小剛度門式剛架型鋼勁性水泥土支護結構有限元分析

何培玲 (南京林業大學土木工程學院,江蘇南京21 0037;南京工程學院建筑工程學院,江蘇南京21 11 67)

羅想華 (長江大學城市建設學院,湖北荊州434023)

楊 平 (南京林業大學土木工程學院,江蘇南京21 0037)

近幾年來,由于基坑支護理論研究的逐步深入和深層攪拌法施工技術不斷完善,型鋼水泥土組合結構共同作用機理逐漸被認識,從而形成小剛度勁性水泥土擋墻圍護結構。借鑒門架式雙排樁原理,采用雙排型鋼且頂部橫梁與型鋼構成剛性連接[1],進一步形成門式剛架結構 (見圖1),其受力狀態的優勢將更加突出。這樣就產生了一種新型的支護結構,即小剛度門式剛架型鋼勁性水泥土擋墻結構。型鋼勁性水泥土材料由水泥土和型鋼材料組合而成,其中水泥土的抗拉強度較低,而鋼材的抗拉強度較高,許多支護結構在受力初期型鋼尚未屈服的情況下就已經開裂,進入了非線性狀態下工作,用彈性分析方法計算結構內力和變形的結果不能反映結構的實際工作狀態[2]。對于比較復雜的支護結構,材料的非線性和幾何非線性同時存在,使得分析難度更大,因而對型鋼勁性水泥土材料圍護結構的非線性分析越來越受到研究者的關注。為此,筆者運用有限單元法對小剛度門式剛架型鋼勁性水泥土支護結構進行了分析。

圖1 門式剛架結構形式

1 有限元模型的建立

1.1 計算模型

該模型涉及小型工字鋼、水泥土攪拌樁和樁周土體3部分,各部分的體型差別較大,尤其是小型鋼沿擋土墻長度方向不是連續布置,因而必須進行三維模擬。為了計算簡便且不占用過多資源,該模型取2.2m寬 (4排水泥土樁,樁徑?700mm)、50m長和30m深,對于邊界條件可分別在X、Y方向上約束,基坑底部則在Z方向上約束。該模型的網格劃分如圖2所示。

1.2 本構模型及參數選取

小剛度門式剛架型鋼勁性水泥土支護結構中采用的芯材為小型工字鋼,在對初始為各向同性材料的小應變問題進行有限元結構分析時,其應力應變關系一般采用雙線性彈性模型,遵循Mises屈服準則。對于水泥土擋墻和土體則采用ADINA中的Mohr-coulomb模型,其遵循Mohr-coulomb屈服準則[3]。該模型均采用8節點6面體等參單元,其材料參數取值如表1所示。

圖2 整體模型網格劃分圖

1.3 施工步驟模擬

在土工結構中,結構內力的變形與其建造過程密切相關,對此可通過有限元的單元生死功能模擬建造過程來分析其內力和變形。在基坑開挖過程中,設置某一層土體單元在特定時刻失效以模擬該土體被挖掉。當通過該功能殺死 (或生成)某一土體單元時,整體結構的平衡狀態就被破壞。模擬結構的建筑過程采用的是增量法,用分步計算來解決這種非平衡力的過程[4]。

表1 材料參數

式中,F為開挖荷載,kN;V為開挖體體積,m3;M為將要被挖去的單元數,其與未開挖單元有公共邊界;[B]為單元應變矩陣;{σ}為單元應力矢量。

基坑工程中,由于初始 {u0}=0,可將開挖面設為應力自由面,且開挖前自由面上的各點處于平衡狀態。隨著土體的逐步開挖,土體平衡被破壞,同時也引起了周圍土體的應力場和位移的變化。開挖荷載的計算采取Mana提出的計算公式[5]:

