土钉支护系统稳定性数值研四

PAGEPAGE536.工程实例数值模拟分析由于土钉支护机理较为复杂，影响因素很多，理论研究较少，因此目前人们对于土钉支护的作用机理目前知之甚少。采用有限元模拟技术，无疑为研究土钉作用机理提供了另一途径。因为有限元能够较为准确地模拟分步开挖和支护过程中的应力场和应变场的变化规律，同时有限元可以模拟基坑开挖过程中岩土体可能出现的破坏部位及岩土体变形破坏的发展过程，通过对无支护开挖与支护开挖过程中的应力和应变场变化规律的分析比较，我们就可以了解土钉的作用所在，从而揭示深基坑土钉支护机理的实质。大比例尺模拟实验表明【67】，支护土体与无支护土体边坡相比，破坏状态明显不同，后者常表现为突然塌落，有明显破坏面，属脆性强度破坏；而前者从产生裂纹到最终破坏要经历一段过程，且破坏时无明显的滑裂面，属于渐进变形破坏，因此对于土钉支护边坡机理的研究，需要建立变形分析的基础上，来研究变形和破坏的基本规律。由于传统的极限平衡分析法不能提供基坑开挖时临近开挖面的应力和位移信息，因此极限平衡分析法是难以达到这一目的的，严格来将，建立在极限分析基础上的土钉作用机理是不太成熟的，只能作为工程设计中定量计算的一个理论根据。本章将根据工程实例，用有限元对无支护开挖和土钉支护开挖工程分别进行模拟，研究起应力场和应变场的发展变化规律，通过比较分析来研究土钉作用的机理和基本规律。6.1工程概况北京花园商贸大厦工程位于北京市海淀区北太平庄北路，场地东临花园饭店，西望牡丹宾馆，南有小月河流过。场地主要以第四纪粘性土、砂类土、碎石土为主，根据钻探揭露，场地地层由上而下依次分别为：①填土层，厚1.50～2.50m，层底深1.5～3.50m，可塑，稍湿，稍密～中密；②粘质粉土层，厚2.40～4.60m，层底深度5.70～6.50m，黄褐色，可塑～硬塑，湿～饱和：③重粉质粘土层，厚0.90～1.90m，层底深度6.80～7.70m，软塑，饱和；④粉质粘土层，厚5.00～7.30m，层底深度14.00～18.30m；⑤粘质粉土层，厚2.00～6.10m，层底深度14.00～18.30m；⑥粉质粘土层，厚2.40～6.90m，层底深度20.40～21.40m。该基坑开挖深度起初设计为8.87m，放坡77°，采用土钉支护。共采用五层土钉支护，土钉钻孔直径为0.13m，土钉倾角为15°，土钉钢筋采用Φ25的圆形截面筋；第一和第二层土钉的水平间距都为1.2m，其余各层土钉的水平间距为1.5m。各土钉层间的垂直间距为1.5m，土钉注浆浆液采用水灰比为0.45～0.5的水泥浆。支护面层采用间距为250mm，直径为6mm的钢筋做成面网，其上喷射强度等级为C20的混凝土10cm。5层土钉的布置情况如表6-1所示：表6-1土钉布置参数表土钉层号12345土钉长度(m))5.06.05.05.04.0距地面距离(mm)2.03.55.06.58.0由于后来甲方要求将基坑深度增至10.37m，而原支护方案没有改变，因此造成超挖1.5m，再加上施工工程中未能严格按照设计施工，基坑开挖面开挖角度大于原设计的77°，基本成竖直开挖，局部开挖面处甚至出现负角度开挖。由于上述两个原因，在基坑开挖到10.37m以后，，引起了基坑的局部坍塌。6.2无支护开挖过程数值模拟6.2.1单元剖分及计算区域的确定为了对无支护开挖和开挖过程进行模拟，首先应进行单元剖分及剖分区域的确定。单元剖分的粗细及计算范围的确定对计算精度都有一定程度的影响。对于软土地区的深基坑开挖，开挖影响深度为基坑深度的1.1倍。水平影响宽度也越为基坑深度的1倍，考虑到本场地的土层条件较好，因此开挖影响范围要比软土地区基坑开挖的相对影响范围小，因此本例将计算域向下延伸1.2倍开挖深度大小，向边坡外围同样延伸1.2倍开挖深度。考虑到以后开挖支护的要求，在网格划分时，已考虑了土钉支护的位置和面层的位置。计算中采用四边形四节点等参元，网格初始化图如图6.1所示。计算区域被剖分成572个单元，618个节点，其中5个三角形单元。6.2.2模型的确定和土体计算参数的选取考虑到土体的剪胀性对于土钉的作用影响较大【6】，为了便于比较无支护开挖和支护开挖过程中应力、应变变化规律以及边坡变形破坏的发展规律，在此作者选用岩土工程中常用的，能较好反映岩土体剪胀性和扩容性的Drucker-Prager破坏准则。根据计算区域内土体的物理力学性质，可将计算区域由上到下可分为三层，第一层为填土层，厚度为2.0m，土质较差；第二层为粉质粘土与粘质粉土互层土体，为钻孔揭露的②～④层土体，该层中的各分层土体的值相当，承载力标准值接近，因此可以划为同一大层之内。给层总厚度为10.5m；第三层为粉质粘土层，较厚，超过计算区域，该层在计算区域内的厚度为9.0m。