基于FLAC3D的復合土釘支護數值模擬分析

李晶晶,程祖鋒,耿立立,張蕊蕊

（1.河北工程大學 土木工程學院,河北 邯鄲 056038;2.河北工程大學資源學院,河北 邯鄲 056038）

復合土釘支護是一個三維問題,而現有理論和方法大都是將復合土釘簡化成平面問題來研究。在采用平面模型時,土釘在垂直于計算平面方向被展開成板狀,從而明顯夸大了釘-土界面的實際面積,而且這樣展開的土釘將其上下土層完全分開[1],在這種情況下無論是否加入界面單元及界面單元的力學參數如何取值,在理論上都不能符合實際[2]。對此,伍俊等人采用數值模擬方法研究了深基坑復合土釘支護結構的三維力學特性,結果表明數值模擬方法不僅能很好的模擬復合土釘支護的問題,還能夠清晰的顯現出基坑開挖過程中土體與支護結構的位移場和應力場[3-5]。

在目前眾多的數值模擬分析程序中,基于有限差分法的FLAC3D程序不僅能很好的模擬基坑的三維問題,而且能夠很好的模擬地質材料受力作用下屈服、塑性流動、軟化直至大變形等力學行為[6]。鑒于此,本文采用美國 Itasca Consulting Group Inc公司開發的FLAC分析軟件,對邯鄲市某基坑工程的預應力錨索復合土釘支護結構的開挖支護施工過程進行了模擬分析,并將模擬結果與實測結果分析對比,進一步揭示基坑在開挖過程中的變形特征,為基坑預應力錨索復合土釘墻支護的設計和施工提供有意義的參考。

1 作用機理

預應力錨索復合土釘是用于土體開挖和邊坡穩定的一種擋土支護技術,將土釘和預應力錨索置入土體中以較密間距間隔排列,使土釘、預應力錨索與土體共同作用形成復合支護。

預應力錨索與土釘聯合作用時,當土體開挖后,土體滑移范圍大于土釘的長度,此時土釘不能再加固土體,在此階段前及時置入預應力錨索,它可以提供支護抗力,阻止土體的進一步擾動,控制約束變形的發展,更重要的是改善了土體的應力狀態,使基坑邊坡體內的潛在破壞區、拉張區及塑性區大大減小,延緩或阻止滑動面的連通與出現,從而有效的控制錨索—腰梁結構影響范圍基坑土體變形,同時減少該范圍內土釘的軸力負擔。在工作狀態下,土釘和預應力錨索二者的受力狀態變化影響較小,它們能夠各自發揮作用。

2 數值模擬分析方法

三維快速拉格朗日分析是一種基于三維顯式有限差分的數值分析方法,它可以模擬巖土或其他材料的三維力學行為[7]。FLAC3D（Fast Lagrangian Anlysis of Continua 3 Dimension）是美國ITASCA公司開發的一種三維快速拉格朗日分析程序,包含了11種彈塑性材料本構模型,以及靜力、動力、蠕變、滲流、溫度等多種計算模式,可以模擬巖體、土體或其他材料實體等多種結構形式,以及梁、錨元、樁、殼等人工結構。FLAC3D采用有限差分法,記錄開挖每一時間步長下土體位移及結構的受力狀態,能夠充分考慮施工過程中的時間效應;同時采用人機交互式的批命令形式,在計算過程中根據施工過程,對計算模型和參數模型進行實時調整,達到對施工過程進行實時仿真的目的[8]。

3 案例分析

邯鄲市某基坑開挖深度為10 m,南北長約為210 m,東西寬約為148 m。該基坑位于邯鄲市叢臺路和東柳大街交叉口的東北角。基坑土體參數見表1。基坑支護方案為:東側采用土釘墻+灌注樁+錨索支護;西側采用灌注樁+錨索支護;北側采用土釘墻+錨索支護。依據本文的研究方向,只選擇北側支護方案進行研究,其中土釘采用1根d=18 mm的HRB335級鋼筋,砂漿注漿,具體參數見表2;錨索采用2束d=15.2 mm的1×7鋼絞線,錨固段用砂漿注漿,具體參數見表3。實際共設置4排土釘和2排錨索,其剖面圖見圖1。

