的計算可簡化為二維平面應(yīng)變問題。2)土釘、錨桿及其輔助加固材料假定為彈性材料。3)土體假定為彈塑性體。

2.2 計算簡圖

工程實踐表明,基坑開挖的影響寬度約為開挖深度的3倍～4倍,影響深度約為開挖深度的2倍～3倍。本例取有限元分析模型的總長度為50 m,總高度30 m,坡面的坡度取1∶0.1。模型左右邊界設(shè)定X方向的位移為零,允許 Y方向的變形;底邊界在X方向和Y方向位移均為零;上邊界為自由面。初始地應(yīng)力場為自重應(yīng)力場,重力荷載加速度為9.8 m/s2。

2.3 材料參數(shù)

由于土體在一定范圍內(nèi)分布的不均勻性,不便于進(jìn)行數(shù)值計算,土體參數(shù)取計算范圍內(nèi)各土層C,φ值的平均值。土釘與錨桿錨固段由鋼筋及其外部包裹的水泥漿組成,水泥漿緊緊包裹在鋼筋外部,并與土體呈犬牙狀咬合。為準(zhǔn)確模擬土釘及錨桿錨固段的力學(xué)行為,并適當(dāng)簡化有限元分析過程,將鋼筋與水泥漿體視為復(fù)合材料,采用整體式模型,其彈性模量由鋼筋與水泥漿體的彈性模量按面積折算。各種材料的幾何及力學(xué)參數(shù)如下:

土:C=28 k Pa,φ=18°,土體重度 γ=18 k N/m3,變形模量E0=1.8×107Pa,泊松比 μ=0.3。土釘:直徑 0.11 m,截面積為0.009 498 5 m2,慣性矩1.832 4×10-6m4,等效彈性模量 Eeq=2×1010Pa,泊松比 μ=0.3。錨桿:自由段截面積5.086 8×10-4m2,慣性矩1.030 077×10-8m4,彈性模量 Es=2×10-11Pa。錨固段截面積為0.017 662 5×10-4m2,慣性矩2.483 789×10-5m4,等效彈性模量 Eeq=2.03×1010Pa。泊松比均取 μ=0.3。面層:截面積0.1 m2,慣性矩8.333 33×10-5m4,等效彈性模量 Eeq=2.1×1010Pa,泊松比 μ=0.3。

界面摩阻力:根據(jù)文獻(xiàn)等的研究結(jié)果,釘土界面、錨土界面摩阻力值取60 k Pa。

3 非線性有限元分析

3.1 土體的破壞準(zhǔn)則

ANSYS有限元程序采用外接圓D-P準(zhǔn)則。但在計算安全系數(shù)時,一般多采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則。為使所得安全系數(shù)具有一定的可比性,文中運用ANSYS有限元分析軟件計算所得的安全系數(shù),均轉(zhuǎn)換為Mohr-Coulomb準(zhǔn)則條件下的安全系數(shù)。

3.2 有限元模型

1)如何選取單元。8節(jié)點單元Plane82由于其一致的位移形狀函數(shù)的特性,所以它能有非常好的適應(yīng)曲線邊界的效果,這種特性在四邊形和三角形的混合網(wǎng)格中會有很好的準(zhǔn)確度,也可以適應(yīng)很多不規(guī)則的形狀,同時還能保證精確性。因此,工程的土體選擇Plane82單元模擬是非常合適的,在具體的計算中,把土體的受拉作為重要的考慮因素,對于其土釘以及錨桿的抗彎抗剪等因素忽略不計,同時以Link1單元來模擬土釘和錨桿,單軸單元Beam3單元由于其良好的柔韌性在面板選擇時作為第一選擇,每個節(jié)點有3個自由度,換句話說就是以 X軸,Y軸位移和圍繞Z軸位移。2)如何劃分網(wǎng)格。網(wǎng)格的劃分對最后數(shù)值精確度的影響有著重要的作用,如果失誤會直接導(dǎo)致數(shù)據(jù)的失真。在實踐中,我們通常認(rèn)為網(wǎng)格花費的密集度和計算數(shù)值的準(zhǔn)確度有正相關(guān)的聯(lián)系,但密集的劃分會導(dǎo)致工作量的增大,因此,在實踐中要兼顧準(zhǔn)確度和時間的計算能力。

