某复合土钉支护基坑三维有限元分析

某复合土钉支护基坑三维有限元分析
俞登华;尹骥
【摘要】采用三维有限元方法计算复合土钉支护位移和整体稳定性.通过某软土复合土钉支护的实例分析,验证了有限元方法在该领域应用的可行性.
【期刊名称】《河南科学》
【年(卷),期】2010(028)009
【总页数】3页(P1167-1169)
【关键词】有限元;复合土钉支护;位移;整体稳定性
【作者】俞登华;尹骥
【作者单位】同济大学,地下建筑与工程系,上海,200092;上海岩土工程勘察设计研究院有限公司,上海,200438
【正文语种】中文
【中图分类】TU46.3
随着有限元理论的完善和计算机硬件水平的飞速发展，采用有限元方法分析岩土工程问题已经变得现实.此外，有限元计算结果的信息量非常丰富，是传统设计方法无法比拟的.
复合土钉支护是基坑工程中得到广泛采用的一种支护型式[1].该方法涉及到土－超前支护－土钉共同作用的问题，作用机理比较复杂.而目前设计中采用的规范方法是假定土钉加固区域为刚性的墙，然后针对“墙”进行各种稳定性计算，而不考虑“墙”自身的变形及其对“墙后”土体的影响.这种分析方式过于简单，没有体现
出土钉与土体、超前支护共同作用所发挥出来的优势.
有限元方法可分析复合土钉支护的位移、应力、应变场、土钉轴力、超前支护的内力、作用在超前支护上的水土压力、整体稳定性等[2].
土体本构模型的选取是有限元分析的核心[3].常用的土体本构模型有线弹性模型、
非线性弹性模型（邓肯－张模型）、理想弹塑性模型、（修改）剑桥模型、应变硬化（软化）模型、硬化土模型（Hardening soil model，1999）等.其中除了剑桥模型、邓肯－张模型（弹性卸载）和硬化土模型可用于考虑加卸载模量区别之外，其他本构未能考虑卸载模量与加载模量的区别[4].对于基坑工程这样的开挖问题，
采用未考虑回弹模量的本构模型，计算的结果往往呈现坑底隆起量过大的特征，并导致基坑沉降槽位移失真.另一方面，土体变形计算的偏差导致搅拌桩（超前支护）和土钉内力的正确计算难以得到.本构模型的强度参数，一般根据工程所处土层特性、地下水位高低选取三轴有效应力或总应力指标.在方案阶段或地质资料不全时，可根据当地经验，通过标贯值推算强度参数.
某基坑开挖深度约为 4.5～5.5 m，基坑周长约 324 m，面积约4 200 m2.基坑围护采用单排1.01 m长、0.7 m宽水泥土搅拌桩作为超前支护的复合土钉支护.土钉水平间距 1.0 m，自上而下长度分别为 9.0，12.0，12.0，9.0，6.0 m，土钉倾角除最后一排为20°外，其余均为10°.基坑围护平面布置如图1所示.
基坑所处地层的物理力学特性如表1所示，搅拌桩参数：内聚力 80 kPa，摩擦角20°，重度 18.0 kN/m3，弹性模量 E＝50 MPa，超载取 20 kPa.
本文复合土钉支护有限元分析采用由Swiss Federal Institute of Technology开
发的岩土工程2D/3D有限元程序Z＿SOIL3D.该程序广泛用于岩土工程领域内的
应力－应变分析、渗流分析（稳态、瞬态）、固结分析（流固耦合）、动力分析（时程分析）、热量水分迁移分析（大坝混凝土浇筑）、稳定性分析、土－结构共同作用分析等.该程序基于图形化操作界面，前处理较为方便，且支持其他专业网
格划分工具的生成，使其可以轻松应对复杂的岩土工程问题，且其强大的后处理功能，可以显示丰富的数据结果.
3D分析土体、搅拌桩、土钉和接触面参数的设置同2D分析.模型尺寸为210.0
m×172.0 m×30.0 m，基坑轮廓线按照实际尺寸选取.约束条件为底面各个方向都固定，侧面外法向固定，顶面自由.计算模型如图2所示，搅拌桩、土钉、接触面
局部放大图如图3所示.3D计算结果数据量巨大，故选取某些由代表性的点加以分析，如图4所示.
2.3.1 稳定性计算结果从位移矢量图5可见，基坑破坏时阳角出位移远大于其他区域，该区域的稳定性决定了整个基坑的稳定性.故设计时常在阳角处辅以坑底加固，以提高整体稳定性.3D的整体稳定系数Fs为2.1（精度同2D），比2D的整体稳
定系数增加了20%.本基坑规模较小，空间效应比较明显，采用2D分析偏于保守.
2.3.2 3D位移计算结果阳角A、E、H点处，各个开挖工况在水平面内位移矢量合，如图6所示.基坑开挖面以上的位移趋势亦呈“鼓肚子”模式，但坑底以上位移突
变比较剧烈.最大位移发生在最后开挖面的上层.坑底处水平位移受最后一道土钉约
束非常明显，故最大位移未发生在最后开挖面.而跨中D点处的位移趋势，与2D
分析更加接近，只是位移最大值略大.可见，对于边长较长的基坑的跨中处，采用
平面应变分析是可行的.
2.3.3 位移与稳定性的关系搅拌桩水平位移与强度折减系数的关系如图7所示.随
着折减系数的增加，阳角处桩体水平位移自Fs＝1.5起开始迅速增加，到极限状态时，最大位移值已发展到120 cm左右.最大水平位移发生在地表以下4 m左右，变形模式除破坏工况外均为“鼓肚子”；折减系数自Fs＝1.7～2.1，坑底处水平
位移突变.故可认为折减系数Fs大于1.7时搅拌桩开始剪断.
通过采用三维有限元程序分析复合土钉支护的位移和整体稳定性，可得出以下结论：1）有限元方法可模拟复合土钉支护“鼓肚子”位移模式，与工程实际比较相符；
2）有限元方法可模拟出复合土钉支护的地表沉降槽与普通无超前支护的明显不同；3）有限元方法计算复合土钉支护的整体稳定性，基于真实应力场，综合考虑土－结构的相互作用，结果较符合实际.
4）三维有限元分析，可分析空间效应对稳定性的影响；如有需要可以据此优化挖土方案，在不增加造价情况下使基坑稳定系最高.
【相关文献】
［1］李象范，尹骥，管飞.松软地层中基坑工程的复合型土钉支护［J］.岩石力学与工程学报，2005，24（21）：3876－3882.
［2］宋二祥，邱玥.基坑复合土钉支护的有限元分析［J］.岩土工程学报，2001，22（3）：241
－244.
［3］杨林德，李象范，钟正雄.复合型土钉墙的非线性有限元分析［J］.岩土工程学报，2001，23（2）：149－152.
［4］尹骥，杨林德，管飞.强度折减法确定的复合土钉支护整体稳定系数［J］.岩石力学与工程学报，2005，24（21），3882－3886.。