土釘支護系統(tǒng)穩(wěn)定性數(shù)值模擬

PAGEPAGE14深基坑土釘支護工藝過程的有限元數(shù)值模擬賈立宏王建黨（總師辦）（北京城建集團）摘要：本文使用非線性有限元法對深基坑土釘支護過程進行數(shù)值模擬，給出土釘支護系統(tǒng)形成過程的應(yīng)力場和位移場，并對土釘在支護過程中的作用機理進行定量分析。關(guān)鍵詞：深基坑，土釘支護，有限元0.前言由于土釘支護機理較為復(fù)雜，影響因素很多，現(xiàn)場實驗和理論研究較少，因此目前人們對于土釘支護的作用機理的定量分析知之甚少。采用有限元模擬技術(shù)，無疑為研究土釘作用機理提供了另一途徑。因為有限元方法除了能在材料性質(zhì)、邊界條件、初始應(yīng)力場方面客觀反映實際現(xiàn)場情況外，還能夠較為準(zhǔn)確地模擬分步開挖和支護過程中的應(yīng)力場和應(yīng)變場的變化規(guī)律，同時有限元可以模擬基坑開挖過程中巖土體可能出現(xiàn)的破壞部位及巖土體變形破壞的發(fā)展過程，通過對無支護開挖與支護開挖過程中的應(yīng)力和應(yīng)變場變化規(guī)律的分析比較，我們就可以了解土釘?shù)淖饔盟?，從而揭示深基坑土釘支護機理的實質(zhì)。而這些都是傳統(tǒng)分析方法（極限平衡法、條分法等）所無法作到的。傳統(tǒng)分析法最大的缺點除了在基本力學(xué)理論上存在無法克服的缺陷外，它們無法給出邊坡在開挖支護過程中的整體應(yīng)力場，以及根本無法提供邊坡變形場。從本質(zhì)上傳統(tǒng)分析方法是根據(jù)邊坡破壞時形成的所謂“滑移面”進行穩(wěn)定性分析，而實際上形成這種破壞滑移面是在一定應(yīng)力場作用下產(chǎn)生的結(jié)果，并非邊坡失穩(wěn)的原因，邊坡內(nèi)在一定自然邊界條件、一定超載下所形成的應(yīng)力場才是其失穩(wěn)的原因，所以根據(jù)滑移面進行土釘支護系統(tǒng)設(shè)計從原則上講是亡羊補牢，而根據(jù)邊坡應(yīng)力場設(shè)計支護系統(tǒng)才是防患于未然。因此在在法國國家研究項目中稱之為CLOUTERREⅡ的研究中，主要的研究目的是開發(fā)一種具有實用性的以位移計算方法為基礎(chǔ)的設(shè)計方法。因此對于土釘支護邊坡機理的研究，需要建立變形分析的基礎(chǔ)上，來研究變形和破壞的基本規(guī)律。本文將根據(jù)工程實例，用有限元法土釘支護開挖工程分別進行模擬，研究應(yīng)力場和應(yīng)變場的發(fā)展變化規(guī)律，通過比較分析來研究土釘作用的機理和基本規(guī)律。1.土釘支護過程的有限元模擬方法為了模擬支護過程，在確定離散化網(wǎng)格時，必須考慮各步施工的工況特征。土釘支護過程可以簡單地描述為分步開挖—加筋支護—分步開挖的循環(huán)過程。首先是開挖原始土體，造成穩(wěn)定的初始應(yīng)力場的變化，形成次生應(yīng)力場，這種次生應(yīng)力場就是造成邊坡失穩(wěn)的原因，當(dāng)開挖深度不大時，邊坡可以保持自穩(wěn)，進行土釘?shù)摹板^固”以及噴射面層，然后進行下一步土體開挖，依次循環(huán)直至槽底。面層單元和土釘單元是在某一次支護時被生成而參與運算的，這些單元在離散化時就該考慮進去。