土釘墻結(jié)構(gòu)FLAC3D受力性能模擬分析

摘要：結(jié)合FLAC3D數(shù)值模擬軟件對土釘墻支護結(jié)構(gòu)的受力性能分析，得出土釘在基坑開挖過程中的受力性能和變形特性，為基坑支護的設(shè)計和施工提供指導(dǎo)作用。

無論教科書還是在《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》中，都是假設(shè)土釘在其軸線方向上承受平均剪應(yīng)力來進行考慮分析，通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件對土釘?shù)氖芰^程和機理進行分析，土釘?shù)膶嶋H受力狀況并不遵循這一規(guī)則。在實際工況下，土釘內(nèi)的受力狀況是不均勻分布的，在邊坡中部附近的土釘，其拉力一般呈現(xiàn)出中間大、兩段小的棗核形狀，土釘?shù)氖芰μ攸c主要根據(jù)其破裂面的位置決定，但并不完全重合。實際的破裂面并不是唯一確定的，主要由實際土層情況、現(xiàn)場周圍環(huán)境和設(shè)計參數(shù)所決定。

一、土釘軸力模擬分析

采用FLAC3D仿真模擬軟件對土釘支護結(jié)構(gòu)進行分析，土釘受力見下圖1和2所示。

● 圖1 土釘平均軸向應(yīng)力（開挖距底部1m時）

● 圖2 土釘平均軸向應(yīng)力（開挖完成后）

由圖1和圖2得知：土釘在支護結(jié)構(gòu)中所受的軸力狀態(tài)并非規(guī)范設(shè)計當中所采用的平均剪應(yīng)力。土釘全長范圍受拉，拉應(yīng)力的大小沿土釘長度方向不均勻分布，總體呈現(xiàn)出中間大、兩端小的分布規(guī)律，其最大拉應(yīng)力值出現(xiàn)在邊坡破裂面的附近；在豎直方向上，呈現(xiàn)出中部和上部的土釘受力較大，下部坑底附近土釘受力較小的分布規(guī)律。隨著土方開挖，土釘所受的軸力呈逐步增大趨勢，在垂直方向上土釘?shù)氖芰χ饾u向下轉(zhuǎn)移，在土釘長度方向（水平方向）土釘?shù)膬?nèi)力也逐漸向尾部傳遞，土釘?shù)姆逯祽?yīng)力向破裂面附近轉(zhuǎn)移。土釘越是往下，所受軸力的峰值點越是靠近面層，說明破裂面的位置為邊坡上部距離基坑較遠處，邊坡下部靠近面層的圓弧狀。

● 圖3 土釘周圍水泥漿應(yīng)力

圖3所示為在土釘四周用圓錐體來描述的水泥漿應(yīng)力，圓柱半徑的大小與應(yīng)力大小成正比。通過土釘周圍水泥漿的應(yīng)力圖可以清楚的看到土釘所受到的土應(yīng)力的大小、性質(zhì)和分布規(guī)律。圖中紅色部分表示不穩(wěn)定區(qū)域土體與土釘周圍水泥漿的接觸面上的摩擦力 ， 是由于土體在其接觸面上的位移所產(chǎn)生，在此區(qū)域內(nèi)的土體由于基坑開挖產(chǎn)生側(cè)向位移，土釘起到約束土體位移、增加土體剛度的作用；黑色部分表示在穩(wěn)定區(qū)域土體與土釘周圍水泥漿的接觸面上的摩擦力 ， 是由于土釘在穩(wěn)定區(qū)域的滑移所產(chǎn)生，此階段土釘起到應(yīng)力傳遞和擴散的作用。 和 雖然同為土釘周圍水泥漿上的應(yīng)力，但是其受力機理卻完全相反，一個是不穩(wěn)定區(qū)域土體的滑移造成的土釘被動受力，另一個則是土釘?shù)幕圃斐傻闹鲃邮芰ΑＴ诖怪狈较蛏希玲斨車酀{受到的 和 分布規(guī)律不盡相同，豎向上部的土釘所受的摩擦力 分布長度最長，中部次之，底部最短，說明在上部產(chǎn)生側(cè)向位移的土體區(qū)域較大，而在下部產(chǎn)生側(cè)向位移的土體區(qū)域較小。在土釘所受的摩擦力 區(qū)域內(nèi)，中上部土釘?shù)哪Σ亮Ψ逯狄话愠霈F(xiàn)在尾部摩擦力接近零的區(qū)段，下部土釘?shù)哪Σ亮Ψ逯祫t出現(xiàn)在土釘?shù)亩瞬浚幌虏客玲斈Σ亮?的端部由于第三主應(yīng)力 最大出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

二、邊坡位移數(shù)值模擬分析

對于土釘支護結(jié)構(gòu)的邊坡位移，運用FLAC3D進行模擬計算

● 圖4 土釘墻位移量等值線陰影圖 ● 圖5 Y向（即水平向）位移等值陰影圖

● 圖6 Z向（即豎向）位移等值陰影圖

通過對土釘支護結(jié)構(gòu)位移云圖分析結(jié)果表明：由于基坑開挖，在自重應(yīng)力的作用下引起的基坑位移呈現(xiàn)出“探頭”形狀，上部坡頂最大，坡底最小。在水平方向，即邊坡向基坑內(nèi)的位移方向上，呈現(xiàn)出基坑中下部的位移量較大，上部和下部較小的“鼓肚”狀。在豎直方向上，呈現(xiàn)出自上而下逐漸減少的位移趨勢。

綜上所述，土釘支護結(jié)構(gòu)起到了約束土骨架的作用，土釘制約著土體的變形，使土釘和土復(fù)合成一整體，承擔(dān)了主要的荷載，由于土釘本身所具備的較高的抗拉、抗剪切的作用，當土體產(chǎn)生位移的時候應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)向土釘，延緩了土體塑性區(qū)的開展，當土體出現(xiàn)開裂現(xiàn)象時，土釘承受和分擔(dān)了更多的應(yīng)力。依靠土釘與土界面相互摩擦的作用，土釘將承受的荷載沿其長度方向穩(wěn)定區(qū)域土體內(nèi)傳遞，使基坑的穩(wěn)定性得到了極大的提高。

三、結(jié)論

（一）通過FLAC3D對土釘受力狀況模擬，可以清楚的看到土釘軸力中間大、兩頭小的分布規(guī)律。可以通過土釘受力的模擬，分析不同長度土釘軸向的受力狀況，得出最合理的土釘長度，達到優(yōu)化設(shè)計的目的。

（二）根據(jù)FLAC3D分析的動態(tài)顯示結(jié)果，可以分析出基坑受力變形特點及位移趨勢，在邊坡中下部的位移量和位移增量最大，在滿足穩(wěn)定性要求條件下，邊坡中下部為最危險作業(yè)面，從而為設(shè)計和施工進行指導(dǎo)。

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【作者單位：許瑤，內(nèi)蒙古科技大學(xué)】

楊海珍，包鋼建安（集團）有限責(zé)任公司】

張璐，核工業(yè)208大隊】