復(fù)合土釘支護(hù)的軟土基坑開挖有限元模擬分析

俞縉,王艷芳,宋博學(xué)

(1.華僑大學(xué)巖土工程研究所,福建泉州 362021 2.江蘇省交通科學(xué)研究院,江蘇南京 210017)

復(fù)合土釘支護(hù)的軟土基坑開挖有限元模擬分析

俞縉1,王艷芳2,宋博學(xué)1

(1.華僑大學(xué)巖土工程研究所,福建泉州 362021 2.江蘇省交通科學(xué)研究院,江蘇南京 210017)

基于平面應(yīng)變假設(shè),采用自行編制的有限元程序建立數(shù)值計(jì)算模型,考察某復(fù)合土釘支護(hù)工程下的軟土基坑開挖變形性狀及土釘?shù)氖芰η闆r.結(jié)果表明,深攪樁-土釘/錨桿支護(hù)軟土基坑中,錨桿張拉力的作用對(duì)基坑水平位移及受力影響較大;復(fù)合土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)并無特別針對(duì)坑底土體隆起的加固措施,須采用考慮時(shí)空效應(yīng)的分層分塊的開挖模式,以確?？拥茁∑鹆吭诎踩刂品秶鷥?nèi).依次模擬基坑開挖前的深攪樁支護(hù)、4層土體開挖及4層土釘支護(hù)的施工全過程,模擬結(jié)果與已有的同類工程經(jīng)驗(yàn)和結(jié)果在定性方面具有一致性.

軟土基坑;復(fù)合土釘支護(hù);開挖模式;有限元模擬

土釘支護(hù)技術(shù)適合于地下水位以上或經(jīng)人工降水后的人工填土、粘性土和弱膠結(jié)砂土,開挖深度一般為5～10 m的軟土工程,已成為基坑及邊坡工程中的首選支護(hù)方案,國內(nèi)已有相關(guān)的規(guī)范[1].在軟土基坑中單純土釘支護(hù)難以奏效時(shí),宜結(jié)合其他支護(hù)形式形成復(fù)合土釘支護(hù)(土釘-攪拌樁、錨桿-土釘、攪拌樁-土釘/錨桿支護(hù)等[2]).工程界已有不少復(fù)合土釘支護(hù)的工作性能及設(shè)計(jì)分析經(jīng)驗(yàn)[3-4],但與之配套的成熟有效的數(shù)值分析還不多見.本文采用自行編制的平面應(yīng)變有限元程序,依托某軟土地區(qū)復(fù)合土釘支護(hù)基坑開挖工程,建立計(jì)算模型來考察基坑變形性狀及土釘受力情況.

1 基坑復(fù)合土釘支護(hù)概況

某軟土基坑工程開挖深度約5 m左右,平面尺寸約120 m×120 m.場地工程地質(zhì)條件,如表1所示.表1中:hg為土層厚度;c為粘聚力;φ為摩擦角.

表1 場地工程地質(zhì)條件Tab.1 In-situ geological condition

此外,第3層的地基承載力80 k Pa;第4層的地基承載力為60 k Pa,室內(nèi)滲透試驗(yàn)所得的平均滲透系數(shù)Kv=0.029 4μm·s-1,Kh=0.146μm·s-1;第5層的地基承載力80 kPa.場地地下穩(wěn)定水位在地下0.4 m處,補(bǔ)水來源主要為大氣降水.

針對(duì)場地內(nèi)以軟土為主的地質(zhì)條件,基坑西側(cè)和北側(cè)采用放坡+深層攪拌樁支護(hù),南側(cè)和東側(cè)采用深攪樁+土釘/錨桿支護(hù),其布置形式如圖1所示.深攪樁樁長為9.5 m,土釘布置參數(shù)如表2所示.表2中:h為埋設(shè)深度,d為水平間距,D為孔徑,l為土釘長度,F為預(yù)應(yīng)力值.

整個(gè)基坑外圍采用雙排雙頭深層攪拌樁全封閉止水帷幕,用明溝加集水井疏干坑內(nèi)水,并于坑頂布置截水溝排水系統(tǒng).

表2 基坑土釘/錨桿布置參數(shù)Tab.2 Parameters of soil nailing and ancho r rod

圖1 軟土基坑復(fù)合土釘布置示意圖(單位:mm)Fig.1 A rrangement of composite soil nailing suppo rt in pit(unit:mm)

2 有限元計(jì)算模式

采用自編的平面應(yīng)變有限元(FEM)計(jì)算程序,對(duì)基坑支護(hù)和開挖進(jìn)行數(shù)值模擬.首先進(jìn)行開挖前初始地應(yīng)力場的模擬,再分步驟進(jìn)行復(fù)合土釘支護(hù)與土體開挖條件下,基坑位移及支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況計(jì)算.

