土钉支护系统稳定性数值模拟

PAGEPAGE8深基坑土钉支护工艺过程的有限元数值模拟贾立宏王建党（总师办）（北京城建集团）摘要：本文使用非线性有限元法对深基坑土钉支护过程进行数值模拟，给出土钉支护系统形成过程的应力场和位移场，并对土钉在支护过程中的作用机理进行定量分析。关键词：深基坑，土钉支护，有限元0.前言由于土钉支护机理较为复杂，影响因素很多，现场实验和理论研究较少，因此目前人们对于土钉支护的作用机理的定量分析知之甚少。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。因为有限元方法除了能在材料性质、边界条件、初始应力场方面客观反映实际现场情况外，还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。而这些都是传统分析方法（极限平衡法、条分法等）所无法作到的。传统分析法最大的缺点除了在基本力学理论上存在无法克服的缺陷外，它们无法给出边坡在开挖支护过程中的整体应力场，以及根本无法提供边坡变形场。从本质上传统分析方法是根据边坡破坏时形成的所谓“滑移面”进行稳定性分析，而实际上形成这种破坏滑移面是在一定应力场作用下产生的结果，并非边坡失稳的原因，边坡内在一定自然边界条件、一定超载下所形成的应力场才是其失稳的原因，所以根据滑移面进行土钉支护系统设计从原则上讲是亡羊补牢，而根据边坡应力场设计支护系统才是防患于未然。因此在在法国国家研究项目中称之为CLOUTERREⅡ的研究中，主要的研究目的是开发一种具有实用性的以位移计算方法为基础的设计方法。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。本文将根据工程实例，用有限元法土钉支护开挖工程分别进行模拟，研究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。1.土钉支护过程的有限元模拟方法为了模拟支护过程，在确定离散化网格时，必须考虑各步施工的工况特征。土钉支护过程可以简单地描述为分步开挖—加筋支护—分步开挖的循环过程。首先是开挖原始土体，造成稳定的初始应力场的变化，形成次生应力场，这种次生应力场就是造成边坡失稳的原因，当开挖深度不大时，边坡可以保持自稳，进行土钉的“锚固”以及喷射面层，然后进行下一步土体开挖，依次循环直至槽底。面层单元和土钉单元是在某一次支护时被生成而参与运算的，这些单元在离散化时就该考虑进去。对于土钉单元采用一维杆单元，面层单元采用板单元来模拟，支护结构和土体间的接触面单元采用修正了的Goodman单元。对于每一步支护，把与该步分支护所对应的单元(开挖后已是“空单元”)重新赋给支护材料的几何参数及力学参数。例如，对于面层施工模拟而言，将铺设面层处对应的开挖单元赋给钢筋混凝土的力学参数；对于土钉，在设置土钉处增加土钉单元，并赋给其相应的几何参数(土钉的倾角、长度、直径等)和力学参数(抗压强度、弹性模量等)。把每一施工步骤的计算结果迭加，即得最终的结果。严格来说，土钉支护问题是一个三维问题，当将其作为平面应变问题来处理时，需计算土钉的等效拉力作用和接触面积。