基坑土釘支護的非線性有限元分析

王海波秦皇島市規劃設計研究院（066001）

0 引言

土釘墻是一種基于土體自身承載能力的擋土結構，相對于其它支護形式，土釘墻的支護機理是通過對控制被加固土體的變形，實現土體的穩定。土釘墻是通過將外裹水泥砂漿的鋼筋以一定間距置入土體，并在土坡表面噴射混凝土形成混凝土面層，實現對土體的加固[1]。

土釘墻支護的計算方法主要有傳統的極限平衡分析法和近年來發展較快的有限元法。極限平衡分析法具有概念明晰、計算簡單、應用廣泛的優點，但是無法計算支護結構的變形[2]。利用計算機技術的有限元法,不僅可以計算支護結構的內力與變形，還可以考慮土體的本構關系和非均勻性、各向異性等特性，對施工過程進行模擬，計算精度較高。

1 土釘墻的有限元分析

1.1 土釘墻的構造

土釘墻支護是在原位土體中按照一定長度和密度置入注漿鋼筋或鋼管作為土釘，通過土釘與土體的相互作用彌補土體自身強度的不足，在開挖面上設置鋼筋網并噴射混凝土形成面層或者設置預制混凝土面板，以進一步限制土體的變形，保持開挖面后土體的整體穩定性。這種由原位土體、土釘、鋼筋混凝土面層三部分組成的支護結構體系即為土釘墻支護[3]。相對于鋼筋混凝土樁、地下連續墻等被動受力支護結構,土釘墻是一種主動加固技術，能有效的發揮土體自身的強度。

1.2 土釘墻的有限元模型

目前在工程界應用廣泛的土體本構模型有DP模型和M-C模型。但空間狀態的M-C模型屈服面具有角隅性質，不利于數值分析。D-P模型則對此進行了改進，使模型屈服面光滑，同時考慮了巖土材料的剪脹性和擴容性。分析選用D-P模型，屈服表達式為:

式中:F為屈服函數，I1為應力張量第一不變量，J2為應力偏量第二不變量，α、K為D-P模型常數。

在結構的有限元分析中，基于土釘墻結構的自身特點，可將土釘墻的有限元計算簡化為平面應變問題。構建土釘墻結構的有限元模型時，采用彈塑性D-P模型的基坑土體采用四節點等單元，土釘采用彈性桿單元，僅受軸力作用，噴射混凝土面層簡化為彈性梁，受彎矩和剪力的作用。為了提高計算精度，更真實的模擬實際受力情況，在土釘墻結構（土釘與混凝土面層）與土體之間設置了接觸面單元，以模擬結構的接觸行為。

1.3 接觸面單元

土體和支護結構之間的相互作用是一種接觸行為，很多情況下，這種接觸行為會產生土體和支護結構之間的相對位移，為了更好的模擬這種接觸行為,可以在土體和支護結構之間設置接觸面單元。工程中應用廣泛的為無厚度接觸面單元，采用帶轉動自由度的Goodman無厚度接觸面單元，如圖1所示。接觸面單元由接觸面1-2和3-4組成，初始狀態下，兩接觸面完全吻合，厚度為0；受力變形后，利用3-4邊與1-2邊的相對位移，來模擬接觸面產生的拉裂、錯位。

2 算例分析

某基坑長130m，開挖深14 m。基坑上部5 m范圍按45°放坡開挖，設置土釘墻支護,土釘長3 m，間距1m，傾角15°；然后設置一寬度2.5m的平臺；下部9 m范圍按1:0.25放坡，土釘長12 m，雙向間距1m，傾角15°；噴射混凝土面層厚150mm，采用Ф8@150鋼筋網，C25混凝土。

土釘最大軸力的計算值與實測值見圖2，基坑土體位移的計算值與實測值見圖3。

通過結果對比，可以發現，雖然計算值與實測值有一定的差異，但發展趨勢基本一致。

可見，針對土釘墻結構特點，通過合理選擇材料本構模型和優化有限元模型,利用有限元法，可以較好的實現對土工結構的仿真，尤其現在計算機技術的快速發展，可以以較低的成本實現較大規模的精細計算。但由于土釘墻結構的復雜性，還難以做到利用有限元法取得精確結果，但其仍不失為分析結構受力變化規律的一種有效的方法。

[1]陳肇元,崔京浩.土釘支護在基坑中的應用(第二版)[M].北京:中國建筑工業出版社,2000.

[2]佘詩剛.土釘墻設計與施工監測手冊[M].北京:中國科技術出版利,2000.

[3]CECS96-97,基坑土釘支護技術規程[S].