一種新型多盤土釘墻支護變形特性的FLAC3D分析

劉躍躍，夏紅兵，蔡海兵

(安徽理工大學 建筑與土木工程學院，安徽 淮南 230001)

土釘支護是用于基坑開挖和邊坡穩(wěn)定的一種擋土技術(shù)，當土性較好或基坑開挖深度較小時，一般采用土釘支護，這樣可取得較好的經(jīng)濟效益與支護效果[1-3]。通常采用鉆孔、置入鋼筋并沿全長注漿的方式來形成土釘，也可將較粗的角鋼或螺紋鋼筋等直接打入土中形成土釘[4]。在土層中采用土釘支護時，為了更好地提高錨固效果，往往會采取加大土釘長度、縮小土釘間距等方法[5]。

隨著擴體型錨桿[6]、裹式擴體錨桿[7]等的出現(xiàn)，通過改變錨桿的形狀，可以提高錨固效果。近年來，許多學者紛紛對擴體錨桿進行了研究，胡建林、張培文[8]和李哲[13]、劉芝欣[14]等學者的研究均表明：擴體錨桿或者擴大頭錨桿比普通錨桿的承載力平均提高20%～30%，最高可達60%；林觀茂、張麗娟等[9]進行擴大頭錨桿支護體系的數(shù)值模擬，研究表明：采用擴大頭錨桿支護時，最大水平位移僅為普通錨桿支護情況的89.94%；文獻[10]研究結(jié)果表明：在相同荷載作用下，單根多盤土錨比等截面普通錨桿的位移小了63.2%。

鑒于多盤土錨的優(yōu)點，論文將多盤土錨應用于土釘墻支護，通過FLAC3D軟件來分析研究其支護效果。

1 多盤土釘介紹

論文提出的多盤土釘，其桿體部分與等徑土釘相同，盤徑為等徑的1.5倍。土釘施工時，先鉆孔，然后利用一種擴孔工具在已鉆好的孔中擴孔[11]，插入螺紋鋼筋，灌入水泥漿或水泥砂漿，待其固化后可得到多盤土釘，如圖1所示，d為桿體段直徑，D為盤體直徑，h為錨盤厚度，s為錨盤間距。

圖1 多盤土釘示意圖

2 FLAC3D的模型建立

2.1 模型概述

依據(jù)基坑土釘支護技術(shù)規(guī)程[4]，本模型中土釘豎直與水平間距均取2 m，土體開挖時，基坑側(cè)壁為75°放坡開挖，土釘垂直打入坑壁，即土釘與水平面夾角取15°。多盤土釘共三層，每層設(shè)置8根土釘?；又ёo結(jié)構(gòu)剖面，見圖2。

圖2 基坑支護結(jié)構(gòu)的剖面

本模型中基坑開挖深度為6 m，分三次開挖，第一次開挖1.5 m，第二次開挖2.5 m，第三次開挖2 m。多盤土釘有三層，從上到下分別為：第一層多盤土釘支護，其錨頭距離坡頂1 m；第二層多盤土釘支護，其錨頭距離坡頂3 m；第三層多盤土釘支護，其錨頭距離坡頂5 m。

文獻顯示[12],基坑影響范圍大約為其開挖深度的兩倍，因此本基坑模型計算區(qū)域長為25.6 m，寬度為16 m，高度為12 m。由土釘支護規(guī)范可知，鉆孔直徑在75～150 mm[4]，因此本模擬中多盤土釘?shù)臈U體直徑d取100 mm，擴盤直徑D取為150 mm，長度L可取為5 m，錨盤厚度h取100 mm，錨盤間距s取500 mm，本次模擬采用實體單元來模擬全長錨固的等截面土釘和多盤土釘。其建模完成后土體模型如圖3所示，材料計算參數(shù)如表1所示。

圖3 土體模型

表1 土體和土釘參數(shù)表

2.2 邊界條件及基本假定

計算模型的邊界條件：模型底部邊界豎直和水平方向固定，模型兩側(cè)邊界的水平方向固定，頂部為自由邊界。

基本假定：①土體材料采用Mohr-Coulomb彈塑性準則計算；②不考慮開挖支護中產(chǎn)生的誤差以及時間對模擬的影響；③由于砂漿面層比較薄，故可忽略該面層的作用；④多盤土釘采用的是均勻、連續(xù)、各向同性的彈性體；⑤在開挖模擬支護時，需要在土體與土層之間設(shè)置接觸面，為了給實際工程提供參考，接觸面的c、φ值取土體的0.5倍，法向剛度和切向剛度取土體等效強度的10倍，其參數(shù)見表2。

表2 接觸面參數(shù)

2.3 有限差分模型模擬施工工況設(shè)置

運用FLAC3D軟件模擬施工工況時，通過空單元命令來模擬開挖。本次模擬的施工工況分為 7個，分別是初始應力平衡、第一步開挖、第一層土釘施工、第二步開挖、第二層土釘施工、第三步開挖、第三層土釘施工。

由于實際監(jiān)測是在多盤土釘支護完成后進行的，為了使模擬結(jié)果能夠更好地為實際監(jiān)測結(jié)果提供參考，模擬時每一步都應先進行位移歸零后再求解計算。本次模擬研究多盤土釘在素填土中的支護效果，為了避免模擬計算過于復雜，忽略地下水的影響。

