復(fù)合型土釘黃土基坑數(shù)值分析

程聯(lián)偉

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,北京102600)

0 前 言

本文以西安某深基坑支護(hù)工程為背景,結(jié)合FLAC3D有限差分軟件,建立了空間三維有限差分分析模型,對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索復(fù)合土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)施工進(jìn)行了三維動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬,分析總結(jié)了在基坑分步開挖過程中,深基坑側(cè)壁土壓力與變形;支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力分布、水平位移;地表面的沉降;坑底的隆起空間分布情況及變化規(guī)律。

1 工程概況

擬建工程建筑面積約為87 000 m2,基坑開挖深度為-16.8 m。根據(jù)鉆探揭露,場(chǎng)地地層在地基設(shè)計(jì)影響范圍內(nèi)分為6層:第1層為填土(Q4ml);第2層為黃土(Q3eol);第3層為黃土(Q2eol);第4層為古土壤(Q3el);第5層為粉質(zhì)粘土(Q2al);第6層為粉質(zhì)粘土(Q2al)。各土層物理力學(xué)性質(zhì)見表1。在勘察期間,實(shí)測(cè)場(chǎng)地地下水穩(wěn)定水位埋深7.30 m～9.80 m,屬潛水類型。

2 建立計(jì)算模型及計(jì)算分析

2.1 建立計(jì)算模型

依據(jù)Duncan與Goodman建議邊坡的計(jì)算范圍取邊坡坡腳以下邊坡高度H深、坡腳左右水平2H～3H的范圍。本文采用70 m×3.75 m×33.6 m的計(jì)算模型;土釘、錨索單元采用FLAC3D中的錨索結(jié)構(gòu)單元,土釘及錨桿設(shè)計(jì)參數(shù)見表2;混凝土面層采用FLAC3D中的殼單元來模擬,用戶可以根據(jù)計(jì)算的精確程度定義三角形單元的大小、殼結(jié)構(gòu)單元的厚度、材料屬性以及殼結(jié)構(gòu)與土體之間的作用方式。通過對(duì)不同位置上的節(jié)點(diǎn)設(shè)置監(jiān)測(cè)歷史記錄,可以得到作用于噴射混凝土面層的土壓力變化過程;腰梁采用FLAC3D中的梁結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行模擬。

表1 土層物理力學(xué)指標(biāo)

表2 土釘與錨桿的設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 基坑開挖施工過程模擬

本文采用FLAC3D軟件對(duì)基坑開挖施工過程的模擬采用以下步驟:①基坑第一步開挖,設(shè)置第1排土釘,設(shè)置坑壁噴護(hù)面層,進(jìn)行模型平衡計(jì)算。②基坑第二步開挖,設(shè)置第2排土釘,設(shè)置坑壁噴護(hù)面層,進(jìn)行模型平衡計(jì)算。③分別進(jìn)行第三、第四等各步依此類推,每步超挖深度為0.5 m,依次開挖支護(hù)至坑底。

2.3 結(jié)構(gòu)水平位移特征

在基坑開挖設(shè)計(jì)過程中,基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移的大小和范圍如何隨基坑開挖而變化是設(shè)計(jì)者最關(guān)心的問題,研究每個(gè)工序?qū)χёo(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移的影響變化是非常必要的。圖1為開挖結(jié)束后支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移等值線圖,圖2為在FLAC3D模型監(jiān)測(cè)到的基坑坑壁隨每步施工的水平位移隨深度變化分布曲線,圖3為采用FLAC3D進(jìn)行模擬的結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果水平位移對(duì)比曲線。

圖1 基坑水平位移等值線圖

規(guī)律總結(jié)與結(jié)果分析[1-3]:①在基坑開挖支護(hù)前期,基坑變形主要是由于基坑開挖后應(yīng)力不均,在應(yīng)力重分布過程中引起基坑的初步變形,此時(shí)變形最大位置在開挖面以下的土體中。特別是前三步開挖,以此變形為主。隨開挖的進(jìn)行,基坑變形的增大,此類變形逐漸失去主導(dǎo)地位。②基坑坑壁的水平變形,隨開挖進(jìn)行逐漸增大。每一步開挖均引起一定的水平位移增值,并且每一步的開挖所引起的邊坡水平位移增量相差較小。同時(shí),坑壁的最大水平位移增量常出現(xiàn)在上一步開挖面下方不遠(yuǎn)處,由此可見,每次開挖影響最大的位置在臨近的臨空面附近。③距離坑壁較遠(yuǎn)的位置土體的水平位移近似為零,遠(yuǎn)離坑壁方向的土體的位移逐漸變小,靠近開挖面的土體水平位移較大?；幼畲笞冃伟l(fā)生在約距基坑底面基坑開挖深度處,在支護(hù)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)充分考慮這一特點(diǎn),為更好控制基坑變形需增強(qiáng)此處支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。④設(shè)置土釘及錨桿位置的坑壁水平位移明顯減小,坑壁水平位移沿深度變化同一高度的土體距土釘較近位置的水平位移較小,越遠(yuǎn)離土釘?shù)奈恢?水平位移越變大。這一現(xiàn)象說明土釘對(duì)土體側(cè)向變形限制作用非常明顯。⑤由于土釘及錨桿對(duì)被加固土體的約束作用,能較好地限制基坑變形。經(jīng)過土釘及錨桿加固后的復(fù)合土體內(nèi)部的水平位移相對(duì)較小,表明土釘錨桿及土體一個(gè)彼此相互作用的有機(jī)整體,因此在結(jié)構(gòu)分析過程中不應(yīng)將各部分簡(jiǎn)單的分開考慮。⑥土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)的柔性特點(diǎn)決定著支護(hù)結(jié)構(gòu)抵抗側(cè)向位移較弱,每步的開挖深度雖然很小,由于側(cè)向及底部約束的解除,盡管坑壁仍然能夠保持自立穩(wěn)定,邊坡還是產(chǎn)生一定的水平位移。開挖深度除第一步為2.0 m外,其他各步均為1.5 m,卸載量變化不大,使得坑壁水平變形曲線形狀非常相似。