在此，本文采用文献[1]中的方法，认为土钉的等效拉力作用等于单位支护宽度(单位“墙体”宽度)土钉的拉力，土钉的接触面面积为。其中，为钻孔直径，为土钉的水平间距，为土钉的长度。在一般的有限元计算中，常认为支护弹性模量为常量，这对于喷射混凝土来说，可能会得出与实际不符，甚至是荒谬的支护荷载和位移。众所周知，喷射混凝土的弹性模量，随龄期不断变化，一般在龄期28天以后才逐渐趋于稳定。由于土钉施工速度快，工期短，喷射混凝土在竣工前强度一般都不能达到稳定，因此当紧跟开挖面进行土钉注浆及喷射面层支护时，就必须考虑弹性模量变化对计算结果的影响。对于土钉支护技术中的分步开挖和支护这一特殊情况，应根据不同时间，由弹性模量与龄期的关系，给出相应支护步骤中的弹性模量。混凝土龄期与弹模的关系如下表所示[2]：表1：混凝土龄期与弹模关系表串龄期药(断天不)歪1冬2锄3史5傍7歉10册14君21傲28嚼200可#悉混凝土厦(痕GPa)吵0.75如6.23狼7.58迫11.92惑12.01穷18.00猛20.10丝23.90折27.90笋300挖#尺混凝土跳(创GPa)恢2.80厘9.00喉10.74然13.50株20.10粮24.00园24.00疫30.30碗33.01贤回故资归费方写俭程赖200采#伯虽300吨#漫翁2虽耽工程诸实例计算结果植2.1曾福工程概况间北京某秘商贸大厦工程裂位于北京市海健淀区北太平庄傅北路，场地主可要以第四纪粘艇性土、砂类土播、碎石土为主腹，根据钻探揭密露，场地地层计由上而下依次淋分别为：博①辜填土层，厚阻1.50话～屈2.50m动，层底深薄1.5派～牢3.50m象，可塑，稍湿损，稍密～中密竹；狗②善粘质粉土层，唉厚锤2.40魔～库4.60m伯，层底深度凡5.70毒～酿6.50m嫌，黄褐色，可康塑～硬塑，湿玉～饱和：沃③熔干重粉质粘土层抬，厚移0.90庆～庭1.90m随，层底深度道6.80决～闲7.70m惕，软塑，饱和笛；先④暮扰粉质粘土层，痛厚藏5.00系～封7.30m帜，层底深度泪14.00棕～涌18.30m撑；惰⑤坊街粘质粉土层，溪厚滔2.00劈～岛6.10m弟，层底深度柜14.00炼～造18.30m爬；唉⑥击回粉质粘土层，懒厚辟2.40法～软6.90m破，层底深度低20.40诵～配21.40m助。杀该基坑开挖深演度起初设计为斑8.87m趣，放坡歇77齿°弊，采用土钉支悼护。共采用五狂层土钉支护，券土钉钻孔直径列为坝0.13m点，土钉倾角为授15裹°种，土钉钢筋采转用铸Φ弹25梢的圆形截面筋裕；第一和第二稳层土钉的水平祖间距都为芳1.2m危，其余各层土亿钉的水平间距锈为虾1.5m饲。各土钉层间之的垂直间距为腾1.5m期，土钉注浆浆自液采用水灰比增为帮0.45亚～胀0.5见的水泥浆。支屯护面层采用间为距为驾250mm裤，直径为翼6mm团的钢筋做成面茶网，其上喷射太强度等级为乖C20恒的混凝土微10cm油。险5似层土钉的布置迹情况如表破2重所示：馆泥义恒表饭2渠妹土钉布置参数误表色土钉层号途1涛2踢3仰4疮5惜土钉长度锯(码m)症5.0羽6.0款5.0抖5.0绪4.0篇距地面距离遮(肾m)此2.0冲3.5宿5.0猪6.5直8.0柄由于后来甲方垒要求将基坑深阅度增至淹10.37m看，而原支护方病案没有改变，蔬因此造成超挖思1.5m寄，再加上施工阵工程中未能严韵格按照设计施黄工，基坑开挖苍面开挖角度大君于原设计的鹿77于°击，基本成竖直蚊开挖，局部开志挖面处甚至出搞现负角度开挖咐。