2.1 基本假定和單元設(shè)置

土體是半無限體,但作為有限元的計(jì)算域是有界的.基于平面應(yīng)變假設(shè)條件,利用對(duì)稱性,同時(shí)結(jié)合有限元原理及以往基坑工程經(jīng)驗(yàn),水平方向計(jì)算域取80 m,豎直方向取40 m,共劃分1 974個(gè)網(wǎng)格.采用4結(jié)點(diǎn)矩形等參單元,并設(shè)置有次結(jié)點(diǎn),結(jié)點(diǎn)數(shù)為6 106,基坑右端、土釘支護(hù)的一側(cè)設(shè)置無限單元,有限元網(wǎng)格如圖2所示.由于采用明溝加集水井疏干坑內(nèi)水且在坑頂作好排水系統(tǒng),故在進(jìn)行基坑穩(wěn)定變形分析時(shí)不考慮水對(duì)土體性質(zhì)的影響,土層按不排水條件設(shè)置.

圖2 基坑開挖有限元分析網(wǎng)格圖Fig.2 FEM analysis diagram of excavation pit

2.2 土體初始及開挖后應(yīng)力場模擬原理

基坑開挖前土體在自重作用下處于受力變形狀態(tài),已存在初始應(yīng)力[5].若不計(jì)構(gòu)造應(yīng)力,在地面平整且無不均勻荷載情況下,初始應(yīng)力等于土體自重應(yīng)力.初始應(yīng)力采用靜力有限元法預(yù)先獲得式(1)中:i為土層號(hào);μi為土層泊松比;γi為土層容重;y為從自然地面到第i層土的深度.

設(shè)開挖前計(jì)算域?yàn)棣?,開挖后計(jì)算域?yàn)棣?應(yīng)力場為σ,作用在該計(jì)算域上的體力為p,邊界S上的面力為t.由于開挖引起了初始應(yīng)力及位移的變化,即產(chǎn)生了擾動(dòng)應(yīng)力場Δσ和位移場Δδ.

根據(jù)應(yīng)力變化歷史,有

利用虛功原理,可建立有限元平衡方程為

式(3)中:BT為應(yīng)變矩陣;NT為形函數(shù)矩陣.將式(2)代入式(3),可得

為計(jì)算方便,將式(5)簡化為

式(6)表示土體開挖后,周邊應(yīng)力解除,體系處于不平衡應(yīng)力狀態(tài),會(huì)使應(yīng)力出現(xiàn)重新分布,即產(chǎn)生新的應(yīng)力場與位移場.進(jìn)行基坑開挖土體變形分析時(shí),事先進(jìn)行計(jì)算域初始應(yīng)力場的分析;然后,在后面的開挖分析中,將初始應(yīng)力場數(shù)據(jù)導(dǎo)入開挖荷載變形分析,從而實(shí)現(xiàn)開挖土體的卸載模擬及計(jì)算域內(nèi)土體變形和土釘受力情況分析.

2.3 計(jì)算步驟的設(shè)定

設(shè)計(jì)中土體分4層開挖,土釘支護(hù)亦分4層,其中第2排土釘在施工完成后進(jìn)行張拉以施加預(yù)應(yīng)力.為準(zhǔn)確模擬基坑復(fù)合土釘支護(hù)及土層開挖的全過程,按施工順序設(shè)置如下9個(gè)計(jì)算步驟.

(1)打入深攪樁,設(shè)置于水平向40 m處,樁長為9.5 m,設(shè)置為結(jié)構(gòu)單元,單元數(shù)為17個(gè),含有35個(gè)結(jié)點(diǎn).(2)開挖0～1.8 m的土體,并打入第1層土釘,土釘長度為9.0 m,傾角為15°.(3)開挖1.8～2.6 m的土體.(4)打入第2層土釘,土釘長度為12.0 m,傾角為20°,并設(shè)置預(yù)應(yīng)力值90 kN,鎖定值為70 kN.(5)開挖2.6～3.6 m的土體.(6)打入第3層土釘,土釘長度為12.0 m,傾角為20°.(7)開挖3.6～4.6 m的土體.(8)打入第4層土釘,土釘長度為12.0 m,傾角為20°.(9)開挖4.6～4.8 m的土體.其中開挖和支護(hù)采用單元的“應(yīng)力釋放和激活”來實(shí)現(xiàn).

2.4 計(jì)算模型及參數(shù)選取

場地地質(zhì)條件以軟土為主,而軟土具有顯著的非線性變形特性.因此,各土層采用土力學(xué)中經(jīng)典的,且參數(shù)易于獲得的Duncan-Chang彈性非線性本構(gòu)模型模擬,并結(jié)合土樣室內(nèi)三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果.各層土體模型參數(shù)取值,如表3所示.