在案例中,我們采用了部分網(wǎng)格加密的措施,對網(wǎng)格區(qū)域首先進(jìn)行歸類,對那些計算結(jié)果和數(shù)據(jù)值要求高的部分網(wǎng)格進(jìn)行加密計算,其他的部分采取相對較疏的網(wǎng)格。因此,在開始進(jìn)行建模工作時我們首先要做的就是對這些關(guān)鍵點的設(shè)置進(jìn)行確定,在確定關(guān)鍵點后根據(jù)關(guān)鍵點的位置劃分關(guān)鍵區(qū)域,然后根據(jù)這些區(qū)域?qū)?shù)據(jù)精確度的要求,來控制線條的長度和位置,在土釘?shù)冉佑|部位設(shè)置接觸單元以此模擬接觸面上的數(shù)據(jù)。

3.3 施工過程的模擬

1)模擬開挖和支護(hù)的施工。從黃土基坑支護(hù)的施工過程中我們會發(fā)現(xiàn),在基坑支護(hù)部分承擔(dān)著重要作用的荷載是一個動態(tài)的增加的過程,它會隨著工程的進(jìn)度而改變并逐步增加,因此,在對這個過程施工的模擬要考慮到實際的施工狀況,在模擬軟件中,這樣的模擬過程是通過單元的存在或者消亡來實現(xiàn)的。舉例來說,假如在模擬軟件中加入或者刪減材料,軟件就會提示單元是處在存在還是消亡的狀態(tài)。在案例中,我們在進(jìn)行上述過程的模擬時采取了倒敘的方式,首先讓土釘?shù)葐卧幵凇八劳觥钡臓顟B(tài),隨著工程的進(jìn)度,逐步將這些單位激活,這樣的過程稱為“接觸問題”。2)對錨桿預(yù)應(yīng)力的模擬。等效降溫法由于其在不涉及熱分析結(jié)構(gòu)中有很好的精確度,因此在實踐中很常用。它的原理是通過對各向異性溫度應(yīng)變系數(shù)的設(shè)置,同時推算應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系,在設(shè)定的溫度差條件下就可以獲得我們需要的錨桿預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的各種情況。

4 計算結(jié)果

1)在軟件中點擊“Newton-Raphson”選項。

2)讓“Newton-Raphson”迭代方法使用在所有的增量步驟中。

如圖1所示,案例工程基坑的最大位移為17.3 mm,安全系數(shù)1.437。

案例工程經(jīng)過75 d的施工日期。在施工過程的基坑變形現(xiàn)象監(jiān)控中我們發(fā)現(xiàn)發(fā)生位移是在基坑的北部下部,距離地面2 m處,位移量為16.55 mm,實際檢測數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)非常的接近。

5 結(jié)語

1)作為一種新型的技術(shù),預(yù)應(yīng)力錨桿復(fù)合土釘支護(hù)能夠?qū)㈠^桿的主動和被動支護(hù)很好的糅合在一起,這種技術(shù)能夠非常好的減少和預(yù)防基坑的變形。2)黃土的特性是強度高,變性較少。在黃土的實踐中可以采用預(yù)應(yīng)力錨桿復(fù)合土釘支護(hù)技術(shù)。3)有限元方法能夠很好的模擬工程實際中土體和錨桿之間的真實情況,從案例的分析數(shù)據(jù)比較結(jié)果中我們也可以證明這點,因此,我們在案例過程中建立的有限元計算模型可以推廣在實際工程應(yīng)用中。

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