随2.铁2耍芬单元剖分及计夸算区域的确定融单元剖分的粗拜细及计算范围炊的确定对计算版精度都有一定煎程度的影响。浑对于软土地区萌的深基坑开挖盒，开挖影响深配度为基坑深度和的蛛1.1桑倍。水平影响宝宽度也越为基罩坑深度的袭1弟倍，考虑到本皆场地的土层条晚件较好，因此纯开挖影响范围蹲要比软土地区婚基坑开挖的相翁对影响范围小声，因此本例将饭计算域向下延填伸季1.2喷倍开挖深度大惑小，向边坡外讨围同样延伸虾1.2功倍开挖深度。宜考虑到以后开兽挖支护的要求督，在网格划分利时，已考虑了料土钉支护的位六置和面层的位州置。计算中采惭用四边形四节寿点等参元，网喝格初始化图如暮图鸣1记所示。计算区霉域被剖分成亲572蚂个单元，稍618炮个节点，其中广5谷个三角形单元补。叠2.暂3芹事模型的确定和碎土体计算参数毙的选取源考虑到土体的锄剪胀性对于土乔钉的作用影响麻较大毁【验6冤】讯，为了便于比尸较无支护开挖渠和支护开依图撤1堤有限元网格剖偿分及计算模型仍图蹦挖过程中应力鱼、应变变化规片律以及边坡变艳形破坏的发展敲规律，在此作验者选用岩土工翻程中常用的，卡能较好反映岩回土体剪胀性和锁扩容性的守Drucke高r-Prag弹er烘破坏准则。根姜据计算区域内滚土体的物理力炮学性质，可将悉计算区域由上喂到下可分为三毕层，第一层为致填土层，厚度突为高2.0m流，土质较差；塌第二层为粉质疾粘土与粘质粉愁土互层土体，捞为钻孔揭露摊的峡②考～千④妨层土体，该层感中的各分层土踏体的征值相当，承载验力标准值接近思，因此可以划潜为同一大层之朽内。给层总厚伙度为涨10.5m鹿；第三层为粉愚质粘土层，较虽厚，超过计算映区域，该层在何计算区域内的乐厚度为采9.0m遥。各层土体的爽计算参数的选值取如表击3药所示。竿表心3吗狠土体参数表鞭土层晴1驻#赚填土档2能#踪栽粉粘、粘粉层徐罗3府#舞球粉质粘土龄厚度刚(慌m)建2.0的10.5粱9.0吼(寸kN/m式3病)栗19.5亩19.8妻20.5抬(收kPa)建2船28骑30谢(惨°科)高10脸30阀30秆0.35数0.33欺0.32石(箩kPa)为20000差23000窝25000倦2.扰4筝瓦分步开挖过程址描述规对深基坑土钉惩支护工程，由剧于都采用分步必施工的工艺，驱因此每一次模摆拟都应将开挖葛和支护深度作槽为本步模拟的县计算深度。结拨合本工程实际无开挖过程，整允个工程可分为讽7辰个工序，每一然工序定义如下臭：陡工序旷1秘：基坑开挖到沉地表下跃2.0m巡处（开挖厚度换2.0m辜），打土钉、茅喷射面层；夺工序春2唯：基坑开挖到雷地表下青3.5m芦处（开挖厚度渐2.0m覆），打土钉、只喷射面层；透工序职3叔：基坑开挖到燕地表下己5.0m嘱处（开挖厚度栽1.5m凯），打土钉、亡喷射面层；财工序锡4齐：基坑开挖到励地表下虾6.5m炎处（开挖厚度授1.5m浑），打土钉、皂喷射面层；屯工序衡5部：基坑开挖到翻地表下坛8.0m直处（开挖厚度慕1.5m小），打土钉、连喷射面层；枯工序悄6醒：基坑开挖到愚地表下当8.5m墙处（开挖厚度高0.5m之），喷射面层桥；叔工序娘7叉：基坑开挖到塘地表下贿10.5m款处（开挖厚度的2.0m惭）。