基于FLAC3D的矩形人工挖孔桩护壁变形规律分析

常罗 李德武

兰州交通大学土木工程学院，甘肃定西，743000

基于FLAC3D的矩形人工挖孔桩护壁变形规律分析

常罗 李德武

兰州交通大学土木工程学院，甘肃定西，743000

在ANSYS中建立实体网格模型，在FLAC3D中对模型进行模拟开挖并施加护壁，分析总结了在单一的砂泥岩地层中开挖矩形桩孔时护壁的变形规律，并对比了存在粉质粘土和砂泥岩两种岩性的地层中人工开挖桩孔时岩层交界面对护壁的变形影响。

护壁；人工挖孔桩；变形； FLAC3D

1 具体步骤

1.1 模型建立

设计人工挖孔桩的尺寸为2.0m×2.5m，护壁厚0.15m，周围围岩为护壁向外延伸10m，设计开挖深度为25m，模型建立高度为30m；为便于计算及查看结果，由对称性原则取模型的一半进行模拟。此次计算中，在ANSYS中建立实体模型，其中平面网格划分采用4节点四边形单元PLANE42，实体网格划分采用8节点3D实体单元solid45，生成实体网格后，将节点和单元信息导入到FLAC进行计算及后处理，实际共生成节点个数为12803，单元个数为11460。文中将同一岩性地层中数值模拟定为工况一，将两种岩性下的地层模拟定为工况二。

1.2 设计参数选择

设计过程中对围岩和护壁采用两种不同的本构模型，围岩采用摩尔—库伦（mohr-coulomb）弹塑性模型，而护壁考虑到其本身的空心桩体特性，采用完全弹性模型（elastic）。本次计算中，在摩尔—库伦模型中需要输入的力学参数有：体积模量K、剪切模量G、粘聚力C、内摩擦角φ和密度ρ，在完全弹性模型中需要输入的力学参数有杨氏模量E、泊松比u和密度ρ。

表1 岩体材料参数

考虑到在实际施工中，以C20混凝土现场浇筑的护壁主要依靠其早期强度，且存在大量的施工缝，因此C20的杨氏模量取值为2.5GPa，护壁材料材料参数如表2所示。

表2 护壁材料参数

2 数值模拟计算

2.1 收敛标准

此次运算中采用FLAC3D程序的默认收敛标准（亦称相对收敛标准），即当体系最大不平衡力与典型内力的比率R小于定值10-5（也可自定义数值）时计算即行终止。

2.2 模型开挖

初始地应力场生成后便可在初始应力计算的基础上进行荷载施加，此次运算的荷载是模型开挖造成的应力释放。因为最终只需要观察分析由开挖造成的护壁变形量，所以在开挖操作前，需要对初始应力计算中造成的节点的速度、位移进行清零处理。

3 计算结果分析

3.1 工况一下护壁位移分析

图1绘制了工况一下护壁横截面关键节点沿深度变化的位移曲线图，图2绘制了工况一下桩孔底部护壁横截面的位移变化轮廓图。从图中可以看到：（1）长边中点A向临空面位移最大，其次为短边中点B，最小为角点；（2）护壁向临空面的位移增幅并非线性增加；（3）护壁最大位移值为孔底长边中点向临空面平移3.1mm，可见护壁的变形值并不显著。

图1 护壁沿深度向临空面的位移值

图2 孔底处护壁横截面变形图

3.2 工况二与工况一护壁位移分析对比

图3，4分别为工况一、工况二下模型y向位移云图，由于坐标轴原点位于护壁形心处，所以两边位移符号相反，红色为正向，蓝色为负向。从图中可以看到云图中护壁及围岩的y向位移沿深度增加而增加，且两边位移值沿坐标轴对称变化。这是由于在计算中将地基土设置了各向同性的特性，因此在地面下处同一深度水平面上各点的应力状态相同，在桩孔开挖后应力重分布，在护壁周围对称的形成应力集中现象，也就是主动土压力作用。

图3 工况一 护壁长边中点深度—位移云图

图4 工况二 护壁长边中点深度—位移云图

4 结论

（1）矩形护壁的变形规律表现为：同一横截面处，长边中点位移最大，其次是短边中点位移，最小是矩形护壁的角点。

（2）沿深度增加，护壁向临空面的位移增加，但并非呈线性，而是在桩孔顶部和底部附近变形较快，在中间段变形缓慢。

（3）岩层交界面对交界面附近的护壁有较大的变形影响，但是超过交界面所在深度后，其对护壁变形的影响将快速减弱。

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常罗/1991年生/甘肃定西人/硕士/研究方向为隧道及地下工程