對于土釘單元采用一維桿單元，面層單元采用板單元來模擬，支護結(jié)構(gòu)和土體間的接觸面單元采用修正了的Goodman單元。對于每一步支護，把與該步分支護所對應(yīng)的單元(開挖后已是“空單元”)重新賦給支護材料的幾何參數(shù)及力學(xué)參數(shù)。例如，對于面層施工模擬而言，將鋪設(shè)面層處對應(yīng)的開挖單元賦給鋼筋混凝土的力學(xué)參數(shù)；對于土釘，在設(shè)置土釘處增加土釘單元，并賦給其相應(yīng)的幾何參數(shù)(土釘?shù)膬A角、長度、直徑等)和力學(xué)參數(shù)(抗壓強度、彈性模量等)。把每一施工步驟的計算結(jié)果迭加，即得最終的結(jié)果。嚴(yán)格來說，土釘支護問題是一個三維問題，當(dāng)將其作為平面應(yīng)變問題來處理時，需計算土釘?shù)牡刃Юψ饔煤徒佑|面積。在此，本文采用文獻[1]中的方法，認(rèn)為土釘?shù)牡刃Юψ饔玫扔趩挝恢ёo寬度(單位“墻體”寬度)土釘?shù)睦Γ玲數(shù)慕佑|面面積為。其中，為鉆孔直徑，為土釘?shù)乃介g距，為土釘?shù)拈L度。在一般的有限元計算中，常認(rèn)為支護彈性模量為常量，這對于噴射混凝土來說，可能會得出與實際不符，甚至是荒謬的支護荷載和位移。眾所周知，噴射混凝土的彈性模量，隨齡期不斷變化，一般在齡期28天以后才逐漸趨于穩(wěn)定。由于土釘施工速度快，工期短，噴射混凝土在竣工前強度一般都不能達到穩(wěn)定，因此當(dāng)緊跟開挖面進行土釘注漿及噴射面層支護時，就必須考慮彈性模量變化對計算結(jié)果的影響。對于土釘支護技術(shù)中的分步開挖和支護這一特殊情況，應(yīng)根據(jù)不同時間，由彈性模量與齡期的關(guān)系，給出相應(yīng)支護步驟中的彈性模量?；炷笼g期與彈模的關(guān)系如下表所示[2]：表1：混凝土齡期與彈模關(guān)系表齡期(天)1235710142128200#混凝土土(GPa))0.756.237.5811.9212.0118.0020.1023.9027.90300#混凝土土(GPa)2.809.0010.7413.5020.1024.0024.0030.3033.01回歸方程200#300#2工程實例計算結(jié)果2.1工程概況北京某商貿(mào)大廈工程位于北京市海淀區(qū)北太平莊北路，場地主要以第四紀(jì)粘性土、砂類土、碎石土為主，根據(jù)鉆探揭露，場地地層由上而下依次分別為：①填土層，厚1.50～2.50m，層底深1.5～3.50m，可塑，稍濕，稍密～中密；②粘質(zhì)粉土層，厚2.40～4.60m，層底深度5.70～6.50m，黃褐色，可塑～硬塑，濕～飽和：③重粉質(zhì)粘土層，厚0.90～1.90m，層底深度6.80～7.70m，軟塑，飽和；④粉質(zhì)粘土層，厚5.00～7.30m，層底深度14.00～18.30m；⑤粘質(zhì)粉土層，厚2.00～6.10m，層底深度14.00～18.30m；⑥粉質(zhì)粘土層，厚2.40～6.90m，層底深度20.40～21.40m。該基坑開挖深度起初設(shè)計為8.87m，放坡77°，采用土釘支護。共采用五層土釘支護，土釘鉆孔直徑為0.13m，土釘傾角為15°，土釘鋼筋采用Φ25的圓形截面筋；第一和第二層土釘?shù)乃介g距都為1.2m，其余各層土釘?shù)乃介g距為1.5m。各土釘層間的垂直間距為1.5m，土釘注漿漿液采用水灰比為0.45～0.5的水泥漿。