土釘

蘇永軍 孔淑芹 王慧 劉風(fēng)華

【摘要】文中以楊埕水庫(kù)供水泵站深基坑工程為例，結(jié)合 FLAC3D程序有限差分分析軟件，模擬楊埕水庫(kù)供水泵站的地質(zhì)、水文等條件建立了空間三維模型，對(duì)土釘—樁錨聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了三維動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬，并在此基礎(chǔ)上改變某些條件后重新進(jìn)行數(shù)值模擬，以便能夠得到類(lèi)似區(qū)域的模擬數(shù)據(jù)，為今后類(lèi)似工程進(jìn)行基坑支護(hù)提供理論依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】土釘與樁錨聯(lián)合支護(hù)體系；數(shù)值仿真；FLAC3D

近年來(lái)，深基坑已經(jīng)越來(lái)越普遍，工程項(xiàng)目所在地的地質(zhì)條件也變得越來(lái)越復(fù)雜，同時(shí)還受到許多外部條件（如市政設(shè)施、地上建筑物、土地的集約利用等）的制約，單純的放坡開(kāi)挖已經(jīng)不能滿足工程施工的需要，需要尋求新的安全、經(jīng)濟(jì)的基坑支護(hù)體系。在此背景下，一種基坑上部土體使用土釘支護(hù)體系、下部采用灌注樁和錨索共同支護(hù)的組合形式（即土釘與樁錨聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)）現(xiàn)已開(kāi)始運(yùn)用于地質(zhì)條件較差的大、中型水利工程深基坑支護(hù)中，本文結(jié)合楊埕水庫(kù)供水泵站深基坑項(xiàng)目，采用三維數(shù)值模擬分析的方法，對(duì)土釘和樁錨共同支護(hù)體系的作用原理進(jìn)行分析。

1、仿真模型計(jì)算參數(shù)

楊埕水庫(kù)供水泵站深基坑土體使用Mohr-Coulomb模型進(jìn)行建模，其模型運(yùn)行需要提供的參數(shù)有剪漲角d、積模量K、內(nèi)摩擦角、粘聚力c、剪切模量G，其中由基坑土體的楊氏模量E依據(jù)以下兩個(gè)公式轉(zhuǎn)化為剪切模量G及體積模量K，以此作為能夠被 FLAC3D軟件所識(shí)別的塑性指標(biāo)運(yùn)算參數(shù)，公式見(jiàn)1-1，1-2。

楊埕水庫(kù)供水泵站仿真模型將設(shè)計(jì)基坑土體從上至下分為七層，分別是壤土、粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粘土、砂壤土、壤土、砂壤土、壤土。在不同深度上每層土體的物理力學(xué)模擬參數(shù)詳見(jiàn)表1-1，采用 FLAC3D軟件中的錨索結(jié)構(gòu)單元（CableSEL）和樁結(jié)構(gòu)單元（PileSEL）進(jìn)行數(shù)值模擬，其計(jì)算參數(shù)詳見(jiàn)表1-2，1-3。2、模型建立

本文采用局部土地進(jìn)行建模，其尺寸為：橫向60m，縱向2m，豎直向26m。該模型左右制約方向?yàn)樗椒较?，上半部分是自由約束，底部為垂直約束。依據(jù)基坑土體應(yīng)力、應(yīng)變的相互關(guān)聯(lián)性，優(yōu)選適合本基坑土體的模型以及屈服準(zhǔn)則，本文選用摩爾一庫(kù)倫彈塑性單元進(jìn)行不同情況的計(jì)算。

3、計(jì)算步驟

根據(jù)該供水泵站的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，F(xiàn)LAC3D軟件的數(shù)值模擬遵照土體開(kāi)挖先后順序進(jìn)行計(jì)算邊坡的水平位移、豎直位移、塑性變化，詳見(jiàn)表1-4。