2 計算結果分析

2.1 水泥土性能對支護結構的影響

假設周圍土體和型鋼的各種參數、所受邊界條件和荷載條件不變,只改變水泥土材料性質,依據文獻 [6,7],分別取水泥摻入比為10%、15%和20%的水泥土特征參數進行模擬計算。圖3所示為取不同水泥土材料參數時擋墻水平位移隨深度變化曲線 (向基坑內側移為正,下同)。由圖3可知,擋墻向基坑內側偏移,且最大位移均出現在水泥土擋墻頂端;水泥摻入比增大時水泥土擋墻水平位移減小,說明增加水泥摻入比可提高支護結構抵抗變形的能力。隨著深度增加,水泥土擋墻水平位移趨于一致,說明增加水泥摻入比對提高支護結構抵抗變形能力的作用不再顯著。

2.2 不同型號型鋼對支護結構的影響

型鋼是支護結構的主要承載構件,故對不同型號型鋼對支護結構影響做對比分析。在保持水泥土攪拌樁和土體參數及基本算例不變,分別取型號為I14、I16、I18、I20a、I22a的型鋼進行計算。改變擋墻內插型鋼的型號時水泥土擋墻的水平位移如圖4所示。由圖4可知,采用I14號型鋼時水泥土擋墻頂端最大水平位移為55.4mm,采用I18和I22a號型鋼時水泥土擋墻頂端最大水平位移分別為44.3mm和37.0mm,說明增加型鋼截面面積可提高支護結構抵抗變形的能力。隨著深度增加,采用不同型號型鋼時水泥土擋墻的水平位移值趨于一致,說明增加型鋼截面面積對提高支護結構抵抗變形能力的作用不再顯著。

圖3 采用不同水泥土材料時水泥土擋墻水平位移

圖4 采用不同型號型鋼時水泥土擋墻水平位移

2.3 剛架寬度對支護結構的影響

保持型鋼、水泥土及周圍土體的各材料參數不變,增加水泥土擋墻厚度 (增加水泥土攪拌樁排數),同時增加門式剛架寬度 (見圖5)。采用不同寬度的剛架支護形式時水泥土擋墻水平位移分布曲線如圖6所示。從圖6可以看出,剛架中間不隔樁時,水泥土擋墻頂端水平位移為50.1mm,剛架中間隔1排樁、隔2排樁和隔3排樁的水泥土擋墻頂端最大水平位移分別為41.9mm、36.4mm和30.8mm,說明增加水泥土擋墻和剛架寬度能提高支護結構的抵抗變形能力。隨著深度增加,不同寬度剛架形式下水泥土擋墻的水平位移值趨于一致,說明增加水泥土擋墻和剛架寬度對提高支護結構的抵抗變形能力的作用不再顯著。

圖5 不同寬度剛架形式示意圖

圖6 不同剛架寬度時水泥土擋墻水平位移

3 結 論

1)隨著水泥土性能的提高,小剛度門式剛架型鋼勁性水泥土支護結構的抗變形能力也有一定提高,且水泥土對支護結構的抗變形能力有一定的貢獻。

2)增加型鋼截面面積能提高支護結構抵抗變形的能力,但隨著深度增加,增加型鋼截面面積對提高支護結構抵抗變形能力的作用不再顯著。

3)不同的剛架寬度和水泥土擋墻厚度對圍護結構有很大影響,增加水泥土擋墻和剛架寬度能提高支護結構的抵抗變形能力,同時型鋼與水泥土的共同作用效果也更加明顯。

[1]劉春原,竇遠明,閻西康.SMW支護結構的大變形數值分析 [J].港工技術,2000,3(1):25-27.

[2]龔曉南.深基坑工程設計施工手冊 [M].北京:中國建筑工業出版社,2002.

[3]岳戈,陳權.ADINA應用基礎與實例詳解 [M].北京:人民交通出版社,2008.

[4]楊平,曹寶飛,尹鵬,等.小剛度勁性水泥土墻基坑支護的機理及模型試驗[J].南京林業大學學報(自然科學版),2007,31(3):19-24.

[5]鈴木健夫.柱列ソィルヤメニト連續壁 [J].基礎工,1986(8):10-15.

[6]崔江余.深層攪拌樁樁體材料力學性能分析 [J].地基基礎工程,2001,11(4):5-8.

[7]尹鵬.小剛度勁性水泥土擋墻基坑支護數值分析[D].南京:南京林業大學,2006.