基于FLAC3D的矩形人工挖孔樁護壁變形規律分析

常羅 李德武

蘭州交通大學土木工程學院，甘肅定西，743000

基于FLAC3D的矩形人工挖孔樁護壁變形規律分析

常羅 李德武

蘭州交通大學土木工程學院，甘肅定西，743000

在ANSYS中建立實體網格模型，在FLAC3D中對模型進行模擬開挖并施加護壁，分析總結了在單一的砂泥巖地層中開挖矩形樁孔時護壁的變形規律，并對比了存在粉質粘土和砂泥巖兩種巖性的地層中人工開挖樁孔時巖層交界面對護壁的變形影響。

護壁；人工挖孔樁；變形； FLAC3D

1 具體步驟

1.1 模型建立

設計人工挖孔樁的尺寸為2.0m×2.5m，護壁厚0.15m，周圍圍巖為護壁向外延伸10m，設計開挖深度為25m，模型建立高度為30m；為便于計算及查看結果，由對稱性原則取模型的一半進行模擬。此次計算中，在ANSYS中建立實體模型，其中平面網格劃分采用4節點四邊形單元PLANE42，實體網格劃分采用8節點3D實體單元solid45，生成實體網格后，將節點和單元信息導入到FLAC進行計算及后處理，實際共生成節點個數為12803，單元個數為11460。文中將同一巖性地層中數值模擬定為工況一，將兩種巖性下的地層模擬定為工況二。

1.2 設計參數選擇

設計過程中對圍巖和護壁采用兩種不同的本構模型，圍巖采用摩爾—庫倫（mohr-coulomb）彈塑性模型，而護壁考慮到其本身的空心樁體特性，采用完全彈性模型（elastic）。本次計算中，在摩爾—庫倫模型中需要輸入的力學參數有：體積模量K、剪切模量G、粘聚力C、內摩擦角φ和密度ρ，在完全彈性模型中需要輸入的力學參數有楊氏模量E、泊松比u和密度ρ。

表1 巖體材料參數

考慮到在實際施工中，以C20混凝土現場澆筑的護壁主要依靠其早期強度，且存在大量的施工縫，因此C20的楊氏模量取值為2.5GPa，護壁材料材料參數如表2所示。

表2 護壁材料參數

2 數值模擬計算

2.1 收斂標準

此次運算中采用FLAC3D程序的默認收斂標準（亦稱相對收斂標準），即當體系最大不平衡力與典型內力的比率R小于定值10-5（也可自定義數值）時計算即行終止。

2.2 模型開挖

初始地應力場生成后便可在初始應力計算的基礎上進行荷載施加，此次運算的荷載是模型開挖造成的應力釋放。因為最終只需要觀察分析由開挖造成的護壁變形量，所以在開挖操作前，需要對初始應力計算中造成的節點的速度、位移進行清零處理。

3 計算結果分析

3.1 工況一下護壁位移分析

圖1繪制了工況一下護壁橫截面關鍵節點沿深度變化的位移曲線圖，圖2繪制了工況一下樁孔底部護壁橫截面的位移變化輪廓圖。從圖中可以看到：（1）長邊中點A向臨空面位移最大，其次為短邊中點B，最小為角點；（2）護壁向臨空面的位移增幅并非線性增加；（3）護壁最大位移值為孔底長邊中點向臨空面平移3.1mm，可見護壁的變形值并不顯著。

圖1 護壁沿深度向臨空面的位移值

圖2 孔底處護壁橫截面變形圖

3.2 工況二與工況一護壁位移分析對比

圖3，4分別為工況一、工況二下模型y向位移云圖，由于坐標軸原點位于護壁形心處，所以兩邊位移符號相反，紅色為正向，藍色為負向。從圖中可以看到云圖中護壁及圍巖的y向位移沿深度增加而增加，且兩邊位移值沿坐標軸對稱變化。這是由于在計算中將地基土設置了各向同性的特性，因此在地面下處同一深度水平面上各點的應力狀態相同，在樁孔開挖后應力重分布，在護壁周圍對稱的形成應力集中現象，也就是主動土壓力作用。

圖3 工況一 護壁長邊中點深度—位移云圖

圖4 工況二 護壁長邊中點深度—位移云圖

4 結論

（1）矩形護壁的變形規律表現為：同一橫截面處，長邊中點位移最大，其次是短邊中點位移，最小是矩形護壁的角點。

（2）沿深度增加，護壁向臨空面的位移增加，但并非呈線性，而是在樁孔頂部和底部附近變形較快，在中間段變形緩慢。

（3）巖層交界面對交界面附近的護壁有較大的變形影響，但是超過交界面所在深度后，其對護壁變形的影響將快速減弱。

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常羅/1991年生/甘肅定西人/碩士/研究方向為隧道及地下工程