復(fù)合土釘支護(hù)的有限元分析

汪德信

(上海升固特種結(jié)構(gòu)工程有限公司，上海 200092)

復(fù)合土釘支護(hù)的有限元分析

汪德信

(上海升固特種結(jié)構(gòu)工程有限公司，上海 200092)

復(fù)合土釘支護(hù)在軟土地區(qū)深基坑支護(hù)中已得到廣泛應(yīng)用，但其設(shè)計計算理論卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足目前工程應(yīng)用的需要。借助非線性平面應(yīng)變有限元模擬方法，對復(fù)合土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)在分步開挖、分步支護(hù)過程中的變形性能進(jìn)行研究，并通過與工程實(shí)例對比驗證這一方法的合理性。最后對復(fù)合土釘支護(hù)設(shè)計提出初步看法。

深基坑支護(hù);復(fù)合土釘;軟弱地層;有限元分析

0 引言

深基坑土釘支護(hù)具有施工便捷、造價低、無污染、振動小、不占或少占工程施工主導(dǎo)工期等特點(diǎn)，在深基坑支護(hù)中得到廣泛應(yīng)用［1］。《基坑土釘支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(CESS96:97)第1.0.3條規(guī)定，土釘支護(hù)適用于有一定膠結(jié)能力和密實(shí)程度的砂土、粉土和礫石土、素填土，堅硬或硬塑的粘性土，以及風(fēng)化巖層等下列土體。不適合于軟弱地層。

工程兵工程學(xué)院與同濟(jì)大學(xué)等提出了結(jié)合止水帷幕的復(fù)合土釘支護(hù)概念［2］，張慶山、張榮［3，4］等發(fā)展復(fù)合土釘支護(hù)即利用水泥土攪拌樁帷幕等超前支護(hù)措施解決土體的自立性、隔水性以及噴射面層與土體的粘結(jié)問題，利用水平向壓密注漿及二次壓力灌漿解決土體加固及土釘抗拔力問題，以相對較深的插入深度解決坑底的隆起、管涌和滲流等問題，形成防滲帷幕、超前支護(hù)及土釘?shù)冉M成的復(fù)合型土釘支護(hù)(如圖1所示)。

圖1 復(fù)合土釘墻示意圖

南京河西地區(qū)位于長江漫灘地帶，上覆土層上部主要為沼澤相～漫灘相的飽和軟粘性土，是典型的高含水量、高壓縮性、高靈敏度的軟土地基［4］。目前，挖深＜6.0 m的淺基坑，常規(guī)的支護(hù)方案為重力式深攪樁墻，依靠支護(hù)結(jié)構(gòu)自身重力、支護(hù)結(jié)構(gòu)一定的位移來維持極限平衡狀態(tài)。這種支護(hù)方式造價較高、工期較長，同時位移不能得到有效控制，易造成周邊道路開裂、建筑物沉降。采用復(fù)合型土釘支護(hù)能解決以上問題，現(xiàn)已完成多項工程，成功率較高，取得了一定的工程經(jīng)驗［3，4］，但對其變形規(guī)律及作用機(jī)理仍研究尚少。本文擬以工程實(shí)踐為基礎(chǔ)，借助有限元方法對其作分析，并擬通過將分析結(jié)果與工程實(shí)踐作對比，得出一些對設(shè)計有用的結(jié)論。

1 復(fù)合土釘支護(hù)的有限元分析模型

1.1 基本假定

為了簡化計算，根據(jù)復(fù)合土釘支護(hù)的實(shí)際情況，我們作如下假定:

(1)除基坑坑角外，在矩形基坑長邊跨中附近，同一水平面上土釘支護(hù)的變形問題是一個平面應(yīng)變問題;

(2)土體為彈塑性體，支護(hù)結(jié)構(gòu)均假設(shè)為彈性材料;

(3)土中的孔隙水壓力保持不變。

1.2 土體單元及其材料性態(tài)模型

本文的計算采用土工有限元軟件PLAXIS進(jìn)行模擬。地層土體擬采用6－node三角形等參元模擬。土的本構(gòu)模型對計算結(jié)果有重大影響，要較好的模擬土體在工作狀態(tài)下的變形，必須選擇一個合適的本構(gòu)模型。常用的非線性彈性模型Duncan－Chang模型能夠反應(yīng)模量與應(yīng)力水平的關(guān)系，也能反應(yīng)加載模量小于卸載模量的剪切硬化規(guī)律，但是它的缺點(diǎn)是不能反應(yīng)土體在塑性階段的變形特點(diǎn)。彈塑性模型Mohr－Coulomb模型能較好的描述土體在塑性破壞階段的變形特性，缺點(diǎn)是變形模量是一個定值。因此，考慮采用Duncan－Chang模型來描述土體正常工作狀態(tài)下的變形特性，而用Mohr－Coulomb模型來描述土體在破壞階段的變形特性即采用屈服函數(shù):

