基坑土釘支護(hù)的非線性有限元分析

王海波秦皇島市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院（066001）

0 引言

土釘墻是一種基于土體自身承載能力的擋土結(jié)構(gòu)，相對(duì)于其它支護(hù)形式，土釘墻的支護(hù)機(jī)理是通過(guò)對(duì)控制被加固土體的變形，實(shí)現(xiàn)土體的穩(wěn)定。土釘墻是通過(guò)將外裹水泥砂漿的鋼筋以一定間距置入土體，并在土坡表面噴射混凝土形成混凝土面層，實(shí)現(xiàn)對(duì)土體的加固[1]。

土釘墻支護(hù)的計(jì)算方法主要有傳統(tǒng)的極限平衡分析法和近年來(lái)發(fā)展較快的有限元法。極限平衡分析法具有概念明晰、計(jì)算簡(jiǎn)單、應(yīng)用廣泛的優(yōu)點(diǎn)，但是無(wú)法計(jì)算支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形[2]。利用計(jì)算機(jī)技術(shù)的有限元法,不僅可以計(jì)算支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與變形，還可以考慮土體的本構(gòu)關(guān)系和非均勻性、各向異性等特性，對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行模擬，計(jì)算精度較高。

1 土釘墻的有限元分析

1.1 土釘墻的構(gòu)造

土釘墻支護(hù)是在原位土體中按照一定長(zhǎng)度和密度置入注漿鋼筋或鋼管作為土釘，通過(guò)土釘與土體的相互作用彌補(bǔ)土體自身強(qiáng)度的不足，在開(kāi)挖面上設(shè)置鋼筋網(wǎng)并噴射混凝土形成面層或者設(shè)置預(yù)制混凝土面板，以進(jìn)一步限制土體的變形，保持開(kāi)挖面后土體的整體穩(wěn)定性。這種由原位土體、土釘、鋼筋混凝土面層三部分組成的支護(hù)結(jié)構(gòu)體系即為土釘墻支護(hù)[3]。相對(duì)于鋼筋混凝土樁、地下連續(xù)墻等被動(dòng)受力支護(hù)結(jié)構(gòu),土釘墻是一種主動(dòng)加固技術(shù)，能有效的發(fā)揮土體自身的強(qiáng)度。

1.2 土釘墻的有限元模型

目前在工程界應(yīng)用廣泛的土體本構(gòu)模型有DP模型和M-C模型。但空間狀態(tài)的M-C模型屈服面具有角隅性質(zhì)，不利于數(shù)值分析。D-P模型則對(duì)此進(jìn)行了改進(jìn)，使模型屈服面光滑，同時(shí)考慮了巖土材料的剪脹性和擴(kuò)容性。分析選用D-P模型，屈服表達(dá)式為:

式中:F為屈服函數(shù)，I1為應(yīng)力張量第一不變量，J2為應(yīng)力偏量第二不變量，α、K為D-P模型常數(shù)。

在結(jié)構(gòu)的有限元分析中，基于土釘墻結(jié)構(gòu)的自身特點(diǎn)，可將土釘墻的有限元計(jì)算簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問(wèn)題。構(gòu)建土釘墻結(jié)構(gòu)的有限元模型時(shí)，采用彈塑性D-P模型的基坑土體采用四節(jié)點(diǎn)等單元，土釘采用彈性桿單元，僅受軸力作用，噴射混凝土面層簡(jiǎn)化為彈性梁，受彎矩和剪力的作用。為了提高計(jì)算精度，更真實(shí)的模擬實(shí)際受力情況，在土釘墻結(jié)構(gòu)（土釘與混凝土面層）與土體之間設(shè)置了接觸面單元，以模擬結(jié)構(gòu)的接觸行為。

1.3 接觸面單元

土體和支護(hù)結(jié)構(gòu)之間的相互作用是一種接觸行為，很多情況下，這種接觸行為會(huì)產(chǎn)生土體和支護(hù)結(jié)構(gòu)之間的相對(duì)位移，為了更好的模擬這種接觸行為,可以在土體和支護(hù)結(jié)構(gòu)之間設(shè)置接觸面單元。工程中應(yīng)用廣泛的為無(wú)厚度接觸面單元，采用帶轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的Goodman無(wú)厚度接觸面單元，如圖1所示。接觸面單元由接觸面1-2和3-4組成，初始狀態(tài)下，兩接觸面完全吻合，厚度為0；受力變形后，利用3-4邊與1-2邊的相對(duì)位移，來(lái)模擬接觸面產(chǎn)生的拉裂、錯(cuò)位。

2 算例分析

某基坑長(zhǎng)130m，開(kāi)挖深14 m。基坑上部5 m范圍按45°放坡開(kāi)挖，設(shè)置土釘墻支護(hù),土釘長(zhǎng)3 m，間距1m，傾角15°；然后設(shè)置一寬度2.5m的平臺(tái)；下部9 m范圍按1:0.25放坡，土釘長(zhǎng)12 m，雙向間距1m，傾角15°；噴射混凝土面層厚150mm，采用Ф8@150鋼筋網(wǎng)，C25混凝土。

土釘最大軸力的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值見(jiàn)圖2，基坑土體位移的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值見(jiàn)圖3。

通過(guò)結(jié)果對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)，雖然計(jì)算值與實(shí)測(cè)值有一定的差異，但發(fā)展趨勢(shì)基本一致。

可見(jiàn)，針對(duì)土釘墻結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過(guò)合理選擇材料本構(gòu)模型和優(yōu)化有限元模型,利用有限元法，可以較好的實(shí)現(xiàn)對(duì)土工結(jié)構(gòu)的仿真，尤其現(xiàn)在計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，可以以較低的成本實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模的精細(xì)計(jì)算。但由于土釘墻結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，還難以做到利用有限元法取得精確結(jié)果，但其仍不失為分析結(jié)構(gòu)受力變化規(guī)律的一種有效的方法。

[1]陳肇元,崔京浩.土釘支護(hù)在基坑中的應(yīng)用(第二版)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2000.

[2]佘詩(shī)剛.土釘墻設(shè)計(jì)與施工監(jiān)測(cè)手冊(cè)[M].北京:中國(guó)科技術(shù)出版利,2000.

[3]CECS96-97,基坑土釘支護(hù)技術(shù)規(guī)程[S].