土釘支護(hù)加固的數(shù)值模擬分析

土釘支護(hù)加固的數(shù)值模擬分析

土壤修復(fù)是一種原位加固技術(shù)，充分發(fā)揮現(xiàn)有土壤的強(qiáng)度，對(duì)潛在的土壤擾動(dòng)進(jìn)行加固。這是一種經(jīng)濟(jì)、應(yīng)用和性能可靠的保護(hù)形式。目前,土釘支護(hù)技術(shù)設(shè)計(jì)理論和方法已相當(dāng)成熟,但將土釘支護(hù)技術(shù)應(yīng)用到路基邊坡支護(hù)工程當(dāng)中,還需進(jìn)行大量的研究工作,土釘支護(hù)理論還不完善,《規(guī)范》中的計(jì)算是基于簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)近似解,計(jì)算結(jié)果還有很多缺陷,對(duì)土釘支護(hù)的復(fù)雜受力機(jī)理還有待進(jìn)一步探索,因此,提出一種新的處理土釘與周圍土體相互作用的分析方法是一個(gè)非常值得探討的課題。1常用有限元法目前,數(shù)值計(jì)算方法有半解析法、有限差分法、有限元法、邊界單元法、離散單元法和流形元法等,其中尤以有限元法應(yīng)用最為廣泛,本研究采用有限元法。1.1土釘支護(hù)中土體的三維應(yīng)力值理論分析本文土釘?shù)谋緲?gòu)模型采用Drucker-Prager模型。模型屈服函數(shù)表達(dá)式為f=J2??√?αI1?k.(1)f=J2-αΙ1-k.(1)式中:I1為第一應(yīng)力不變量;J2為第二偏應(yīng)力不變量;α、k為試驗(yàn)常數(shù)。I1=σ1+σ2+σ3,(2)J2=16[(σ1?σ2)2+(σ2?σ3)2+(σ1?σ3)2].(3)Ι1=σ1+σ2+σ3,(2)J2=16[(σ1-σ2)2+(σ2-σ3)2+(σ1-σ3)2].(3)針對(duì)土釘支護(hù)中土體的三維應(yīng)力條件,材料常數(shù)α、k值采用α=2sin?33+sin2√?,k=6cos?3+sin2√?.(4)α=2sin?33+sin2?,k=6cos?3+sin2?.(4)根據(jù)Mises在1982年提出的塑性位勢(shì)理論,材料中任一點(diǎn)的塑性應(yīng)變?cè)隽糠较蚩偸桥c塑性勢(shì)面正交。在Druoker假設(shè)成立的條件下,按照相關(guān)聯(lián)流動(dòng)規(guī)則dλ=1A?F?σydσy.(5)dλ=1A?F?σydσy.(5)式中:dλ為確定塑性應(yīng)變?cè)隽看笮〉暮瘮?shù),F為屈服函數(shù),A為硬化參數(shù)H的函數(shù)。Druoker-Prager模型為理想彈塑性本構(gòu)模型,即初始屈服時(shí)就認(rèn)為已經(jīng)破壞,故并無硬化規(guī)律,此時(shí)A=0。1.2土釘與土體的粘結(jié)作用建立有限元模型時(shí),對(duì)于土釘?shù)?個(gè)組成部分分別采用不同單元形式。對(duì)于土體和面層采用實(shí)體單元模擬,為了保持必要的計(jì)算精度和節(jié)約計(jì)算時(shí)間與存儲(chǔ)空間,當(dāng)分析的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,可以很方便地全部劃分為六面體單元,或者絕大部分是六面體,只含有少量四面體和棱柱體時(shí)采用solid45單元,否則采用solid92單元。土釘采用三維空間梁?jiǎn)卧猙eam4模擬。模擬土釘與土體間的粘結(jié)作用采用接觸面單元contact17*系列模擬。土釘和土體之間接觸,ANSYS程序提供光滑接觸模式、粗糙接觸模式、庫(kù)侖摩擦模式以供選擇,本文采用庫(kù)侖摩擦模式,在實(shí)際工程中,釘與土間的摩擦符合此模式。1.3土體單元的應(yīng)力和變形有限元分析在建模時(shí)把所有的結(jié)構(gòu)(包括面層和土釘)都建在計(jì)算模型里,將所有單元的材料屬性全部定義為成土體,模擬未開挖的初始狀態(tài);將模型施加約束,施加重力荷載,計(jì)算土體的初始應(yīng)力;進(jìn)行第一步開挖,即“殺死”被開挖部分的土體單元,計(jì)算當(dāng)前開挖步的應(yīng)力和變形;建造土釘和面層,即將土釘單元的材料屬性由土體改為土釘屬性,將面層單元的材料屬性由土體改為面層屬性,計(jì)算此時(shí)支護(hù)體系的應(yīng)力和變形;進(jìn)行下一步開挖并重復(fù)前面工作直至最后一步開挖結(jié)束。