李晶晶,程祖鋒,耿立立,張蕊蕊

（1.河北工程大學(xué) 土木工程學(xué)院,河北 邯鄲 056038;2.河北工程大學(xué)資源學(xué)院,河北 邯鄲 056038）

復(fù)合土釘支護(hù)是一個(gè)三維問題,而現(xiàn)有理論和方法大都是將復(fù)合土釘簡化成平面問題來研究。在采用平面模型時(shí),土釘在垂直于計(jì)算平面方向被展開成板狀,從而明顯夸大了釘-土界面的實(shí)際面積,而且這樣展開的土釘將其上下土層完全分開[1],在這種情況下無論是否加入界面單元及界面單元的力學(xué)參數(shù)如何取值,在理論上都不能符合實(shí)際[2]。對此,伍俊等人采用數(shù)值模擬方法研究了深基坑復(fù)合土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)的三維力學(xué)特性,結(jié)果表明數(shù)值模擬方法不僅能很好的模擬復(fù)合土釘支護(hù)的問題,還能夠清晰的顯現(xiàn)出基坑開挖過程中土體與支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移場和應(yīng)力場[3-5]。

在目前眾多的數(shù)值模擬分析程序中,基于有限差分法的FLAC3D程序不僅能很好的模擬基坑的三維問題,而且能夠很好的模擬地質(zhì)材料受力作用下屈服、塑性流動(dòng)、軟化直至大變形等力學(xué)行為[6]。鑒于此,本文采用美國 Itasca Consulting Group Inc公司開發(fā)的FLAC分析軟件,對邯鄲市某基坑工程的預(yù)應(yīng)力錨索復(fù)合土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)的開挖支護(hù)施工過程進(jìn)行了模擬分析,并將模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果分析對比,進(jìn)一步揭示基坑在開挖過程中的變形特征,為基坑預(yù)應(yīng)力錨索復(fù)合土釘墻支護(hù)的設(shè)計(jì)和施工提供有意義的參考。

1 作用機(jī)理

預(yù)應(yīng)力錨索復(fù)合土釘是用于土體開挖和邊坡穩(wěn)定的一種擋土支護(hù)技術(shù),將土釘和預(yù)應(yīng)力錨索置入土體中以較密間距間隔排列,使土釘、預(yù)應(yīng)力錨索與土體共同作用形成復(fù)合支護(hù)。

預(yù)應(yīng)力錨索與土釘聯(lián)合作用時(shí),當(dāng)土體開挖后,土體滑移范圍大于土釘?shù)拈L度,此時(shí)土釘不能再加固土體,在此階段前及時(shí)置入預(yù)應(yīng)力錨索,它可以提供支護(hù)抗力,阻止土體的進(jìn)一步擾動(dòng),控制約束變形的發(fā)展,更重要的是改善了土體的應(yīng)力狀態(tài),使基坑邊坡體內(nèi)的潛在破壞區(qū)、拉張區(qū)及塑性區(qū)大大減小,延緩或阻止滑動(dòng)面的連通與出現(xiàn),從而有效的控制錨索—腰梁結(jié)構(gòu)影響范圍基坑土體變形,同時(shí)減少該范圍內(nèi)土釘?shù)妮S力負(fù)擔(dān)。在工作狀態(tài)下,土釘和預(yù)應(yīng)力錨索二者的受力狀態(tài)變化影響較小,它們能夠各自發(fā)揮作用。

2 數(shù)值模擬分析方法

三維快速拉格朗日分析是一種基于三維顯式有限差分的數(shù)值分析方法,它可以模擬巖土或其他材料的三維力學(xué)行為[7]。FLAC3D（Fast Lagrangian Anlysis of Continua 3 Dimension）是美國ITASCA公司開發(fā)的一種三維快速拉格朗日分析程序,包含了11種彈塑性材料本構(gòu)模型,以及靜力、動(dòng)力、蠕變、滲流、溫度等多種計(jì)算模式,可以模擬巖體、土體或其他材料實(shí)體等多種結(jié)構(gòu)形式,以及梁、錨元、樁、殼等人工結(jié)構(gòu)。FLAC3D采用有限差分法,記錄開挖每一時(shí)間步長下土體位移及結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài),能夠充分考慮施工過程中的時(shí)間效應(yīng);同時(shí)采用人機(jī)交互式的批命令形式,在計(jì)算過程中根據(jù)施工過程,對計(jì)算模型和參數(shù)模型進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整,達(dá)到對施工過程進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真的目的[8]。

