土釘支護(hù)下基坑土體應(yīng)力數(shù)值模擬

李鐵軍 魏路 肖永紅

基坑開挖模擬

利用FLAC程序可以模擬開挖支護(hù)金過(guò)程，得到基坑邊坡土體的位移場(chǎng)，應(yīng)力場(chǎng)，支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力以及特征點(diǎn)的位移發(fā)展趨勢(shì)等系列圖形，為基坑設(shè)計(jì)和施工提供幫助。

1基坑支護(hù)模型的建立

1.1計(jì)算單元的建立

在土釘支護(hù)的數(shù)值分析中，一般可以采用兩類原則：(1)視支護(hù)體系中的土釘和被加固土體為一復(fù)合體，適當(dāng)提高土體的強(qiáng)度指標(biāo)(c，j)，以此計(jì)人土釘?shù)难a(bǔ)強(qiáng)作用進(jìn)行分析；(2)土體采用平面單元，土釘則采用錨索cable單元(不考慮土釘?shù)膹澕糇饔?，選擇恰當(dāng)?shù)钠茐哪Ｊ剑唇?jīng)典土力學(xué)理論進(jìn)行分析。本文的數(shù)值分析采用第二類原則進(jìn)行。

根據(jù)基坑的實(shí)際開挖范圍，由對(duì)稱性取基坑中線一側(cè)的區(qū)域作為計(jì)算域。單元?jiǎng)澐志鹊拇旨?xì)及計(jì)算范圍的選取對(duì)計(jì)算精度都有一定影響。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，受開挖影響的深度及水平寬度約為基坑深度的2倍左右。本例基坑深度為10m，選取的計(jì)算域?yàn)殚L(zhǎng)20m，高22m的矩形區(qū)域。計(jì)算中采用四邊形四節(jié)點(diǎn)等參單元。計(jì)算域內(nèi)共分為40×44=1760個(gè)單元，土體單元大小為0.5m。土釘采用cable單元，面層采用beam單元。FLAC中所有數(shù)據(jù)和結(jié)果都用SI單位制。首先加重力形成重力場(chǎng)，然后開挖支護(hù)。

1.2模型的確定和計(jì)算參數(shù)的選取

由于土體屬于松散介質(zhì)，受力后顆粒之間的位置調(diào)整在卸荷以后不能恢復(fù)，形成較大的塑性變形，因此，計(jì)算采用理想彈塑性本構(gòu)模型。本基坑邊坡選擇M-C破壞準(zhǔn)則，并假設(shè)其為大變形。大多數(shù)關(guān)于基坑穩(wěn)定性分析，均以經(jīng)典土壓力理論為基礎(chǔ)，而經(jīng)典土壓力理論是針對(duì)擋土墻這類平面應(yīng)變問(wèn)題而言的。由于本文所選擇的典型斷面位于基坑長(zhǎng)邊(約53m)的中部，因此不考慮基坑的空間效應(yīng)，將其作為平面應(yīng)變問(wèn)題進(jìn)行穩(wěn)定性分析是較為合理的。

面層和土釘為彈性材料。根據(jù)設(shè)計(jì)查相關(guān)規(guī)范，得到表1所示計(jì)算參數(shù)。

1.3基坑邊界條件和分步開挖模擬

模型兩側(cè)限制水平方向移動(dòng)，模型底面限制水平及垂直方向移動(dòng)。FLAC程序采用空單元模擬開挖土體，并在每次開挖后自動(dòng)生成等效釋放荷載。基坑底部及邊坡土體在開挖時(shí)的力學(xué)狀態(tài)變化，視為原始應(yīng)力場(chǎng)是由土體開挖而應(yīng)力釋放所起。

土釘支護(hù)工程。根據(jù)分步施工工藝，將開挖和支護(hù)深度作為本步模擬的計(jì)算深度。結(jié)合本工程復(fù)合加固土釘支護(hù)的實(shí)際開挖過(guò)程，整個(gè)工程可分為以下8個(gè)工序。