4、數(shù)值模擬

①土釘及錨索在不同長(zhǎng)度時(shí)的水平位移量

當(dāng)土釘設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為6米，錨索設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為25米時(shí)，最大水平位移量為38.755mm，當(dāng)土釘及錨索長(zhǎng)度變?yōu)樵O(shè)計(jì)長(zhǎng)度的0.8倍時(shí)，最大水平位移量為43.331mm，當(dāng)土釘及錨索長(zhǎng)度變?yōu)樵O(shè)計(jì)長(zhǎng)度的1.2倍時(shí)，最大水平位移量為38.324mm。上述模擬成果顯示，當(dāng)土釘及錨索的長(zhǎng)度變小時(shí)，最大水平位移量增大的比較明顯，然而當(dāng)土釘及錨索的長(zhǎng)度變大時(shí)，最大水平位移量減小幅度較小，故該土釘及錨索的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度是比較合理的。

②土釘及錨索在不同長(zhǎng)度時(shí)的垂直位移量

當(dāng)土釘與錨索的長(zhǎng)度為設(shè)計(jì)長(zhǎng)度時(shí)，基坑開(kāi)挖完成后垂直方向的位移的最大值為16.567mm，當(dāng)土釘與錨索的長(zhǎng)度為設(shè)計(jì)長(zhǎng)度的0.8倍時(shí)，基坑開(kāi)挖完成后垂直方向的位移的最大值為16.538mm，當(dāng)土釘與錨索的長(zhǎng)度為設(shè)計(jì)長(zhǎng)度的1.2倍時(shí)，基坑開(kāi)挖完成后垂直方向的位移的最大值為16.562mm，以上結(jié)果表明土釘與錨索長(zhǎng)度的變化對(duì)基坑開(kāi)挖完成后基坑底部垂直位移量的影響不明顯，并且對(duì)將來(lái)建筑物的沉降量的影響也同樣不明顯。

③基坑土體塑性區(qū)變化特征

通過(guò)對(duì)土釘與錨索的長(zhǎng)度分別為設(shè)計(jì)長(zhǎng)度、0.8倍設(shè)計(jì)長(zhǎng)度、1.2倍設(shè)計(jì)長(zhǎng)度分別進(jìn)行數(shù)值模擬，得出的結(jié)論為當(dāng)土釘及錨索長(zhǎng)度變化時(shí)，塑性區(qū)域幾乎沒(méi)有影響。

綜上所述，當(dāng)土釘及錨索的長(zhǎng)度發(fā)生變化時(shí)，受到影響最大是基坑邊坡水平方向的位移量，而水平方向的位移量正是決定基坑邊坡支護(hù)體系是否安全的最重要指標(biāo)，故在基坑設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)做到在基坑邊坡水平方向位移符合要求的情況下，盡可能降低施工的成本。

5、結(jié)論與展望

本文對(duì)樁錨與土釘聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的研究主要是利用FLAC3D軟件在不同情況下進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)對(duì)在不同土釘及錨索長(zhǎng)度的情況下進(jìn)行模擬，分別分析了基坑邊坡支護(hù)體系的水平位移、豎直位移、塑性區(qū)的變化情況，最后依據(jù)分析數(shù)據(jù)指出土釘及錨索長(zhǎng)度的變化造成以上3項(xiàng)指標(biāo)變化的主要影響因素及變化規(guī)律，為今后對(duì)基坑邊坡的支護(hù)采用土釘與樁錨聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)提供了依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]何健. 基于FLAC3D的樁錨與土釘聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的數(shù)值計(jì)算. 華南理工大學(xué)碩士論文.2010.10.

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[3]王鄧峮，葉帥華，朱彥鵬.考慮預(yù)應(yīng)力作用的土釘復(fù)合錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析.蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào).2015.02.

作者簡(jiǎn)介：蘇永軍，山東壽光人，1981.06出生 河北水利電力學(xué)院講師，長(zhǎng)期從事水利工程研究。