3 案例分析

邯鄲市某基坑開挖深度為10 m,南北長約為210 m,東西寬約為148 m。該基坑位于邯鄲市叢臺(tái)路和東柳大街交叉口的東北角?；油馏w參數(shù)見表1?；又ёo(hù)方案為:東側(cè)采用土釘墻+灌注樁+錨索支護(hù);西側(cè)采用灌注樁+錨索支護(hù);北側(cè)采用土釘墻+錨索支護(hù)。依據(jù)本文的研究方向,只選擇北側(cè)支護(hù)方案進(jìn)行研究,其中土釘采用1根d=18 mm的HRB335級(jí)鋼筋,砂漿注漿,具體參數(shù)見表2;錨索采用2束d=15.2 mm的1×7鋼絞線,錨固段用砂漿注漿,具體參數(shù)見表3。實(shí)際共設(shè)置4排土釘和2排錨索,其剖面圖見圖1。

表1 土層參數(shù)Tab.1 Soil parameters

表2 土釘參數(shù)Tab.2 Parameters of soil nailing

表3 錨索參數(shù)Tab.3 Cable parameters

3.1 有限元模型的建立

本文計(jì)算模型采用長50 m、寬25 m的區(qū)域進(jìn)行模擬計(jì)算。土釘參數(shù)彈性模量E=2.50×104N/mm2,泊松比μ=0.30。錨索錨固段參數(shù)彈性模量E=3.00×104N/mm2,泊松比 μ=0.30;錨索自由段參數(shù)彈性模量E=1.95×105N/mm2,泊松比 μ=0.25。根據(jù)以上參數(shù),運(yùn)用FLAC3D編制程序,最后建立有限元模型如圖2。

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

為了監(jiān)測基坑邊坡土體水平位移的變化,在坡頂和不同深度測斜管所處的位置設(shè)置了監(jiān)測點(diǎn),通過FLAC3D中的History命令對各監(jiān)測點(diǎn)的水平位移變化情況進(jìn)行了監(jiān)測。所得監(jiān)測結(jié)果如圖3、圖4所示。

依據(jù)圖3可以發(fā)現(xiàn),預(yù)應(yīng)力錨索復(fù)合土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移變化總體呈兩邊小、中間大,最大水平位移發(fā)生在基坑邊坡的中下部,與實(shí)測結(jié)果是一致的。由圖4可知,基坑的水平位移隨著開挖深度增大而增大,但由于錨索的加入,對土體向坑內(nèi)的傾斜有一定的限制作用,從而使下部土體位移變化率減緩,出現(xiàn)向下凹的現(xiàn)象?；油馏w最大水平位移模擬值為15.49 mm,而實(shí)測值為16.24 mm,二者相差0.75 mm,模擬值非常接近實(shí)測值,證明運(yùn)用FLAC3D有限差分軟件模擬基坑水平位移的變化可以得到比較滿意的結(jié)果,而且通過模擬所得的結(jié)果可以用于指導(dǎo)施工。

為了進(jìn)一步了解預(yù)應(yīng)力錨索復(fù)合土釘支護(hù)是否優(yōu)于純土釘支護(hù),本文還以同樣的區(qū)域用FLAC3D有限差分軟件對純土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模擬,結(jié)果在土體開挖過程中土體出現(xiàn)失穩(wěn)破壞,模擬結(jié)果未能完成。由此可見,預(yù)應(yīng)力錨索復(fù)合土釘支護(hù)明顯優(yōu)于純土釘支護(hù),對基坑水平位移的控制具有良好的效果。

4 結(jié)論

1）預(yù)應(yīng)力錨索復(fù)合土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移變化呈“鼓肚”分布,且最大水平位移發(fā)生在基坑的中下部。

2）數(shù)值模擬計(jì)算得到基坑土體最大水平位移值為15.49 mm,現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果為16.24 mm,模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果基本吻合,說明FLAC3D可以為基坑支護(hù)的施工及變形提供可靠的預(yù)測值。

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[3]伍俊,鄭全平,吳祥云.復(fù)合土釘支護(hù)技術(shù)的有限元數(shù)值模擬及工程應(yīng)用[J].巖土工程學(xué)報(bào),2005,27（4）:387-392.

[4]馬露,李琰慶,蔡懷恩.FLAC3D在深基坑支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].河北工程大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2007,24（4）:35-38.

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