黄土基坑复合型土钉支护计算和施工分析

宋 书

1 工程概况

某工程根据岩土工程勘察报告,拟建场地内地层结构及岩土特性见表1。

表1 设计基本参数

基坑开挖深度为11.0 m,边坡设计坡度1∶0.1,设6层土钉,土钉布置方式为梅花形。在-6.0 m处设1道预应力锚杆,以减小基坑的水平位移,保证邻近高层建筑的安全和稳定。土钉间距为1.5 m,倾角为15°;锚杆采用 2φ8钢筋,长 18 m(其中自由段长10 m,锚固段长8 m),施加预应力150 k N。

2 基本假定和材料参数

2.1 基本假定

简化计算,在对复合土钉支护进行数值分析时,作以下假定:1)考虑到除基坑坑角外,同一侧边同一深度处相邻土钉的受力和变形基本相同,认为复合土钉支护的计算可简化为二维平面应变问题。2)土钉、锚杆及其辅助加固材料假定为弹性材料。3)土体假定为弹塑性体。

2.2 计算简图

工程实践表明,基坑开挖的影响宽度约为开挖深度的3倍～4倍,影响深度约为开挖深度的2倍～3倍。本例取有限元分析模型的总长度为50 m,总高度30 m,坡面的坡度取1∶0.1。模型左右边界设定X方向的位移为零,允许 Y方向的变形;底边界在X方向和Y方向位移均为零;上边界为自由面。初始地应力场为自重应力场,重力荷载加速度为9.8 m/s2。

2.3 材料参数

由于土体在一定范围内分布的不均匀性,不便于进行数值计算,土体参数取计算范围内各土层C,φ值的平均值。土钉与锚杆锚固段由钢筋及其外部包裹的水泥浆组成,水泥浆紧紧包裹在钢筋外部,并与土体呈犬牙状咬合。为准确模拟土钉及锚杆锚固段的力学行为,并适当简化有限元分析过程,将钢筋与水泥浆体视为复合材料,采用整体式模型,其弹性模量由钢筋与水泥浆体的弹性模量按面积折算。各种材料的几何及力学参数如下:

土:C=28 k Pa,φ=18°,土体重度 γ=18 k N/m3,变形模量E0=1.8×107Pa,泊松比 μ=0.3。土钉:直径 0.11 m,截面积为0.009 498 5 m2,惯性矩1.832 4×10-6m4,等效弹性模量 Eeq=2×1010Pa,泊松比 μ=0.3。锚杆:自由段截面积5.086 8×10-4m2,惯性矩1.030 077×10-8m4,弹性模量 Es=2×10-11Pa。锚固段截面积为0.017 662 5×10-4m2,惯性矩2.483 789×10-5m4,等效弹性模量 Eeq=2.03×1010Pa。泊松比均取 μ=0.3。面层:截面积0.1 m2,惯性矩8.333 33×10-5m4,等效弹性模量 Eeq=2.1×1010Pa,泊松比 μ=0.3。

界面摩阻力:根据文献等的研究结果,钉土界面、锚土界面摩阻力值取60 k Pa。

3 非线性有限元分析

3.1 土体的破坏准则

ANSYS有限元程序采用外接圆D-P准则。但在计算安全系数时,一般多采用Mohr-Coulomb准则。为使所得安全系数具有一定的可比性,文中运用ANSYS有限元分析软件计算所得的安全系数,均转换为Mohr-Coulomb准则条件下的安全系数。

3.2 有限元模型

1)如何选取单元。8节点单元Plane82由于其一致的位移形状函数的特性,所以它能有非常好的适应曲线边界的效果,这种特性在四边形和三角形的混合网格中会有很好的准确度,也可以适应很多不规则的形状,同时还能保证精确性。因此,工程的土体选择Plane82单元模拟是非常合适的,在具体的计算中,把土体的受拉作为重要的考虑因素,对于其土钉以及锚杆的抗弯抗剪等因素忽略不计,同时以Link1单元来模拟土钉和锚杆,单轴单元Beam3单元由于其良好的柔韧性在面板选择时作为第一选择,每个节点有3个自由度,换句话说就是以 X轴,Y轴位移和围绕Z轴位移。2)如何划分网格。网格的划分对最后数值精确度的影响有着重要的作用,如果失误会直接导致数据的失真。在实践中,我们通常认为网格花费的密集度和计算数值的准确度有正相关的联系,但密集的划分会导致工作量的增大,因此,在实践中要兼顾准确度和时间的计算能力。

在案例中,我们采用了部分网格加密的措施,对网格区域首先进行归类,对那些计算结果和数据值要求高的部分网格进行加密计算,其他的部分采取相对较疏的网格。因此,在开始进行建模工作时我们首先要做的就是对这些关键点的设置进行确定,在确定关键点后根据关键点的位置划分关键区域,然后根据这些区域对数据精确度的要求,来控制线条的长度和位置,在土钉等接触部位设置接触单元以此模拟接触面上的数据。

3.3 施工过程的模拟

1)模拟开挖和支护的施工。从黄土基坑支护的施工过程中我们会发现,在基坑支护部分承担着重要作用的荷载是一个动态的增加的过程,它会随着工程的进度而改变并逐步增加,因此,在对这个过程施工的模拟要考虑到实际的施工状况,在模拟软件中,这样的模拟过程是通过单元的存在或者消亡来实现的。举例来说,假如在模拟软件中加入或者删减材料,软件就会提示单元是处在存在还是消亡的状态。在案例中,我们在进行上述过程的模拟时采取了倒叙的方式,首先让土钉等单元处在“死亡”的状态,随着工程的进度,逐步将这些单位激活,这样的过程称为“接触问题”。2)对锚杆预应力的模拟。等效降温法由于其在不涉及热分析结构中有很好的精确度,因此在实践中很常用。它的原理是通过对各向异性温度应变系数的设置,同时推算应力—应变关系,在设定的温度差条件下就可以获得我们需要的锚杆预应力产生的各种情况。

4 计算结果

1)在软件中点击“Newton-Raphson”选项。

2)让“Newton-Raphson”迭代方法使用在所有的增量步骤中。

如图1所示,案例工程基坑的最大位移为17.3 mm,安全系数1.437。

案例工程经过75 d的施工日期。在施工过程的基坑变形现象监控中我们发现发生位移是在基坑的北部下部,距离地面2 m处,位移量为16.55 mm,实际检测数据和模拟数据非常的接近。

5 结语

1)作为一种新型的技术,预应力锚杆复合土钉支护能够将锚杆的主动和被动支护很好的糅合在一起,这种技术能够非常好的减少和预防基坑的变形。2)黄土的特性是强度高,变性较少。在黄土的实践中可以采用预应力锚杆复合土钉支护技术。3)有限元方法能够很好的模拟工程实际中土体和锚杆之间的真实情况,从案例的分析数据比较结果中我们也可以证明这点,因此,我们在案例过程中建立的有限元计算模型可以推广在实际工程应用中。

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