塑性剪切應(yīng)變γp是屈服函數(shù)中作為硬化參數(shù)，在給定剪脹角時，它和塑性體積應(yīng)變符合如下關(guān)系:εVp=sinΨm·γp(其中Ψm是當(dāng)前應(yīng)力下的剪脹角，可據(jù)Rowe的剪脹理論由當(dāng)前摩擦角、臨界摩擦角及最大剪脹角Ψ確定)。

應(yīng)用上述模型時要注意到:(1)模量和應(yīng)力水平有關(guān)，地質(zhì)勘察報告中一般給出變形模量對應(yīng)于應(yīng)力從100 kPa到200 kPa時的割線模量，不能直接作為程序的輸入值，而應(yīng)考慮土層中的實(shí)際應(yīng)力水平，參照式(2)進(jìn)行修正，當(dāng)土層厚度較大時，應(yīng)人為地將其分為幾層避免因應(yīng)力水平差異引起的誤差;(2)一般來說，卸載模量和加載模量之間的關(guān)系因土性而異，對于砂土卸載模量可取加載模量的3～4倍，對粘性土卸載模量可取加載模量的1.5～2倍［5，6］。

1.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)單元與材料性態(tài)模型

支護(hù)結(jié)構(gòu)包括土釘、面板和輔助結(jié)構(gòu)(攪拌樁墻)。有限元分析中土釘按3－node桿單元考慮，攪拌樁墻按梁單元計算，面板因僅起護(hù)面作用而忽略其影響。

1.4 支護(hù)形成過程的模擬

復(fù)合土釘支護(hù)的形成過程復(fù)雜，細(xì)節(jié)繁多，這里考慮的主要工作有:平整場地、設(shè)置攪拌樁、坑內(nèi)降水、分層挖土、土釘注漿以及噴射混凝土面層等。分別對這些主要使用過程進(jìn)行有限元模擬:第一步，選擇土體天然自重應(yīng)力場作為初始地應(yīng)力場;第二步，激活樁單元，使其在隨后的開挖中起作用;第三步，開挖第一層土到指定深度;第四步，安裝第一排土釘，即激活第一排土釘單元，使其在下一步開挖中受力;然后重復(fù)進(jìn)行第四步的工作，直至開挖、支護(hù)到預(yù)定的基坑底面標(biāo)高。

2 實(shí)例分析

2.1 工程概況

玄武湖隧道工程東起新莊立交橋二期，穿越玄武湖、古城墻、中央路，西至模范馬路蘆席營路口。主要土層物理力學(xué)性質(zhì)如表1所示。

表1 主要土層物理力學(xué)性質(zhì)

本工程的基坑支護(hù)為復(fù)合型土釘支護(hù)。施工時先沿基坑輪廓線設(shè)置雙排水泥攪拌樁形成止水帷幕。開挖過程中共設(shè)置9排土釘，水平和垂直向間距均為1.0 m，1～7排土釘長18 m，8、9排土釘長15 m。

2.2 模型確定

土釘孔徑110 mm，傾角15°。土釘按彈性考慮，且僅考慮其受拉。經(jīng)計算取土釘抗拉剛度EA=2.5×105kN。土釘剛度為水泥漿體剛度與鋼筋剛度之和，但前者考慮開裂乘以折減系數(shù)0.8。水泥攪拌樁墻的厚度1.20 m，坑底以下嵌固深度為8 m，模量E=500 MPa。

2.3 現(xiàn)場測試概況［7］

現(xiàn)場測試是在基坑最深處選取3個試驗斷面，在測試段布置2個測斜孔斷面，每個斷面設(shè)3個測斜孔。測斜孔孔深約為基坑深度的1.5倍，已經(jīng)達(dá)到風(fēng)化巖層，可以認(rèn)為測斜管已經(jīng)深入到變形影響范圍深度下。

測試土釘布置如圖2所示。測量導(dǎo)線從各測點(diǎn)引出，并沿著邊坡坡面匯集到坡頂?shù)募€箱內(nèi)。在每根測試土釘2.0、5.0、8.0、16.0 m 處布置應(yīng)變式測力傳感器，測試土釘拉力分布。土釘?shù)闹星安總鞲衅鞑贾玫幂^密，后部布置得較疏，以便測得土釘拉力的最大值和土釘端部的受力情況，較真實(shí)地反映土釘拉力的實(shí)際分布。