各层土体的计算参数的选取如表6-2所示。表6-2土体参数表土层1#填土2#粉粘、粘粉层3#粉质粘土厚度(m)2.010.59.0(kN/m3)19.519.820.5(kPa)22830(°)1030300.350.330.32(kPa)2000023000250006.2.3分步开挖过程描述为了了解支护机理，比较支护开挖与无支护开挖不同之处，每步模拟都应该采用相同的模拟深度，即每步计算的无支护开挖的深度和相应的支护开挖深度是相同的。对深基坑土钉支护工程，由于都采用分步施工的工艺，因此每一次模拟都应将开挖和支护深度作为本步模拟的计算深度。结合本工程实际开挖过程，整个工程可分为7个工序，每一工序定义如下：工序1：基坑开挖到地表下2.0m处（开挖厚度2.0m），打土钉、喷射面层；工序2：基坑开挖到地表下3.5m处（开挖厚度2.0m），打土钉、喷射面层；工序3：基坑开挖到地表下5.0m处（开挖厚度1.5m），打土钉、喷射面层；工序4：基坑开挖到地表下6.5m处（开挖厚度1.5m），打土钉、喷射面层；工序5：基坑开挖到地表下8.0m处（开挖厚度1.5m），打土钉、喷射面层；工序6：基坑开挖到地表下8.5m处（开挖厚度0.5m），喷射面层；工序7：基坑开挖到地表下10.5m处（开挖厚度2.0m）。本文把上述各工序的开挖深度和厚度作为分步开挖模拟计算的取值依据。6.2.4计算结果及分析1：应力及破坏分析1、拉应力区图6.2为基坑无支护分步开挖过程中的拉应力区分布演化图。图中表明，土体的拉应力分布发展呈渐进性变化，拉应力的出现始于第二步开挖之后，拉应力单元数目随着开挖深度的增加而增加，主要分布在填土层下3m、开挖面后4m范围内。从拉应力区的演化过程来看，拉应力单元的扩展主要是随开挖深度的增加在水平方向扩展，且拉应力主要分布在开挖面附近，这是由于开挖过程中，边坡表面在垂直于开挖面的方向上，最小主应力减小为零，是的趋于无穷大，因此，在这种受力情况下，破坏主要表现为张性破坏；离开挖面稍远处，逐渐减小，破坏形式逐渐变为压剪破坏。工程实践表明，大面积的张性破坏一般是在垂直开挖面方向上的拉应变发展的结果【113】。2、剪应力区图6.3为无支护开挖剪应力分布图，从中可以看出，随着开挖深度的增加，在边坡的坡脚处发生剪应力集中现象，并且剪应力集中区和剪应力集中程度都随着开挖深度的增加而增加。这说明了基坑的坡脚处是最危险的破坏区，基坑的失稳首先从基坑的坡脚处发生剪切破坏，当开挖深度增大时，由于破坏区的剪应力转移到周围的土体中，使得周围土体因剪应力增加而超过土体的抗剪强度时发生进一步的破坏，导致剪切破坏区逐渐增大，如图6.4(6)～6.4(8)所示。因此在基坑支护设计与施工中，应加强对基坑根部进行重点保护和防范，严禁基坑超挖，及时进行支护。3、破坏区图6.4为无支护分步开挖的破坏区分布演化图。在开挖前，最上面的填土层由于不能承受其上部高强度条形超载作用而发生压缩破坏。基坑开挖后，由于第一步与第二步开挖所达到的深度较小，没有新的破坏区形成，第三步开挖后，在基坑开挖面后3～5m的范围内，破坏区开始向下扩散延伸。第五步开挖后，破坏区不仅在竖直方向继续延伸，而且在水平方向也朝开挖面的内部方向发展，并且此时在坡脚处形成高越2.3米的破坏区，该破坏区基本上与上部的破坏区形成一个贯通整个边坡的破坏带，因此可以认为，此时边坡已发生整体破坏，此时的破坏区轨迹就是边坡的破裂面。4、位移分布规律整个开挖过程使位移分布规律发生很大的变化，由于土体的开挖，使开挖面附近的土体朝开挖面方向移动，在开挖初期，开挖深度较小，除了上部填土位移很大，发生破坏外，其下部的土体水平位移和地面沉降量都较小，因此可以认为，在开挖初期，土体的变形表现为弹性变形，属于该阶段的变形为第一步开挖和第二步开挖。随着开挖深度的增加，水平位移与地表沉降明显增大。从图6.6可以看出，最大沉降发生在开挖面后5～7米的范围内，在开挖面5米以后的范围内，位移矢量比先前开挖的位移矢量有了明显的变化，表现为矢量与水平方向的夹角明显增大，这一变化现象主要位于地面超载作用范围之内，这说明地面超载的作用对变形的影响作用变得越来越明显，由于开挖面附近土体向临空面方向发生倾覆旋转，因此位于开挖面后的土体亦产生较大的变形，且在该区域，越靠近开挖面沉降量越大，这样就使得地面沉降曲线呈现“马鞍”形。由于开挖面附近土体的倾覆旋转，使得沿开挖面的水平位移表现为：从上到下位移由大到小的规律（图6.5，图6.6）。各条水平位移曲线近似地呈线性变化。从水平位移曲线和地面沉降曲线，来看第三步和第四步开挖的总体水平位移和沉降都相对较小，但水平位移的变化率明显增加了（图6.6），此时土体大多单元发生塑性变形，并在上部局部地方出现拉应力区，如图6.2(2)、图6.2(3)所示