黃土基坑復合型土釘支護計算和施工分析

宋 書

1 工程概況

某工程根據巖土工程勘察報告,擬建場地內地層結構及巖土特性見表1。

表1 設計基本參數

基坑開挖深度為11.0 m,邊坡設計坡度1∶0.1,設6層土釘,土釘布置方式為梅花形。在-6.0 m處設1道預應力錨桿,以減小基坑的水平位移,保證鄰近高層建筑的安全和穩定。土釘間距為1.5 m,傾角為15°;錨桿采用 2φ8鋼筋,長 18 m(其中自由段長10 m,錨固段長8 m),施加預應力150 k N。

2 基本假定和材料參數

2.1 基本假定

簡化計算,在對復合土釘支護進行數值分析時,作以下假定:1)考慮到除基坑坑角外,同一側邊同一深度處相鄰土釘的受力和變形基本相同,認為復合土釘支護的計算可簡化為二維平面應變問題。2)土釘、錨桿及其輔助加固材料假定為彈性材料。3)土體假定為彈塑性體。

2.2 計算簡圖

工程實踐表明,基坑開挖的影響寬度約為開挖深度的3倍～4倍,影響深度約為開挖深度的2倍～3倍。本例取有限元分析模型的總長度為50 m,總高度30 m,坡面的坡度取1∶0.1。模型左右邊界設定X方向的位移為零,允許 Y方向的變形;底邊界在X方向和Y方向位移均為零;上邊界為自由面。初始地應力場為自重應力場,重力荷載加速度為9.8 m/s2。

2.3 材料參數

由于土體在一定范圍內分布的不均勻性,不便于進行數值計算,土體參數取計算范圍內各土層C,φ值的平均值。土釘與錨桿錨固段由鋼筋及其外部包裹的水泥漿組成,水泥漿緊緊包裹在鋼筋外部,并與土體呈犬牙狀咬合。為準確模擬土釘及錨桿錨固段的力學行為,并適當簡化有限元分析過程,將鋼筋與水泥漿體視為復合材料,采用整體式模型,其彈性模量由鋼筋與水泥漿體的彈性模量按面積折算。各種材料的幾何及力學參數如下:

土:C=28 k Pa,φ=18°,土體重度 γ=18 k N/m3,變形模量E0=1.8×107Pa,泊松比 μ=0.3。土釘:直徑 0.11 m,截面積為0.009 498 5 m2,慣性矩1.832 4×10-6m4,等效彈性模量 Eeq=2×1010Pa,泊松比 μ=0.3。錨桿:自由段截面積5.086 8×10-4m2,慣性矩1.030 077×10-8m4,彈性模量 Es=2×10-11Pa。錨固段截面積為0.017 662 5×10-4m2,慣性矩2.483 789×10-5m4,等效彈性模量 Eeq=2.03×1010Pa。泊松比均取 μ=0.3。面層:截面積0.1 m2,慣性矩8.333 33×10-5m4,等效彈性模量 Eeq=2.1×1010Pa,泊松比 μ=0.3。

界面摩阻力:根據文獻等的研究結果,釘土界面、錨土界面摩阻力值取60 k Pa。

3 非線性有限元分析

3.1 土體的破壞準則

ANSYS有限元程序采用外接圓D-P準則。但在計算安全系數時,一般多采用Mohr-Coulomb準則。為使所得安全系數具有一定的可比性,文中運用ANSYS有限元分析軟件計算所得的安全系數,均轉換為Mohr-Coulomb準則條件下的安全系數。

3.2 有限元模型

1)如何選取單元。8節點單元Plane82由于其一致的位移形狀函數的特性,所以它能有非常好的適應曲線邊界的效果,這種特性在四邊形和三角形的混合網格中會有很好的準確度,也可以適應很多不規則的形狀,同時還能保證精確性。因此,工程的土體選擇Plane82單元模擬是非常合適的,在具體的計算中,把土體的受拉作為重要的考慮因素,對于其土釘以及錨桿的抗彎抗剪等因素忽略不計,同時以Link1單元來模擬土釘和錨桿,單軸單元Beam3單元由于其良好的柔韌性在面板選擇時作為第一選擇,每個節點有3個自由度,換句話說就是以 X軸,Y軸位移和圍繞Z軸位移。2)如何劃分網格。網格的劃分對最后數值精確度的影響有著重要的作用,如果失誤會直接導致數據的失真。在實踐中,我們通常認為網格花費的密集度和計算數值的準確度有正相關的聯系,但密集的劃分會導致工作量的增大,因此,在實踐中要兼顧準確度和時間的計算能力。

在案例中,我們采用了部分網格加密的措施,對網格區域首先進行歸類,對那些計算結果和數據值要求高的部分網格進行加密計算,其他的部分采取相對較疏的網格。因此,在開始進行建模工作時我們首先要做的就是對這些關鍵點的設置進行確定,在確定關鍵點后根據關鍵點的位置劃分關鍵區域,然后根據這些區域對數據精確度的要求,來控制線條的長度和位置,在土釘等接觸部位設置接觸單元以此模擬接觸面上的數據。

3.3 施工過程的模擬

1)模擬開挖和支護的施工。從黃土基坑支護的施工過程中我們會發現,在基坑支護部分承擔著重要作用的荷載是一個動態的增加的過程,它會隨著工程的進度而改變并逐步增加,因此,在對這個過程施工的模擬要考慮到實際的施工狀況,在模擬軟件中,這樣的模擬過程是通過單元的存在或者消亡來實現的。舉例來說,假如在模擬軟件中加入或者刪減材料,軟件就會提示單元是處在存在還是消亡的狀態。在案例中,我們在進行上述過程的模擬時采取了倒敘的方式,首先讓土釘等單元處在“死亡”的狀態,隨著工程的進度,逐步將這些單位激活,這樣的過程稱為“接觸問題”。2)對錨桿預應力的模擬。等效降溫法由于其在不涉及熱分析結構中有很好的精確度,因此在實踐中很常用。它的原理是通過對各向異性溫度應變系數的設置,同時推算應力—應變關系,在設定的溫度差條件下就可以獲得我們需要的錨桿預應力產生的各種情況。

4 計算結果

1)在軟件中點擊“Newton-Raphson”選項。

2)讓“Newton-Raphson”迭代方法使用在所有的增量步驟中。

如圖1所示,案例工程基坑的最大位移為17.3 mm,安全系數1.437。

案例工程經過75 d的施工日期。在施工過程的基坑變形現象監控中我們發現發生位移是在基坑的北部下部,距離地面2 m處,位移量為16.55 mm,實際檢測數據和模擬數據非常的接近。

5 結語

1)作為一種新型的技術,預應力錨桿復合土釘支護能夠將錨桿的主動和被動支護很好的糅合在一起,這種技術能夠非常好的減少和預防基坑的變形。2)黃土的特性是強度高,變性較少。在黃土的實踐中可以采用預應力錨桿復合土釘支護技術。3)有限元方法能夠很好的模擬工程實際中土體和錨桿之間的真實情況,從案例的分析數據比較結果中我們也可以證明這點,因此,我們在案例過程中建立的有限元計算模型可以推廣在實際工程應用中。

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