圖2 模型監(jiān)測(cè)水平位移變化曲線

采用FLAC3D分析結(jié)果與實(shí)測(cè)基坑水平位移存在差異的主要原因是:①由于基坑水平位移觀測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)的位置位于基坑變形影響范圍內(nèi),使得所觀測(cè)的數(shù)據(jù)存在誤差;②由于基坑開挖前的降水使得坑壁土體水份流失,力學(xué)性質(zhì)改變等影響因素為在FLAC3D計(jì)算時(shí)考慮;③采用網(wǎng)格進(jìn)行區(qū)域劃分,采用網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上離散場(chǎng)值來代替區(qū)域內(nèi)連續(xù)分布的場(chǎng),用有限個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)來代替連續(xù)的求解區(qū)域帶來的誤差。

圖3 模擬與實(shí)測(cè)水平位移變化曲線

2.4 結(jié)構(gòu)垂直位移特征

在此工程中,引起地面沉降的主要因素是地下降水。但是,在模擬過程中僅考慮降水結(jié)束后,由基坑開挖所引起的地面沉降大小及變化規(guī)律,如圖4所示。

圖4 基坑開挖垂直位移等值線圖

規(guī)律總結(jié)與結(jié)果分析:①隨著基坑的開挖,天然土層的原始平衡狀態(tài)被破壞,形成二次應(yīng)力場(chǎng)[1]。基坑開挖影響范圍內(nèi)應(yīng)力重新分布,坑腳處應(yīng)力集中分布?；拥酌嬗捎陂_挖卸載,地面土體出現(xiàn)一定量的回彈。新形成的坑壁有向下移動(dòng)的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì),對(duì)卸載后的基坑底面土體產(chǎn)生擠壓作用,從而土體形成擠壓隆起現(xiàn)象。②基坑地表的豎直位移沿遠(yuǎn)離坑壁方向呈曲線分布,每步開挖上一層土體的沉降量最大,與水平位移特征相同,每次開挖地表的變化曲線非常相似?；拥孛尕Q向變形較小,在土釘支護(hù)范圍內(nèi)表現(xiàn)十分明顯,由此可見,土釘及錨桿的設(shè)置不但可以增加土體的整體強(qiáng)度,而且抑制了土體豎向變形的趨勢(shì)[4-5]。

2.5 土釘及錨桿受力特征

在模型分析中,土釘和錨桿均用cable單元進(jìn)行模擬,假設(shè)結(jié)構(gòu)單元的拉力在一個(gè)小的范圍內(nèi)是均勻分布的,在此模型中每根土釘按照Δ z=1.0 m、每根錨桿按照Δz=0.955 m的原則等分為若干段,拉力大小相等。計(jì)算每個(gè)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力在每個(gè)時(shí)間步長中的變化,并進(jìn)行積分得到每根土釘?shù)膽?yīng)力分布。