表3 地基土層物理力學(xué)性質(zhì)計(jì)算參數(shù)Tab.3 Mechanical propertiesof soil

設(shè)計(jì)中,錨桿土釘墻水平間距為1 000 mm×1 000 mm,上下排梅花形錯(cuò)開布置,土釘采用二次注漿工藝施工,成孔困難時(shí)改用錨管.噴射混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C20,厚度為10 cm.超前支護(hù)的深攪樁直徑為700 mm,樁間距為1 000 mm,樁長為9.5 m,水泥摻入比為15%.

計(jì)算中,土釘及其預(yù)應(yīng)力采用軟件自帶的“土釘”單元模擬,計(jì)算參數(shù)[6]:橫截面積為0.017 66 m2,彈性模量為30 GPa,拉伸屈服力為0.22 MN,粘結(jié)力為0.32 MN·m-1,水泥漿粘結(jié)剛度為6.0 M Pa.深攪樁和噴射混凝土面層采用梁單元模擬,深攪樁的計(jì)算參數(shù):橫截面積為0.384 65 m2,彈性模量為30 GPa,慣性矩為3.0×10-4m4;土釘墻噴射混凝土面層的計(jì)算參數(shù):橫截面積為0.017 66 m2,彈性模量為30 GPa,慣性矩為3.0×10-4m4.土釘、深攪樁及混凝土面層與土體間的接觸關(guān)系,均采用結(jié)構(gòu)與土共結(jié)點(diǎn)但材料性質(zhì)不同的連續(xù)介質(zhì)模型.

3 有限元模擬分析

3.1 基坑位移場分析

大量現(xiàn)場基坑監(jiān)測結(jié)果表明,隨著開挖深度的逐漸增加,基坑水平位移與地表沉降逐漸增大[2-4].基坑開挖完畢后,計(jì)算域內(nèi)土體水平位移場,數(shù)值模擬得到的基坑土體水平位移結(jié)果,如圖3所示.從圖3可知,坑內(nèi)方向最大水平位移發(fā)生在基坑最終開挖面附近,這與同類型復(fù)合土釘支護(hù)的軟土基坑土體變形性狀一致[7].基坑土體水平位移最大部位發(fā)生在深層攪拌樁底部,位移量約32 mm.

基坑開挖步下坑壁土體深層水平位移曲線,如圖4所示.由圖4可見,預(yù)應(yīng)力錨桿在基坑土體變形中的作用突出,較好地控制了坑壁土體側(cè)向變形.基坑水平位移最大值發(fā)生在基坑最終開挖面附近(約為35.4 mm).基坑開挖面以下土體也有一定程度的水平位移,這與軟土地區(qū)基坑開挖時(shí)被動(dòng)區(qū)土體具有向主動(dòng)區(qū)移動(dòng)的趨勢有關(guān).各開挖步下坑底土體的隆起位移變化曲線圖,如圖5所示.

最后一個(gè)開挖步,坑底最終隆起量約為79 mm,隆起量較大.這與復(fù)合土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)本身未特別針對(duì)坑底土體進(jìn)行加固有關(guān).在實(shí)際開挖過程中,采用了考慮時(shí)空效應(yīng)的分層分塊的抽條開挖模式,以確?？拥茁∑鹆吭诎踩刂品秶鷥?nèi).

圖3 基坑開挖完畢后土體位移場(單位:m)Fig.3 Deformation field after pit excavation(unit:m)

圖4 基坑坑壁土體深層位移圖Fig.4 Deformation of pit sidewall

圖5 基坑坑底土體隆起曲線圖Fig.5 Curve of uplift deformation of pit

3.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力場分析

支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力場分析,主要是研究第2層支護(hù)預(yù)應(yīng)力錨桿的軸力變化過程.在開挖步4,5,7,9下,第2層錨桿軸力變化曲線,如圖6所示.圖6中,橫軸距離表示自開挖面向加固端的延伸距離.分析時(shí),默認(rèn)軸力在一個(gè)有限單元內(nèi)是恒定的,所以軸力分布曲線是折線式變化,軸力逐漸從固結(jié)端傳遞到末端.由圖6可見,隨著開挖步的進(jìn)行,錨桿軸力逐漸增大,且在土層交界面處(錨桿位置約4 m處)拉應(yīng)力變化較大.表明,錨桿對(duì)土體逐步開挖起到了支護(hù)作用.