工序1為基坑開挖至地表下2.0m處(開挖厚度2.0m)，打土釘、噴射面層；

工序2為基坑開挖至地表下3.5m處(開挖厚度1，5m)，打土釘、噴射面層；

工序3為基坑開挖至地表下5，0m處(開挖厚度1.5m)，打土釘、噴射面層；

工序4為基坑開挖至地表下6.5m處(開挖厚度1.5m)，打土釘、噴射面層；

工序5為基坑開挖至地表下8.0m處(開挖厚度1.5m)，打土釘、噴射面層。

工序6為基坑開挖至地表下10.0m處(開挖厚度2.0m)，打土釘、噴射面層。

2模擬結(jié)果分析

2.1土體最大主應(yīng)力分析

圖1顯示開挖完畢后的土體最大主應(yīng)力狀態(tài)模擬結(jié)果。從圖中可以看出以下幾點(diǎn)。

(1)土體中的最大主應(yīng)力從上到下呈均勻遞增的規(guī)律，且方向均為向下，符合穩(wěn)定土體中應(yīng)力分布規(guī)律。

(2)在土釘支護(hù)范圍內(nèi)靠近開挖面處，土體的應(yīng)力較其范圍外的應(yīng)力水平有一定的降低。說(shuō)明支護(hù)結(jié)構(gòu)由于其剛度遠(yuǎn)大干土體，分擔(dān)了大部分的荷載，使周圍土體的應(yīng)力轉(zhuǎn)移到支護(hù)結(jié)構(gòu)上。同時(shí)，土釘還發(fā)揮其應(yīng)力擴(kuò)散和傳遞的作用，改善了土體內(nèi)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，從而制約了土體的變形，且使土體的破壞面遠(yuǎn)離支護(hù)邊緣。

2.2主應(yīng)力矢量分析

圖2顯示開挖完畢后的土體主應(yīng)力矢量模擬結(jié)果。從圖中可以看出：在基坑坡腳處，土體中應(yīng)力分布較密集，而土釘支護(hù)區(qū)范圍內(nèi)土體應(yīng)力分布水平較低，這說(shuō)明土釘承擔(dān)了大部分荷載，使得土俸承受較低的應(yīng)力，土釘發(fā)揮應(yīng)力擴(kuò)散和傳遞的作用，改善了土體內(nèi)應(yīng)力較集中的狀態(tài)。由于土釘?shù)膹椥阅Ａ窟h(yuǎn)大于土體的彈性模量，在土體發(fā)生變形的情況下，土體的應(yīng)變大干土釘體的應(yīng)變，土釘與土體的相互作用在界面上產(chǎn)生摩阻力，使土釘受拉，在土釘中產(chǎn)生拉力，而使土體的側(cè)向應(yīng)力也相應(yīng)增大，在一定程度土補(bǔ)償了由于土體開挖卸載引起的側(cè)向應(yīng)力的減小，即相當(dāng)于在土體原有的應(yīng)力基礎(chǔ)上增加了一個(gè)側(cè)向壓力，使得土體的強(qiáng)度提高，從而制約了土體的變形，且使得土體的破壞面遠(yuǎn)離支護(hù)邊緣，保證了基坑邊坡的穩(wěn)定性。

2.3土體剪應(yīng)力分布

圖3顯示開挖完畢后的土體剪應(yīng)力矢量模擬結(jié)果。從圖中可以看出：

土體剪應(yīng)力分布圖中顯示，在土釘作用處及坡腳處有剪應(yīng)力集中區(qū)，其中，坡腳處的剪應(yīng)力集中現(xiàn)象較為嚴(yán)重，可以看出坡腳土體最易處于屈服狀態(tài)。

2.4塑性屈服區(qū)

圖4顯示開挖完畢后的土體主應(yīng)力矢量模擬結(jié)果。從圖中可以看出：

支護(hù)土體內(nèi)部目前還沒(méi)有產(chǎn)生了較明顯的剪切塑性屈服區(qū)，但是坡腳和上排土釘遠(yuǎn)離面層端部的土體出現(xiàn)了一定的剪切塑性屈服區(qū)，說(shuō)明此處還是有可能出現(xiàn)初步破壞狀態(tài)。因此，基坑的坡腳處是破壞的危險(xiǎn)區(qū)域，在支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工中必須予以重點(diǎn)關(guān)注，嚴(yán)禁基坑的超挖，及時(shí)進(jìn)行支護(hù)。

3結(jié)語(yǔ)

(1)在土釘支護(hù)范圍內(nèi)靠近開挖面處，土釘支護(hù)由于其剛度遠(yuǎn)大于土體，分擔(dān)了大部分的荷載，使周圍土體的應(yīng)力轉(zhuǎn)移到支護(hù)結(jié)構(gòu)上。

(2)土釘與土體的相互作用在界面上產(chǎn)生摩阻力，使土釘受拉，而使土體的側(cè)向應(yīng)力也相應(yīng)增大，使得土體的強(qiáng)度提高，制約了土體的變形，且使得土體的破壞面遠(yuǎn)離支護(hù)邊緣，保證了基坑邊坡的穩(wěn)定性。

(3)基坑的坡腳處是破壞的危險(xiǎn)區(qū)域，邊坡的剪切應(yīng)力首先集中出現(xiàn)在坡腳，并形成明顯的塑性屈服區(qū)，說(shuō)明坡腳是出現(xiàn)初步破壞狀態(tài)的危險(xiǎn)區(qū)域。