基于FLAC3D的复合土钉支护数值模拟分析

李晶晶,程祖锋,耿立立,张蕊蕊

（1.河北工程大学 土木工程学院,河北 邯郸 056038;2.河北工程大学资源学院,河北 邯郸 056038）

复合土钉支护是一个三维问题,而现有理论和方法大都是将复合土钉简化成平面问题来研究。在采用平面模型时,土钉在垂直于计算平面方向被展开成板状,从而明显夸大了钉-土界面的实际面积,而且这样展开的土钉将其上下土层完全分开[1],在这种情况下无论是否加入界面单元及界面单元的力学参数如何取值,在理论上都不能符合实际[2]。对此,伍俊等人采用数值模拟方法研究了深基坑复合土钉支护结构的三维力学特性,结果表明数值模拟方法不仅能很好的模拟复合土钉支护的问题,还能够清晰的显现出基坑开挖过程中土体与支护结构的位移场和应力场[3-5]。

在目前众多的数值模拟分析程序中,基于有限差分法的FLAC3D程序不仅能很好的模拟基坑的三维问题,而且能够很好的模拟地质材料受力作用下屈服、塑性流动、软化直至大变形等力学行为[6]。鉴于此,本文采用美国 Itasca Consulting Group Inc公司开发的FLAC分析软件,对邯郸市某基坑工程的预应力锚索复合土钉支护结构的开挖支护施工过程进行了模拟分析,并将模拟结果与实测结果分析对比,进一步揭示基坑在开挖过程中的变形特征,为基坑预应力锚索复合土钉墙支护的设计和施工提供有意义的参考。

1 作用机理

预应力锚索复合土钉是用于土体开挖和边坡稳定的一种挡土支护技术,将土钉和预应力锚索置入土体中以较密间距间隔排列,使土钉、预应力锚索与土体共同作用形成复合支护。

预应力锚索与土钉联合作用时,当土体开挖后,土体滑移范围大于土钉的长度,此时土钉不能再加固土体,在此阶段前及时置入预应力锚索,它可以提供支护抗力,阻止土体的进一步扰动,控制约束变形的发展,更重要的是改善了土体的应力状态,使基坑边坡体内的潜在破坏区、拉张区及塑性区大大减小,延缓或阻止滑动面的连通与出现,从而有效的控制锚索—腰梁结构影响范围基坑土体变形,同时减少该范围内土钉的轴力负担。在工作状态下,土钉和预应力锚索二者的受力状态变化影响较小,它们能够各自发挥作用。

2 数值模拟分析方法

三维快速拉格朗日分析是一种基于三维显式有限差分的数值分析方法,它可以模拟岩土或其他材料的三维力学行为[7]。FLAC3D（Fast Lagrangian Anlysis of Continua 3 Dimension）是美国ITASCA公司开发的一种三维快速拉格朗日分析程序,包含了11种弹塑性材料本构模型,以及静力、动力、蠕变、渗流、温度等多种计算模式,可以模拟岩体、土体或其他材料实体等多种结构形式,以及梁、锚元、桩、壳等人工结构。FLAC3D采用有限差分法,记录开挖每一时间步长下土体位移及结构的受力状态,能够充分考虑施工过程中的时间效应;同时采用人机交互式的批命令形式,在计算过程中根据施工过程,对计算模型和参数模型进行实时调整,达到对施工过程进行实时仿真的目的[8]。

3 案例分析

邯郸市某基坑开挖深度为10 m,南北长约为210 m,东西宽约为148 m。该基坑位于邯郸市丛台路和东柳大街交叉口的东北角。基坑土体参数见表1。基坑支护方案为:东侧采用土钉墙+灌注桩+锚索支护;西侧采用灌注桩+锚索支护;北侧采用土钉墙+锚索支护。依据本文的研究方向,只选择北侧支护方案进行研究,其中土钉采用1根d=18 mm的HRB335级钢筋,砂浆注浆,具体参数见表2;锚索采用2束d=15.2 mm的1×7钢绞线,锚固段用砂浆注浆,具体参数见表3。实际共设置4排土钉和2排锚索,其剖面图见图1。