3 模擬過程分析

3.1 多盤土釘與等截面土釘在基坑邊坡面的水平位移對比分析

本次模擬中分別通過FLAC3D命令流監(jiān)測基坑坑壁靠中間部分的水平位移，并把得到的數(shù)據(jù)繪制成水平位移曲線圖，見圖4、圖5、圖6。

圖4 第一層支護時基坑坑壁的水平位移

圖5 第二層支護時基坑坑壁水平位移

圖6 第三層支護時基坑坑壁水平位移

由圖4可知：在施加第一層多盤土釘后，坑壁的最大水平位移為1.15 mm，比等徑土釘時的位移大0.05 mm，兩者均出現(xiàn)在開挖深度的三分之二處。但同時發(fā)現(xiàn)，多盤土釘模型的支護面水平位移曲線大體位于等徑土釘?shù)纳戏?，開始呈現(xiàn)比等徑土釘位移小的趨勢。

由圖5可知：在第二次開挖后，由于施加了第二層多盤土釘，開挖深度增大，兩種模型支護下的水平位移已有較為明顯的差距，表現(xiàn)出多盤土釘支護坑壁水平位移要小于等徑土釘模型的水平位移。距離地面2.6 m位置處，兩種模型的水平位移均達到最大值，多盤土釘支護時水平位移最大值為4.11 mm，其位移減少量為20.5%，兩種模型的最大水平位移均出現(xiàn)在基坑開挖深度的約三分之二處。

由圖6可知：在第三次支護時，開挖深度進一步增大，兩種模型支護下的水平位移曲線已經(jīng)表現(xiàn)出非常明顯的差異，錨盤錨固作用更加明顯。兩種模型的支護面水平位移最大值均出現(xiàn)在中下部，即出現(xiàn)在距離地面4 m處，位于基坑開挖深度的三分之二處，此時多盤土釘支護面最大水平位移值為28.32 mm,比等徑土釘模型的最大值減小63.4%。

綜上可知：隨著基坑開挖深度的增大，多盤土釘?shù)腻^固效果逐漸顯現(xiàn)，并且會逐漸優(yōu)于等徑土釘，在本次模擬中發(fā)現(xiàn)基坑在最后一步開挖時多盤土釘支護下坑壁的水平位移值要遠小于等徑土釘?shù)乃轿灰浦?，且最大位移減少63.4%。這兩種模型支護下水平位移最大值發(fā)生在支護面中部偏下位置，位于開挖深度的三分之二處，最小值都出現(xiàn)在基坑坑底處。

3.2 多盤土釘與等徑土釘?shù)目觾?nèi)土體隆起量對比分析

本次模擬中通過設(shè)置命令流分別監(jiān)測兩種模型最后一層支護時的坑底土體單元的靠中間部分的隆起量，并通過繪圖軟件把其繪制成曲線圖，如圖7所示。

由圖7可知：兩種模型的坑底隆起曲線變化趨勢基本相同，都是先增大后減小；坑內(nèi)土體在距坑底三分之一處，兩種模型下土體隆起量均達到最大值，為4.33 mm；兩種模型下的坑內(nèi)土體位移曲線基本重合，由此看出，多盤土錨對控制坑內(nèi)土體的隆起量沒有明顯效果。

圖7 第三層支護時基坑內(nèi)土體隆起量

3.3 多盤土釘與等徑土釘?shù)目油獾乇沓两祵Ρ确治?/h3>

對兩種模型支護下坑外地表沉降進行對比分析，本次模擬分別在土體單元的靠中間部位設(shè)置一系列監(jiān)測點來監(jiān)測地表沉降量，并把其繪制成曲線圖，見圖8。

圖8 第三次開挖時坑外地表沉降量

由圖8可知：兩種模型在坑頂邊緣處時，地表沉降量較大；隨著遠離坑頂，其沉降量逐漸減小。這是因為土體的開挖會引起坑外土體向坑內(nèi)移動，但隨著遠離坑頂，這種影響會逐漸變小。多盤土釘模型下的坑外地表沉降圖幾乎一直在等截面土釘?shù)纳戏?，可以看出多盤土釘對坑外地表沉降的控制要優(yōu)于等徑土釘。多盤土釘模型下的坑外地表沉降最大值為22.89 mm，而等徑土釘模型下的沉降最大值為67.95 mm，即多盤土釘模型下的地表沉降最大值減少66.3%。

4 結(jié)論

(1)用多盤土釘支護，支護面的水平位移比普通土釘支護最大可減少63.4%，并且水平位移最大值均出現(xiàn)在支護面中部偏下位置，位于開挖深度的三分之二處，最小值出現(xiàn)在坑底處。

(2)多盤土釘支護和等徑土釘支護一樣，隆起量都呈先增大后減小的趨勢，兩者曲線圖基本重合，表明多盤土釘對控制坑內(nèi)土體隆起的作用效果不明顯。

(3)多盤土釘和等徑土釘?shù)目油獾乇沓两底畲笾稻霈F(xiàn)在坑頂邊緣處，多盤土釘支護下的沉降量最大值比等徑土釘減少66.3%，隨著與坑頂邊緣距離的增大，沉降量逐漸減小，最后趨于平緩。