丹本文把上述各逃工序的开挖深蚀度和厚度作为域分步开挖模拟碗计算的取值依唱据。筐土钉支护中，饰对于土钉插筋果本文采用一维糖杆单元，面层陪采用平面四边越形单元，面层演结构及土钉与气土体间的接触现面采用无厚度挽Goodma朱n掩节理单元护。参有限元计算参省数见笔表奏4计算结果椅2.4.循1细、拉应力区联闷献悔意岂表浆4缸律土钉支护有限线元计算参数表蛮土钉郊面层哀接触面单元棒直径停0.025仔m喝厚度魂0.1m白切向刚度弱5000kN辫m址-1强倾角状15哀°委抗压强度组12.5酷×蒸10告3脆kPa拳法向刚度羽200kNm姿-1孟弹性模量铲200芒×咱10乌6转kPa父弹性模量横25.5茧×情10够6蔬kPa排屈服强度畜310箱×土10抬3垦kPa宽泊松比脂0.25耳根据图敲2倍可以发现，由盒于土体中加入梦土钉，使得土员体的拉应力分订布区明显减小抹，并且拉应力爆区的出现比无检支护开挖晚得垄多，在第五步仗开挖后才出现谁。产生这一现领象的原因在于允，加入土钉后旬，土钉周围土忌体的应力转移膨到土钉上，土惊钉又将这一应拴力传递到周围娱土体中，体现评了土钉的应力好扩散和传递作艘用，这也是土帅钉作用机理的迹一个重要方面诉。择2.4.库2溉、剪应力区血从图慨3兆可以看出，土肝钉支护开挖的厕剪应力等值线果图分布及变化猾规律公为，停在坡脚出为剪糊应力集中区，碑随着开挖深度德的增大，剪应垦力集中区的范予围增大，应力糊集中程度也增琴大。括这说明随着基兵坑深度变化，品土钉中剪应力谢随深度增加捷。乖在边坡上部分偿，由于剪应力办较小，土钉内落可以使用唯截面积较小的基钢筋；边坡靠详近槽底时，由添于土钉内剪应觉力逐渐增加，穷所以应选用截穷面积大的钢筋天。锣2.4.勺3影居破坏区侍由破坏区分布芹演化图来看，糊支护开挖时的甲破坏区图与无仪支护开挖时明奇显不同，主要自表现为：催(燕1)菠加入土钉后破芹坏区的位置明锐显后移，分布稻在土钉的尾端理，而加固区域毁内的土体无破隔坏区的出现，太由此龙可见，土钉与模被加固区域内虑的土体形成了另复合土体，土稠体强度比原来期有所提高；周(惩2)块土钉支护后边赤坡破坏区的发颤展比无支护开杰挖时滞后。在凡无支护开挖中创，当开挖到昼5.0烟米时舅(站第三步开挖之站后原)世，填土下面的选土体开始出现坑破坏，破坏区禽开始向下扩展傻延伸鹰，借而采用土钉支秀护开挖，当开誓挖到叼6.5象米时，填土下肺面的破坏区才护开始出现破坏徒（图抄4厨中的第四步开墨挖）。在无支顺护开挖中，当丸开挖到第五步零后，在坡脚出垒现较大面积的帆剪切破坏区，档而对于土钉支班护开挖，坡脚蹈破坏区明显减握小。由上述分躺析可以看出，纳由于土钉支护哪使基坑的破坏偶发生滞后，因爪此，使用土钉沾支护可使边坡肠开挖更扔深，即在相同涝开挖深度条件沉下，在边坡中虚加入土钉可使怒边坡的安全系桐数得到提高。煎由图部4撤可以看出，当慰开挖到第六步锅时森(澡开挖深度民10.5蹄米虽)瓦，虽然在土钉物后端出现了一馒定范围的破坏乏区，但由于在境基坑的下部无家破坏区出现，售因此此时的边辜坡依然处于安蝇全状态。