支護面層采用間距為250mm，直徑為6mm的鋼筋做成面網(wǎng)，其上噴射強度等級為C20的混凝土10cm。5層土釘?shù)牟贾们闆r如表2所示：表2土釘布置參數(shù)表土釘層號12345土釘長度(m))5.06.05.05.04.0距地面距離(mm)2.03.55.06.58.0由于后來甲方要求將基坑深度增至10.37m，而原支護方案沒有改變，因此造成超挖1.5m，再加上施工工程中未能嚴(yán)格按照設(shè)計施工，基坑開挖面開挖角度大于原設(shè)計的77°，基本成豎直開挖，局部開挖面處甚至出現(xiàn)負(fù)角度開挖。2.2單元剖分及計算區(qū)域的確定單元剖分的粗細(xì)及計算范圍的確定對計算精度都有一定程度的影響。對于軟土地區(qū)的深基坑開挖，開挖影響深度為基坑深度的1.1倍。水平影響寬度也越為基坑深度的1倍，考慮到本場地的土層條件較好，因此開挖影響范圍要比軟土地區(qū)基坑開挖的相對影響范圍小，因此本例將計算域向下延伸1.2倍開挖深度大小，向邊坡外圍同樣延伸1.2倍開挖深度?？紤]到以后開挖支護的要求，在網(wǎng)格劃分時，已考慮了土釘支護的位置和面層的位置。計算中采用四邊形四節(jié)點等參元，網(wǎng)格初始化圖如圖1所示。計算區(qū)域被剖分成572個單元，618個節(jié)點，其中5個三角形單元。2.3模型的確定和土體計算參數(shù)的選取考慮到土體的剪脹性對于土釘?shù)淖饔糜绊戄^大【6】，為了便于比較無支護開挖和支護開圖1有限元網(wǎng)格剖分及計算模型圖挖過程中應(yīng)力、應(yīng)變變化規(guī)律以及邊坡變形破壞的發(fā)展規(guī)律，在此作者選用巖土工程中常用的，能較好反映巖土體剪脹性和擴容性的Drucker-Prager破壞準(zhǔn)則。根據(jù)計算區(qū)域內(nèi)土體的物理力學(xué)性質(zhì)，可將計算區(qū)域由上到下可分為三層，第一層為填土層，厚度為2.0m，土質(zhì)較差；第二層為粉質(zhì)粘土與粘質(zhì)粉土互層土體，為鉆孔揭露的②～④層土體，該層中的各分層土體的值相當(dāng)，承載力標(biāo)準(zhǔn)值接近，因此可以劃為同一大層之內(nèi)。給層總厚度為10.5m；第三層為粉質(zhì)粘土層，較厚，超過計算區(qū)域，該層在計算區(qū)域內(nèi)的厚度為9.0m。各層土體的計算參數(shù)的選取如表3所示。表3土體參數(shù)表土層1#填土2#粉粘、粘粉層3#粉質(zhì)粘土厚度(m)2.010.59.0(kN/m3)19.519.820.5(kPa)22830(°)1030300.350.330.32(kPa)2000023000250002.4分步開挖過程描述對深基坑土釘支護工程，由于都采用分步施工的工藝，因此每一次模擬都應(yīng)將開挖和支護深度作為本步模擬的計算深度。結(jié)合本工程實際開挖過程，整個工程可分為7個工序，每一工序定義如下：工序1：基坑開挖到地表下2.0m處（開挖厚度2.0m），打土釘、噴射面層；工序2：基坑開挖到地表下3.5m處（開挖厚度2.0m），打土釘、噴射面層；工序3：基坑開挖到地表下5.0m處（開挖厚度1.5m），打土釘、噴射面層；工序4：基坑開挖到地表下6.5m處（開挖厚度1.5m），打土釘、噴射面層；工序5：基坑開挖到地表下8.0m處（開挖厚度1.5m），打土釘、噴射面層；工序6：基坑開挖到地表下8.5m處（開挖厚度0.5m），噴射面層；工序7：基坑開挖到地表下10.5m處（開挖厚度2.0m）。