在基坑逐步開挖的過程中,坑內(nèi)土體作為荷載被逐漸卸掉.隨著開挖深度的增加,水泥攪拌樁所受坑內(nèi)外壓力差增加,攪拌樁樁身彎矩也不斷發(fā)生變化[8].開挖步2,5,7,9下的樁身彎矩變化圖,如圖7所示.由圖7可見,無土釘支護(hù)的單純開挖下,攪拌樁彎矩零點(diǎn)位于樁身5.5 m左右,即最終開挖面以下約0.5 m處.當(dāng)有新的土釘被加入土體時(shí),彎矩圖上出現(xiàn)局部的波動(dòng),說明土釘已經(jīng)承受了一部分力.在有土釘出現(xiàn)的地方,攪拌樁的受力特性跟著改變,樁身彎矩零點(diǎn)位置得到提高,出現(xiàn)在攪拌樁約3 m左右位置.

圖6 錨桿在各開挖步下的軸力分布曲線Fig.6 A xial force distribution of ancho r rod in each excavation step

圖7 深層攪拌樁各開挖步下的彎矩分布圖Fig.7 Bending moment distribution of deep-mixing pile in each excavation step

開挖過程中,樁身最大正彎矩約為25 kN·m,發(fā)生在第2層預(yù)應(yīng)力錨桿作用的部位.說明,錨桿支護(hù)作用對(duì)攪拌樁樁身彎矩影響較大,即錨桿對(duì)基坑穩(wěn)定的貢獻(xiàn)相對(duì)較大.樁身負(fù)彎矩隨著開挖的進(jìn)行向樁底部移動(dòng),符合支護(hù)結(jié)構(gòu)共同作用的受力特點(diǎn).這些均與同類型軟土基坑復(fù)合土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)受力性狀一致[8].

4 結(jié)論

(1)對(duì)軟土基坑攪拌樁-土釘/錨桿支護(hù)及開挖工程進(jìn)行位移場、應(yīng)力場有限元模擬,計(jì)算結(jié)果與已有的同類型基坑工程監(jiān)測在定性方面及數(shù)據(jù)變化趨勢上具有一致性.這證明有限法在模擬軟土基坑復(fù)合土釘支護(hù)受力及穩(wěn)定變形方面的可行性,可為基坑工程的設(shè)計(jì)及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供參考.

(2)深攪樁-土釘/錨桿支護(hù)軟土基坑中,錨桿張拉力的作用對(duì)基坑水平向位移及受力影響較大.預(yù)應(yīng)力錨桿作用位置是基坑支護(hù)作用的關(guān)鍵層,設(shè)計(jì)時(shí)最好放在第2或第3層土體開挖面處.

(3)軟土地區(qū)進(jìn)行深基坑開挖,坑底土體隆起位移量的控制是關(guān)鍵.復(fù)合土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)并無特別針對(duì)坑底土體隆起的加固措施,因此,必須采用考慮時(shí)空效應(yīng)的分層分塊的開挖模式,以確?？拥茁∑鹆吭诎踩刂品秶鷥?nèi).

(4)已有的工程監(jiān)測數(shù)據(jù)非常有限,且土體參數(shù)也具有可變性和不確定性等特點(diǎn),因此,數(shù)值模擬的具體數(shù)值結(jié)果與實(shí)測結(jié)果還無法進(jìn)行等量綱比較.就目前的計(jì)算分析手段而言,工程師豐富的經(jīng)驗(yàn)和正確的判斷依然是巖土工程設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵.

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(責(zé)任編輯:錢筠英文審校:方德平)

FEM Simulation of Composite Soil Nailing Supported Excavation in Soft Clay Pit

YU Jin1,WANG Yan-fang2,SONGBo-xue1
(1.Institute of Geotechnical Engineering,Huaqiao University,Quanzhou 362021,China; 2.Jiangsu Transportation Research Institute,Nanjing 210017,China)

Based on plane strain hypo thesis,the pit deformation and soil nailing stress during the excavation are analyzed for the composite soil nailing supported pit in soft clay by finite element program designed by ourselves.The results show:the suspender force of anchor rod influences obviously the horizontal displacement and stress in soft clay pit with deep-mixing pile,soil nailing and anchor rod.Because there is no reinforcement measure on pit bottom to prevent soil uplift in composite soil nailing supported structure,the stratified and partitioned excavation mode considering time-space effect is suggested to control the bottom soil uplift within the safe range.The pre-set deep-mixing pile,four soil nailing layersand excavationsof the four soil layersare simulated step by step,the simulation is in qualitative agreement with the in-situ observation experience.

soft clay pit;composite soil nailing support;excavation mode;finite elementmethod

TU 472

A

1000-5013(2011)02-0212-06

2010-11-27

俞縉(1978-),男,副教授,主要從事巖土力學(xué)及基礎(chǔ)工程的研究.E-mail:bugyu0717@hqu.edu.cn.

福建省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2009J05125);華僑大學(xué)高層次引進(jìn)人才科研啟動(dòng)項(xiàng)目(08BS414);福建省泉州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2010Z81)