死單元的單元荷載將為0,從而不對(duì)荷載向量生效。同樣死單元的質(zhì)量、應(yīng)變、阻尼、比熱和其他類似效果也設(shè)為零值。當(dāng)單元被激活時(shí),其剛度、質(zhì)量載荷等將恢復(fù)其原始的數(shù)值。2土體開挖模擬及參數(shù)某高速公路路基邊坡路線為隧道口路塹段,數(shù)值分析所選擇的斷面垂直開挖深度16.2m,開挖按1∶10.75放坡,模型按開挖斷面對(duì)稱去一半計(jì)算,取豎向1列土釘及其周圍土體進(jìn)行分析,模型范圍以計(jì)算結(jié)果最大限度接近現(xiàn)場(chǎng)施工情況為準(zhǔn),高為35m、寬40m。開挖模擬從上至下分8級(jí)進(jìn)行,每級(jí)標(biāo)準(zhǔn)開挖深度2m,第1級(jí)開挖深度2.2m,土釘水平與豎直間距采用1.4m,土釘傾角(與水平線夾角)10°。土釘為鉆孔注漿釘,直徑0.1m,面板為10cm厚。開挖按不排水考慮,建立土體自然狀態(tài)模型進(jìn)行初始平衡,形成開挖前土體在自重作用下的初始應(yīng)力狀態(tài)。土體參數(shù):內(nèi)聚力c=27.6kPa,內(nèi)摩擦角?=20.2°,ρ=19.8kN/m3,泊松比μ=0.38;土釘參數(shù):等效模量Eeq=3.825×104MPa,密度ρ=25kN/m3,泊松比μ=0.3;面板參數(shù):等效模量Eeq=2.6×104MPa,密度ρ=25kN/m3,泊松比μ=0.38。2.1坑頂水平位移路基開挖邊坡面板的水平位移在各開挖階段的變形均為頂部最大,且基本上隨開挖深度增大,水平位移逐漸增大,到最后一步開挖時(shí),坑頂水平位移為最大。圖1為各開挖階段距離面板不同距離土體水平位移。從圖中可發(fā)現(xiàn),最后一步開挖時(shí),距面層不同距離土體的水平位移總的變形趨勢(shì)為距面板越近的土體水平位移越大。距面板30m處的水平位移基本上接近于0;隨著開挖的進(jìn)行,在距面板相同距離處的土體水平位移逐漸增大,開挖完成時(shí)土體水平位移最大。2.2土釘開挖的深度對(duì)軸力的影響各開挖階段的土釘軸力如圖2所示。土釘軸力沿長(zhǎng)度方向分布均為兩端小中間大,雖然土釘軸力分布沿土釘長(zhǎng)度方形基本呈棗核形,但土釘前部的軸力明顯大于土釘尾部軸力。隨著開挖深度的增加,土釘?shù)妮S力隨著開挖深度的增加而增大,這是由于隨著開挖的進(jìn)行,土體卸載引起的水平荷載將逐漸增長(zhǎng),土釘更多地參加了支護(hù)工作,一起分擔(dān)大部分荷載。通過比較圖2～圖4可發(fā)現(xiàn),隨著開挖的進(jìn)行,土釘軸力點(diǎn)有向面板靠近的趨勢(shì),各開挖階段中,各層土釘軸力的最大點(diǎn)也有向面板靠近的趨勢(shì)(圖4的第12層開挖已經(jīng)較圖3的第8步開挖的最大軸力有明顯向面板靠近的趨勢(shì)),這就是邊坡潛在滑移面的位置,即土釘?shù)淖畲筝S力發(fā)生在破裂面,這一點(diǎn)與實(shí)際一致;不同深度位置上的土釘,其受到的最大拉力有很大的區(qū)別,頂部和底部的土釘受力較小,較大的土釘拉力出現(xiàn)在位于開挖深度一半前后的幾排土釘上。3路基開挖邊坡深度對(duì)土釘支護(hù)的影響1)建立了路基邊坡開挖土釘支護(hù)的數(shù)值模型,土釘和土體之間接觸采用庫(kù)侖摩擦模式模擬土釘與邊坡土體變形協(xié)調(diào)情況,分析計(jì)算并評(píng)價(jià)等長(zhǎng)土釘支護(hù)加固的效果與可行性。2)路基開挖邊坡水平位移隨路基開挖深度的增加而增大,土釘支護(hù)最大水平位移發(fā)生在路基開挖邊坡頂部;土釘系統(tǒng)發(fā)揮了整體加固土體和增強(qiáng)土體剛度的作用,并抑制了土體位移的發(fā)展。3)土釘軸力隨路基開挖邊坡深度的增加而增大,軸力沿土釘長(zhǎng)度方向分布不均勻,分布形狀為沿土釘長(zhǎng)度呈中間大兩端小的棗核形。沿長(zhǎng)度方向,越靠近土釘尾部,土釘軸力越小。就各層