本文把上述各工序的開挖深度和厚度作為分步開挖模擬計算的取值依據(jù)。土釘支護中，對于土釘插筋本文采用一維桿單元，面層采用平面四邊形單元，面層結(jié)構(gòu)及土釘與土體間的接觸面采用無厚度Goodman節(jié)理單元。有限元計算參數(shù)見表4計算結(jié)果2.4.1、拉應(yīng)力區(qū)表4土釘支護有限元計算參數(shù)表土釘面層接觸面單元直徑0.025m厚度0.1m切向剛度5000kNmm-1傾角15°抗壓強度12.5×1003kPa法向剛度200kNm--1彈性模量200×1066kPa彈性模量25.5×1006kPa屈服強度310×1033kPa泊松比0.25根據(jù)圖2可以發(fā)現(xiàn)，由于土體中加入土釘，使得土體的拉應(yīng)力分布區(qū)明顯減小，并且拉應(yīng)力區(qū)的出現(xiàn)比無支護開挖晚得多，在第五步開挖后才出現(xiàn)。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因在于，加入土釘后，土釘周圍土體的應(yīng)力轉(zhuǎn)移到土釘上，土釘又將這一應(yīng)力傳遞到周圍土體中，體現(xiàn)了土釘?shù)膽?yīng)力擴散和傳遞作用，這也是土釘作用機理的一個重要方面。2.4.2、剪應(yīng)力區(qū)從圖3可以看出，土釘支護開挖的剪應(yīng)力等值線圖分布及變化規(guī)律為，在坡腳出為剪應(yīng)力集中區(qū)，隨著開挖深度的增大，剪應(yīng)力集中區(qū)的范圍增大，應(yīng)力集中程度也增大。這說明隨著基坑深度變化，土釘中剪應(yīng)力隨深度增加。在邊坡上部分，由于剪應(yīng)力較小，土釘內(nèi)可以使用截面積較小的鋼筋；邊坡靠近槽底時，由于土釘內(nèi)剪應(yīng)力逐漸增加，所以應(yīng)選用截面積大的鋼筋。2.4.3破壞區(qū)由破壞區(qū)分布演化圖來看，支護開挖時的破壞區(qū)圖與無支護開挖時明顯不同，主要表現(xiàn)為：(1)加入土釘后破壞區(qū)的位置明顯后移，分布在土釘?shù)奈捕耍庸虆^(qū)域內(nèi)的土體無破壞區(qū)的出現(xiàn)，由此可見，土釘與被加固區(qū)域內(nèi)的土體形成了復(fù)合土體，土體強度比原來有所提高；(2)土釘支護后邊坡破壞區(qū)的發(fā)展比無支護開挖時滯后。在無支護開挖中，當(dāng)開挖到5.0米時(第三步開挖之后)，填土下面的土體開始出現(xiàn)破壞，破壞區(qū)開始向下擴展延伸，而采用土釘支護開挖，當(dāng)開挖到6.5米時，填土下面的破壞區(qū)才開始出現(xiàn)破壞（圖4中的第四步開挖）。在無支護開挖中，當(dāng)開挖到第五步后，在坡腳出現(xiàn)較大面積的剪切破壞區(qū)，而對于土釘支護開挖，坡腳破壞區(qū)明顯減小。由上述分析可以看出，由于土釘支護使基坑的破壞發(fā)生滯后，因此，使用土釘支護可使邊坡開挖更深，即在相同開挖深度條件下，在邊坡中加入土釘可使邊坡的安全系數(shù)得到提高。由圖4可以看出，當(dāng)開挖到第六步時(開挖深度10.5米)，雖然在土釘后端出現(xiàn)了一定范圍的破壞區(qū)，但由于在基坑的下部無破壞區(qū)出現(xiàn)，因此此時的邊坡依然處于安全狀態(tài)。