表1 土层参数Tab.1 Soil parameters

表2 土钉参数Tab.2 Parameters of soil nailing

表3 锚索参数Tab.3 Cable parameters

3.1 有限元模型的建立

本文计算模型采用长50 m、宽25 m的区域进行模拟计算。土钉参数弹性模量E=2.50×104N/mm2,泊松比μ=0.30。锚索锚固段参数弹性模量E=3.00×104N/mm2,泊松比 μ=0.30;锚索自由段参数弹性模量E=1.95×105N/mm2,泊松比 μ=0.25。根据以上参数,运用FLAC3D编制程序,最后建立有限元模型如图2。

3.2 计算结果分析

为了监测基坑边坡土体水平位移的变化,在坡顶和不同深度测斜管所处的位置设置了监测点,通过FLAC3D中的History命令对各监测点的水平位移变化情况进行了监测。所得监测结果如图3、图4所示。

依据图3可以发现,预应力锚索复合土钉支护结构水平位移变化总体呈两边小、中间大,最大水平位移发生在基坑边坡的中下部,与实测结果是一致的。由图4可知,基坑的水平位移随着开挖深度增大而增大,但由于锚索的加入,对土体向坑内的倾斜有一定的限制作用,从而使下部土体位移变化率减缓,出现向下凹的现象。基坑土体最大水平位移模拟值为15.49 mm,而实测值为16.24 mm,二者相差0.75 mm,模拟值非常接近实测值,证明运用FLAC3D有限差分软件模拟基坑水平位移的变化可以得到比较满意的结果,而且通过模拟所得的结果可以用于指导施工。

为了进一步了解预应力锚索复合土钉支护是否优于纯土钉支护,本文还以同样的区域用FLAC3D有限差分软件对纯土钉支护结构进行了模拟,结果在土体开挖过程中土体出现失稳破坏,模拟结果未能完成。由此可见,预应力锚索复合土钉支护明显优于纯土钉支护,对基坑水平位移的控制具有良好的效果。

4 结论

1）预应力锚索复合土钉支护结构的水平位移变化呈“鼓肚”分布,且最大水平位移发生在基坑的中下部。

2）数值模拟计算得到基坑土体最大水平位移值为15.49 mm,现场实测结果为16.24 mm,模拟结果与实测结果基本吻合,说明FLAC3D可以为基坑支护的施工及变形提供可靠的预测值。

[1]宋二祥,邱王月.复合土钉支护变形特性的有限元分析[J].建筑施工,2001,（6）:370-374.

[2]张明聚,宋二祥.土钉支护变形性能的有限元分析[J].土木工程学报,1999,32（6）:59-63.

[3]伍俊,郑全平,吴祥云.复合土钉支护技术的有限元数值模拟及工程应用[J].岩土工程学报,2005,27（4）:387-392.

[4]马露,李琰庆,蔡怀恩.FLAC3D在深基坑支护优化设计中的应用[J].河北工程大学学报:自然科学版,2007,24（4）:35-38.

[5]孙春林.基于FLAC3D的软土基坑开挖数值模拟[J].理论广角,2011（1）:162.

[6]吴忠诚,汤连生,廖志强,等.深基坑复合土钉墙支护FLAC-3D模拟机大型现场原位测试研究[J].岩土工程学报,2006,28（增1）:1460-1465.

[7]薛丽影,杨斌.FLAC在复合土钉支护变形分析中的应用[J].建筑科学,2005,21（6）:95-100.

[8]王宏辉,张仙义.基于FLAC3D的圆形隧道应力位移的数值模拟与分析[J].市政·交通·水利工程设计,2008（2）:73-78.