第七迫步开挖后，由省于超挖深度比微较大且在超挖何区没有采用土红钉支护，此时锡的破坏区，无触论是在水平方狭向上还是在竖钓直方向上，都茎比前一步分布桌广泛了许多，梅尤其在竖直方御向，破坏区基拌本延伸到基坑姑的底部，且在队脚处整个超挖辜范围内，土体抓全部产生破坏输。此时开挖面罗处的水平位移钥和地表的沉降帜量都比前一步县陡增了许多，肆见图栽7据、图眠8歉，由此可得出榜结论，当开挖脊到第卷7邮步时，土钉支戴护结构已完全音失稳破坏。积图爪3医纱开挖过程剪应秤力等高线图仔2.4.楚4狡.狐签位移分析气土钉的作用不娱但减小了开挖毛面的水平位移寨和地表的沉降叫变形，而且改献变了开挖面处魂水平位移的形呼状。当基坑开符挖后，由于应外力释放，土体杀必然发生向开竿挖面方向的位箭移，当加入土宝钉后，钉土接匹触面处产生摩继擦阻力，约束沈了土体的侧向星变形，并且侧怨向约束作用在说钉土接触面处居表现得盖最为明显，因在此土钉支护开愚挖面处的水平曾位移曲线呈茶现片“虾锯拥齿裕”鼻状僵。根据计算结屠果，基坑失稳液时，采用土钉化支护的坡顶最衬大位移比无支努护减小报38喘厘米，地面沉记降量减小裤13雷厘米。监图补5垫(贤1)猪第二步开挖节疲点位移矢量图绘驼埋蚕暮图鸦5掠(注2)尝第四步开挖节坑点位移图棚图爹5肥(3)脆漆第六步开挖节招点位移矢量图僻图耳5普量边坡开挖过程伶位移矢量图制2.4.产4.翁土钉轴力分析危图弦6微为分步开挖土铁钉的轴力分布遭图。由图可见左，土钉轴力的公分布规律与开斑挖过程密切相树关，上部的土彻钉表现拉应力招状态秃(棵为正锻)酬，而最下部的孕土钉则表现受浓压状态科(孝为负里)涂，随着开挖深肚度的增加，受链拉土钉的轴向谈拉力也增大，扒原来处于受压狗状态的土钉变漏为受拉。这是醋由于开挖深度事越大，开挖面塘附近土体的位笔移越大扶(毒如图怖6.汽5泥)土，钉土间的相婶对位移越大，身因此钉土表面贺的摩擦阻力增模大，从而引起罗土钉的轴力随秆开挖深度的增炮加而增加。土旗钉轴向拉力大炼体上呈抛物线谦形状，最大拉砍力点的位置也斑随着开挖深度番的增加而后移雅，在土钉长度汁相等的情况下卡，下面土钉的妈拉力大于上部雪；对非等长度柱土钉而言，土湾钉越长，其轴腿向应力越大。于从以上对土钉肺支护结构的应吊力、位移和土庸钉内力分析可的以看出，土钉火的作用在于分呢担了土体部分室应力予(量包括拉应力和苹剪应力刻)勾，并通过应力衰扩散作用将应恩力传递到周围与土体中，减小肾了土体应力集蚂中，因此减小图了土体破坏的外几率，充分发舍挥了周围土体棒的承载力。由树于土体侧向约星束作用，减小碗了基坑的变形谨，并且由于土挨钉的作用，使府得基坑的破坏到区的形成滞后愁于无支护开挖充，因此加入土脏钉后，基坑能帖开挖得更深而神不发生破坏。像这就是土钉作护用的机理插。土钉的轴力构并非象极限平屑衡法计算的那唯样是一成不变冬的，而是随开欲挖过程变化的役，这种变化体歪现在土钉轴向茫内力的性质叛(筑受拉受压状态骂)端上、土钉内力缸的大小上、以碰及土钉最大轴款力位置的变化沟上。3.结论候本款文对土钉霞支护农系统奔开挖于过程进行了有奔限元数值模拟罚，详细分析了亏开挖情况下的雕应力分布变化悦，位移变化规碧律及破坏面