表1 土層參數Tab.1 Soil parameters

表2 土釘參數Tab.2 Parameters of soil nailing

表3 錨索參數Tab.3 Cable parameters

3.1 有限元模型的建立

本文計算模型采用長50 m、寬25 m的區域進行模擬計算。土釘參數彈性模量E=2.50×104N/mm2,泊松比μ=0.30。錨索錨固段參數彈性模量E=3.00×104N/mm2,泊松比 μ=0.30;錨索自由段參數彈性模量E=1.95×105N/mm2,泊松比 μ=0.25。根據以上參數,運用FLAC3D編制程序,最后建立有限元模型如圖2。

3.2 計算結果分析

為了監測基坑邊坡土體水平位移的變化,在坡頂和不同深度測斜管所處的位置設置了監測點,通過FLAC3D中的History命令對各監測點的水平位移變化情況進行了監測。所得監測結果如圖3、圖4所示。

依據圖3可以發現,預應力錨索復合土釘支護結構水平位移變化總體呈兩邊小、中間大,最大水平位移發生在基坑邊坡的中下部,與實測結果是一致的。由圖4可知,基坑的水平位移隨著開挖深度增大而增大,但由于錨索的加入,對土體向坑內的傾斜有一定的限制作用,從而使下部土體位移變化率減緩,出現向下凹的現象。基坑土體最大水平位移模擬值為15.49 mm,而實測值為16.24 mm,二者相差0.75 mm,模擬值非常接近實測值,證明運用FLAC3D有限差分軟件模擬基坑水平位移的變化可以得到比較滿意的結果,而且通過模擬所得的結果可以用于指導施工。

為了進一步了解預應力錨索復合土釘支護是否優于純土釘支護,本文還以同樣的區域用FLAC3D有限差分軟件對純土釘支護結構進行了模擬,結果在土體開挖過程中土體出現失穩破壞,模擬結果未能完成。由此可見,預應力錨索復合土釘支護明顯優于純土釘支護,對基坑水平位移的控制具有良好的效果。

4 結論

1）預應力錨索復合土釘支護結構的水平位移變化呈“鼓肚”分布,且最大水平位移發生在基坑的中下部。

2）數值模擬計算得到基坑土體最大水平位移值為15.49 mm,現場實測結果為16.24 mm,模擬結果與實測結果基本吻合,說明FLAC3D可以為基坑支護的施工及變形提供可靠的預測值。

[1]宋二祥,邱王月.復合土釘支護變形特性的有限元分析[J].建筑施工,2001,（6）:370-374.

[2]張明聚,宋二祥.土釘支護變形性能的有限元分析[J].土木工程學報,1999,32（6）:59-63.

[3]伍俊,鄭全平,吳祥云.復合土釘支護技術的有限元數值模擬及工程應用[J].巖土工程學報,2005,27（4）:387-392.

[4]馬露,李琰慶,蔡懷恩.FLAC3D在深基坑支護優化設計中的應用[J].河北工程大學學報:自然科學版,2007,24（4）:35-38.

[5]孫春林.基于FLAC3D的軟土基坑開挖數值模擬[J].理論廣角,2011（1）:162.

[6]吳忠誠,湯連生,廖志強,等.深基坑復合土釘墻支護FLAC-3D模擬機大型現場原位測試研究[J].巖土工程學報,2006,28（增1）:1460-1465.

[7]薛麗影,楊斌.FLAC在復合土釘支護變形分析中的應用[J].建筑科學,2005,21（6）:95-100.

[8]王宏輝,張仙義.基于FLAC3D的圓形隧道應力位移的數值模擬與分析[J].市政·交通·水利工程設計,2008（2）:73-78.