土釘支護下基坑土體應力數值模擬

李鐵軍 魏路 肖永紅

基坑開挖模擬

利用FLAC程序可以模擬開挖支護金過程，得到基坑邊坡土體的位移場，應力場，支護結構的應力以及特征點的位移發展趨勢等系列圖形，為基坑設計和施工提供幫助。

1基坑支護模型的建立

1.1計算單元的建立

在土釘支護的數值分析中，一般可以采用兩類原則：(1)視支護體系中的土釘和被加固土體為一復合體，適當提高土體的強度指標(c，j)，以此計人土釘的補強作用進行分析；(2)土體采用平面單元，土釘則采用錨索cable單元(不考慮土釘的彎剪作用)，選擇恰當的破壞模式，按經典土力學理論進行分析。本文的數值分析采用第二類原則進行。

根據基坑的實際開挖范圍，由對稱性取基坑中線一側的區域作為計算域。單元劃分精度的粗細及計算范圍的選取對計算精度都有一定影響。根據經驗，受開挖影響的深度及水平寬度約為基坑深度的2倍左右。本例基坑深度為10m，選取的計算域為長20m，高22m的矩形區域。計算中采用四邊形四節點等參單元。計算域內共分為40×44=1760個單元，土體單元大小為0.5m。土釘采用cable單元，面層采用beam單元。FLAC中所有數據和結果都用SI單位制。首先加重力形成重力場，然后開挖支護。

1.2模型的確定和計算參數的選取

由于土體屬于松散介質，受力后顆粒之間的位置調整在卸荷以后不能恢復，形成較大的塑性變形，因此，計算采用理想彈塑性本構模型。本基坑邊坡選擇M-C破壞準則，并假設其為大變形。大多數關于基坑穩定性分析，均以經典土壓力理論為基礎，而經典土壓力理論是針對擋土墻這類平面應變問題而言的。由于本文所選擇的典型斷面位于基坑長邊(約53m)的中部，因此不考慮基坑的空間效應，將其作為平面應變問題進行穩定性分析是較為合理的。

面層和土釘為彈性材料。根據設計查相關規范，得到表1所示計算參數。

1.3基坑邊界條件和分步開挖模擬

模型兩側限制水平方向移動，模型底面限制水平及垂直方向移動。FLAC程序采用空單元模擬開挖土體，并在每次開挖后自動生成等效釋放荷載。基坑底部及邊坡土體在開挖時的力學狀態變化，視為原始應力場是由土體開挖而應力釋放所起。

土釘支護工程。根據分步施工工藝，將開挖和支護深度作為本步模擬的計算深度。結合本工程復合加固土釘支護的實際開挖過程，整個工程可分為以下8個工序。

工序1為基坑開挖至地表下2.0m處(開挖厚度2.0m)，打土釘、噴射面層；

工序2為基坑開挖至地表下3.5m處(開挖厚度1，5m)，打土釘、噴射面層；

工序3為基坑開挖至地表下5，0m處(開挖厚度1.5m)，打土釘、噴射面層；

工序4為基坑開挖至地表下6.5m處(開挖厚度1.5m)，打土釘、噴射面層；

工序5為基坑開挖至地表下8.0m處(開挖厚度1.5m)，打土釘、噴射面層。

工序6為基坑開挖至地表下10.0m處(開挖厚度2.0m)，打土釘、噴射面層。

2模擬結果分析

2.1土體最大主應力分析

圖1顯示開挖完畢后的土體最大主應力狀態模擬結果。從圖中可以看出以下幾點。

(1)土體中的最大主應力從上到下呈均勻遞增的規律，且方向均為向下，符合穩定土體中應力分布規律。

(2)在土釘支護范圍內靠近開挖面處，土體的應力較其范圍外的應力水平有一定的降低。說明支護結構由于其剛度遠大干土體，分擔了大部分的荷載，使周圍土體的應力轉移到支護結構上。同時，土釘還發揮其應力擴散和傳遞的作用，改善了土體內應力集中的現象，從而制約了土體的變形，且使土體的破壞面遠離支護邊緣。

2.2主應力矢量分析

圖2顯示開挖完畢后的土體主應力矢量模擬結果。從圖中可以看出：在基坑坡腳處，土體中應力分布較密集，而土釘支護區范圍內土體應力分布水平較低，這說明土釘承擔了大部分荷載，使得土俸承受較低的應力，土釘發揮應力擴散和傳遞的作用，改善了土體內應力較集中的狀態。由于土釘的彈性模量遠大于土體的彈性模量，在土體發生變形的情況下，土體的應變大干土釘體的應變，土釘與土體的相互作用在界面上產生摩阻力，使土釘受拉，在土釘中產生拉力，而使土體的側向應力也相應增大，在一定程度土補償了由于土體開挖卸載引起的側向應力的減小，即相當于在土體原有的應力基礎上增加了一個側向壓力，使得土體的強度提高，從而制約了土體的變形，且使得土體的破壞面遠離支護邊緣，保證了基坑邊坡的穩定性。

2.3土體剪應力分布

圖3顯示開挖完畢后的土體剪應力矢量模擬結果。從圖中可以看出：

土體剪應力分布圖中顯示，在土釘作用處及坡腳處有剪應力集中區，其中，坡腳處的剪應力集中現象較為嚴重，可以看出坡腳土體最易處于屈服狀態。

2.4塑性屈服區

圖4顯示開挖完畢后的土體主應力矢量模擬結果。從圖中可以看出：

支護土體內部目前還沒有產生了較明顯的剪切塑性屈服區，但是坡腳和上排土釘遠離面層端部的土體出現了一定的剪切塑性屈服區，說明此處還是有可能出現初步破壞狀態。因此，基坑的坡腳處是破壞的危險區域，在支護結構的設計與施工中必須予以重點關注，嚴禁基坑的超挖，及時進行支護。

3結語

(1)在土釘支護范圍內靠近開挖面處，土釘支護由于其剛度遠大于土體，分擔了大部分的荷載，使周圍土體的應力轉移到支護結構上。

(2)土釘與土體的相互作用在界面上產生摩阻力，使土釘受拉，而使土體的側向應力也相應增大，使得土體的強度提高，制約了土體的變形，且使得土體的破壞面遠離支護邊緣，保證了基坑邊坡的穩定性。

(3)基坑的坡腳處是破壞的危險區域，邊坡的剪切應力首先集中出現在坡腳，并形成明顯的塑性屈服區，說明坡腳是出現初步破壞狀態的危險區域。