規(guī)律總結(jié)與結(jié)果分析:①結(jié)構(gòu)中各排土釘承受的拉力在土釘長度方向呈相似曲線分布。每一步開挖均會(huì)引起土釘拉力的一定增量,土釘每段的增量近似相同,曲線整體分布趨勢(shì)相近。各排錨桿的自由段所承受的拉力相同為水平直線分布,隨后呈現(xiàn)近似直線減小,此直線段部分很短,然后變?yōu)橥瓜蚯€減小為零。②對(duì)同一排土釘?shù)慕Y(jié)果分析表明,土釘中間靠近土釘與面層連接的一端承受的拉力最大,向兩端方向受力逐步遞減。各排土釘在靠近面層的一端,土釘拉力變化較小,均接近于一個(gè)定值;在土釘?shù)哪┒?土釘承受的拉力均遞減至接近于零,并且越接近土釘末端所承受的拉力減小速度越快。由此可知土體變形較大的地方常是承受拉力較大的地方,也是坑壁最危險(xiǎn)的地方。③在基坑開挖過程中,每一排土釘或錨桿承受的拉力增量最大是在其下一步開挖和支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)置過程中產(chǎn)生的。因此,為確保結(jié)構(gòu)安全施工順利進(jìn)行,應(yīng)該保證上一排土釘或錨桿的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求,達(dá)到一定的承載能力后,才能進(jìn)行下一步施工步驟。④在復(fù)合型土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)中,上部坡頂及下部坡底的土釘承受拉力較小,其中坡底的土釘承受的拉力大于坡頂部位的土釘拉力;位于中間部位的錨桿承受較大的拉力,其中第1排錨桿承受拉力最大;位于錨桿中間兩排土釘承受的拉力同樣較小,最大拉力位于靠近土釘與面層連接的一端。因此,在設(shè)計(jì)時(shí)為了更有效的控制地面變形,建議適當(dāng)增加第1排錨桿的長度;錨桿中間土釘受力較小,不能充分發(fā)揮作用,建議適當(dāng)減小位于錨桿中間的土釘長度,滿足其局部穩(wěn)定要求即可;下部坡底部位的土釘受力特點(diǎn),建議采用短而密的土釘布置方式。

綜上:由FLAC3D軟件模擬的單根土釘拉力變化規(guī)律、每步開挖所引起的各排土釘及錨桿的拉力增長大小、土釘承受最大拉力的位置等與理論分析及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)變化規(guī)律基本吻合,可作為研究復(fù)合型土釘支護(hù)的有效工具。

2.6 支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變特征

支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力特征主要包括:最大主應(yīng)力σ1、第二主應(yīng)力 σ2和最小主應(yīng)力 σ3、剪切應(yīng)變等變化特征。在各步開挖結(jié)束后,在基坑底部靠近坡腳位置,受力狀況比較復(fù)雜。因此,在復(fù)合型土釘支護(hù)設(shè)計(jì)過程中,應(yīng)對(duì)此位置給予足夠重視。模型中應(yīng)力符合屈服準(zhǔn)則的塑性區(qū)范圍如圖5所示,在坡面及坡腳處均存在過去曾經(jīng)屈服單元,從而進(jìn)一步說明坡腳處應(yīng)力的復(fù)雜性及支護(hù)設(shè)計(jì)的重要性。必要時(shí)應(yīng)考慮對(duì)坡腳采取提前加固以確保結(jié)構(gòu)安全。

圖5 應(yīng)力符合屈服準(zhǔn)則的塑性區(qū)范圍

3 結(jié) 論

本文采用FLAC3D巖土數(shù)值分析軟件對(duì)土釘+錨桿復(fù)合型土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維立體模擬分析研究,考慮了基坑分步開挖對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響,從而分析和總結(jié)了支護(hù)結(jié)構(gòu)中各因素隨開挖進(jìn)行所產(chǎn)生變化規(guī)律[6-7]。

(1)坑壁水平位移的分布規(guī)律。在基坑開挖支護(hù)前期,基坑變形主要是在應(yīng)力重分布過程中產(chǎn)生的初步變形。隨開挖進(jìn)行水平變形逐漸增大,靠近開挖面的土體水平位移較大。基坑最大變形發(fā)生在約距基坑底面1/3基坑開挖深度處。土釘對(duì)土體側(cè)向變形限制作用非常明顯,土釘錨桿及土體是一個(gè)彼此相互作用的有機(jī)整體,因此在結(jié)構(gòu)分析過程中不應(yīng)將各部分簡(jiǎn)單的分開考慮。

(2)地面沉降分布規(guī)律。隨著基坑的開挖,基坑開挖影響范圍內(nèi)應(yīng)力重新分布,坑腳處應(yīng)力集中分布?；拥乇淼呢Q直位移沿遠(yuǎn)離坑壁方向呈曲線分布,每步開挖上一層土體的沉降量最大?；拥酌嫱馏w出現(xiàn)一定量的回彈。新形成的坑壁有向下移動(dòng)的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì),對(duì)卸載后的基坑底面土體產(chǎn)生擠壓作用,從而土體形成擠壓隆起現(xiàn)象。

(3)土釘及錨桿的軸拉力分布。各排土釘承受的拉力在土釘長度方向呈相似曲線分布。每一步開挖均會(huì)引起土釘拉力的一定增量,土釘每段的增量近似相同,曲線整體分布趨勢(shì)相近。土釘中間靠近土釘與面層連接的一端承受的拉力最大,向兩端方向受力逐步遞減。

(4)復(fù)合型土釘支護(hù)的應(yīng)力應(yīng)變特征。被加固土體沿潛在優(yōu)勢(shì)滑裂面上存在著滑移的趨勢(shì),對(duì)基坑底部坡腳位置的土體產(chǎn)生擠壓作用,使得基坑底面隆起變形,在基坑底部靠近坡腳位置,受力狀況比較復(fù)雜,在坡面及坡腳處均存在過去曾經(jīng)屈服單元。

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