圖2 基坑支護(hù)測試示意圖

2.4 數(shù)值計算結(jié)果分析

應(yīng)用有限元計算結(jié)果輸出如下。

2.4.1 基坑的變形大小及特征

由圖3可以看出，水泥土樁復(fù)合土釘支護(hù)體系受力變形特性表現(xiàn)為:開挖后樁頂位移較小，但隨著深度的增加，深部土體有較明顯的水平移動趨勢，攪拌樁墻體向基坑內(nèi)側(cè)凸起，呈“凸肚狀”。

圖3 有限元計算變形圖

隨著深度的繼續(xù)增加而逐漸減小，開挖面以下的土體也受到影響而發(fā)生位移。最大水平位移與基坑深度的比值約為3‰。而地面的變形形態(tài)則為凹下，呈“槽狀”，與施工現(xiàn)場觀察到的變形形態(tài)基本一致。

2.4.2 土釘?shù)妮S力大小及分布特征

圖4～6給出了3根測試土釘?shù)睦﹄S挖深的分布和變化情況。由圖中可以看出，土釘所受的拉力沿其整個長度呈“拋物線”型變化的。隨著挖深的增加，土釘拉力呈不均勻增長狀態(tài)。在上一層土釘設(shè)置好，進(jìn)行下一層土的開挖時，土釘拉力有突變增長。

圖4 第二排土釘拉力沿土釘延長分布

圖5 第五排土釘拉力沿土釘延長分布

圖6 第八排土釘拉力沿土釘延長分布

在施工時應(yīng)注意，施作一排土釘后，停留一段時間，或使用早強(qiáng)劑，使注漿體達(dá)到一定強(qiáng)度并與周圍土體粘結(jié)牢固后，再進(jìn)行下步開挖，這樣不但使土釘?shù)淖饔玫靡猿浞职l(fā)揮，而且保證土釘支護(hù)邊坡具有良好工作性能，并處于穩(wěn)定狀態(tài)。如果土釘設(shè)置后，還沒有起作用，就進(jìn)行下步開挖，是很危險的。

與實(shí)測資料對比，第二、五排土釘拉力大致與實(shí)測一致，但第五排土釘拉力計算結(jié)果偏大，與實(shí)測不符，有待進(jìn)一步的分析。

3 結(jié)語

要用有限元進(jìn)行數(shù)值分析，模型的選擇、參數(shù)的選取是很重要的?；娱_挖是一個特殊的問題，它屬于卸載問題，與建筑地基一類的加載問題有明顯的區(qū)別，需引起注意。復(fù)合土釘支護(hù)的變形特點(diǎn)與常規(guī)土釘有很大的不同，這已經(jīng)被工程實(shí)踐所證明。數(shù)值計算和現(xiàn)場實(shí)測均顯示擋墻最大水平位移點(diǎn)在基坑中下部分，所以施工該部位土釘時，應(yīng)特別注意。

［1］陳肇元，崔京浩.土釘支護(hù)在基坑工程中的應(yīng) 用(第二版)［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2005.

［2］李象范，徐水根.復(fù)合土釘墻的研究［J］.上海地質(zhì)，1999，(3).

［3］張慶山.軟土基坑復(fù)合土釘支護(hù)的變形特性分析與數(shù)值模擬［D］.浙江杭州:浙江工業(yè)大學(xué)，2009.

［4］張榮.復(fù)合土釘支護(hù)技術(shù)在南京河西地區(qū)基坑中的應(yīng)用［D］.江蘇南京:河海大學(xué)，2007.

［5］宋二祥，邱玥.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).

［6］楊林德，李象范，鐘正雄.復(fù)合型土釘墻的非線性有限元分析［J］.巖土工程學(xué)報，2001，23(2).

［7］張凡，段建立，譚躍虎.復(fù)合土釘支護(hù)工作性能的現(xiàn)場測試研究［J］.建筑技術(shù)，2003，34(2).

Finite Element Analysis on Composite Soil-nailing

WANG De-xin(Shenggu Special Engineering Structure Co.，Ltd，Shanghai 200092，China)

The composite soil-nailing has been wildly used in the soft soil zone，but its theory for design and calculation cannot satisfy the present project application.With the aid of the non-linear plane strain finite-element，the distortion performance of composite soil-nailing during the step-by-step excavation and supporting process was studied.Through the contrast testing with engineering examples，the rationality of this method was verified.The preliminary view to the composite soil-nailing design was proposed.

deep foundation pit support;composite soil-nailing;soft ground;finite-element analysis

TU472

A

1672－7428(2011)10－0050－03

2011－03－03;

2011－05－19

汪德信(1969－)，男(漢族)，安徽東至人，上海升固特種結(jié)構(gòu)工程有限公司國家注冊土木工程師，水文地質(zhì)與工程地質(zhì)專業(yè)，從事地基處理、基坑維護(hù)的設(shè)計與施工等工作，上海市赤峰路59弄4號503室，wdx888@online.sh.cn。