第七步開挖后，由于超挖深度比較大且在超挖區(qū)沒有采用土釘支護，此時的破壞區(qū)，無論是在水平方向上還是在豎直方向上，都比前一步分布廣泛了許多，尤其在豎直方向，破壞區(qū)基本延伸到基坑的底部，且在腳處整個超挖范圍內(nèi)，土體全部產(chǎn)生破壞。此時開挖面處的水平位移和地表的沉降量都比前一步陡增了許多，見圖7、圖8，由此可得出結(jié)論，當(dāng)開挖到第7步時，土釘支護結(jié)構(gòu)已完全失穩(wěn)破壞。圖3開挖過程剪應(yīng)力等高線圖2.4.4.位移分析土釘?shù)淖饔貌坏珳p小了開挖面的水平位移和地表的沉降變形，而且改變了開挖面處水平位移的形狀。當(dāng)基坑開挖后，由于應(yīng)力釋放，土體必然發(fā)生向開挖面方向的位移，當(dāng)加入土釘后，釘土接觸面處產(chǎn)生摩擦阻力，約束了土體的側(cè)向變形，并且側(cè)向約束作用在釘土接觸面處表現(xiàn)得最為明顯，因此土釘支護開挖面處的水平位移曲線呈現(xiàn)“鋸齒”狀。根據(jù)計算結(jié)果，基坑失穩(wěn)時，采用土釘支護的坡頂最大位移比無支護減小38厘米，地面沉降量減小13厘米。圖5(1)第二步開挖節(jié)點位移矢量圖圖5(2)第四步開挖節(jié)點位移圖圖5(3)第六步開挖節(jié)點位移矢量圖圖5邊坡開挖過程位移矢量圖2.4.4.土釘軸力分析圖6為分步開挖土釘?shù)妮S力分布圖。由圖可見，土釘軸力的分布規(guī)律與開挖過程密切相關(guān)，上部的土釘表現(xiàn)拉應(yīng)力狀態(tài)(為正)，而最下部的土釘則表現(xiàn)受壓狀態(tài)(為負(fù))，隨著開挖深度的增加，受拉土釘?shù)妮S向拉力也增大，原來處于受壓狀態(tài)的土釘變?yōu)槭芾?。這是由于開挖深度越大，開挖面附近土體的位移越大(如圖6.5)，釘土間的相對位移越大，因此釘土表面的摩擦阻力增大，從而引起土釘?shù)妮S力隨開挖深度的增加而增加。土釘軸向拉力大體上呈拋物線形狀，最大拉力點的位置也隨著開挖深度的增加而后移，在土釘長度相等的情況下，下面土釘?shù)睦Υ笥谏喜?；對非等長度土釘而言，土釘越長，其軸向應(yīng)力越大。從以上對土釘支護結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、位移和土釘內(nèi)力分析可以看出，土釘?shù)淖饔迷谟诜謸?dān)了土體部分應(yīng)力(包括拉應(yīng)力和剪應(yīng)力)，并通過應(yīng)力擴散作用將應(yīng)力傳遞到周圍土體中，減小了土體應(yīng)力集中，因此減小了土體破壞的幾率，充分發(fā)揮了周圍土體的承載力。由于土體側(cè)向約束作用，減小了基坑的變形，并且由于土釘?shù)淖饔?，使得基坑的破壞區(qū)的形成滯后于無支護開挖，因此加入土釘后，基坑能開挖得更深而不發(fā)生破壞。這就是土釘作用的機理。土釘?shù)妮S力并非象極限平衡法計算的那樣是一成不變的，而是隨開挖過程變化的，這種變化體現(xiàn)在土釘軸向內(nèi)力的性質(zhì)(受拉受壓狀態(tài))上、土釘內(nèi)力的大小上、以及土釘最大軸力位置的變化上。3.結(jié)論本文對土釘支護系統(tǒng)開挖過程進行了有限元數(shù)值模擬，詳細(xì)分析了開挖情況下