土釘墻結(jié)構FLAC3D受力性能模擬分析

摘要：結(jié)合FLAC3D數(shù)值模擬軟件對土釘墻支護結(jié)構的受力性能分析，得出土釘在基坑開挖過程中的受力性能和變形特性，為基坑支護的設計和施工提供指導作用。

無論教科書還是在《建筑基坑支護技術規(guī)程》中，都是假設土釘在其軸線方向上承受平均剪應力來進行考慮分析，通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件對土釘?shù)氖芰^程和機理進行分析，土釘?shù)膶嶋H受力狀況并不遵循這一規(guī)則。在實際工況下，土釘內(nèi)的受力狀況是不均勻分布的，在邊坡中部附近的土釘，其拉力一般呈現(xiàn)出中間大、兩段小的棗核形狀，土釘?shù)氖芰μ攸c主要根據(jù)其破裂面的位置決定，但并不完全重合。實際的破裂面并不是唯一確定的，主要由實際土層情況、現(xiàn)場周圍環(huán)境和設計參數(shù)所決定。

一、土釘軸力模擬分析

采用FLAC3D仿真模擬軟件對土釘支護結(jié)構進行分析，土釘受力見下圖1和2所示。

● 圖1 土釘平均軸向應力（開挖距底部1m時）

● 圖2 土釘平均軸向應力（開挖完成后）

由圖1和圖2得知：土釘在支護結(jié)構中所受的軸力狀態(tài)并非規(guī)范設計當中所采用的平均剪應力。土釘全長范圍受拉，拉應力的大小沿土釘長度方向不均勻分布，總體呈現(xiàn)出中間大、兩端小的分布規(guī)律，其最大拉應力值出現(xiàn)在邊坡破裂面的附近；在豎直方向上，呈現(xiàn)出中部和上部的土釘受力較大，下部坑底附近土釘受力較小的分布規(guī)律。隨著土方開挖，土釘所受的軸力呈逐步增大趨勢，在垂直方向上土釘?shù)氖芰χ饾u向下轉(zhuǎn)移，在土釘長度方向（水平方向）土釘?shù)膬?nèi)力也逐漸向尾部傳遞，土釘?shù)姆逯祽ο蚱屏衙娓浇D(zhuǎn)移。土釘越是往下，所受軸力的峰值點越是靠近面層，說明破裂面的位置為邊坡上部距離基坑較遠處，邊坡下部靠近面層的圓弧狀。

● 圖3 土釘周圍水泥漿應力

圖3所示為在土釘四周用圓錐體來描述的水泥漿應力，圓柱半徑的大小與應力大小成正比。通過土釘周圍水泥漿的應力圖可以清楚的看到土釘所受到的土應力的大小、性質(zhì)和分布規(guī)律。圖中紅色部分表示不穩(wěn)定區(qū)域土體與土釘周圍水泥漿的接觸面上的摩擦力 ， 是由于土體在其接觸面上的位移所產(chǎn)生，在此區(qū)域內(nèi)的土體由于基坑開挖產(chǎn)生側(cè)向位移，土釘起到約束土體位移、增加土體剛度的作用；黑色部分表示在穩(wěn)定區(qū)域土體與土釘周圍水泥漿的接觸面上的摩擦力 ， 是由于土釘在穩(wěn)定區(qū)域的滑移所產(chǎn)生，此階段土釘起到應力傳遞和擴散的作用。 和 雖然同為土釘周圍水泥漿上的應力，但是其受力機理卻完全相反，一個是不穩(wěn)定區(qū)域土體的滑移造成的土釘被動受力，另一個則是土釘?shù)幕圃斐傻闹鲃邮芰ΑＴ诖怪狈较蛏希玲斨車酀{受到的 和 分布規(guī)律不盡相同，豎向上部的土釘所受的摩擦力 分布長度最長，中部次之，底部最短，說明在上部產(chǎn)生側(cè)向位移的土體區(qū)域較大，而在下部產(chǎn)生側(cè)向位移的土體區(qū)域較小。在土釘所受的摩擦力 區(qū)域內(nèi)，中上部土釘?shù)哪Σ亮Ψ逯狄话愠霈F(xiàn)在尾部摩擦力接近零的區(qū)段，下部土釘?shù)哪Σ亮Ψ逯祫t出現(xiàn)在土釘?shù)亩瞬浚幌虏客玲斈Σ亮?的端部由于第三主應力 最大出現(xiàn)明顯的應力集中現(xiàn)象。

二、邊坡位移數(shù)值模擬分析

對于土釘支護結(jié)構的邊坡位移，運用FLAC3D進行模擬計算

● 圖4 土釘墻位移量等值線陰影圖 ● 圖5 Y向（即水平向）位移等值陰影圖

● 圖6 Z向（即豎向）位移等值陰影圖

通過對土釘支護結(jié)構位移云圖分析結(jié)果表明：由于基坑開挖，在自重應力的作用下引起的基坑位移呈現(xiàn)出“探頭”形狀，上部坡頂最大，坡底最小。在水平方向，即邊坡向基坑內(nèi)的位移方向上，呈現(xiàn)出基坑中下部的位移量較大，上部和下部較小的“鼓肚”狀。在豎直方向上，呈現(xiàn)出自上而下逐漸減少的位移趨勢。

綜上所述，土釘支護結(jié)構起到了約束土骨架的作用，土釘制約著土體的變形，使土釘和土復合成一整體，承擔了主要的荷載，由于土釘本身所具備的較高的抗拉、抗剪切的作用，當土體產(chǎn)生位移的時候應力逐漸轉(zhuǎn)向土釘，延緩了土體塑性區(qū)的開展，當土體出現(xiàn)開裂現(xiàn)象時，土釘承受和分擔了更多的應力。依靠土釘與土界面相互摩擦的作用，土釘將承受的荷載沿其長度方向穩(wěn)定區(qū)域土體內(nèi)傳遞，使基坑的穩(wěn)定性得到了極大的提高。

三、結(jié)論

（一）通過FLAC3D對土釘受力狀況模擬，可以清楚的看到土釘軸力中間大、兩頭小的分布規(guī)律。可以通過土釘受力的模擬，分析不同長度土釘軸向的受力狀況，得出最合理的土釘長度，達到優(yōu)化設計的目的。

（二）根據(jù)FLAC3D分析的動態(tài)顯示結(jié)果，可以分析出基坑受力變形特點及位移趨勢，在邊坡中下部的位移量和位移增量最大，在滿足穩(wěn)定性要求條件下，邊坡中下部為最危險作業(yè)面，從而為設計和施工進行指導。

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【作者單位：許瑤，內(nèi)蒙古科技大學】

楊海珍，包鋼建安（集團）有限責任公司】

張璐，核工業(yè)208大隊】