基于FLAC3D的矩形人工挖孔樁護(hù)壁變形規(guī)律分析

常羅 李德武

蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅定西，743000

基于FLAC3D的矩形人工挖孔樁護(hù)壁變形規(guī)律分析

常羅 李德武

蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅定西，743000

在ANSYS中建立實(shí)體網(wǎng)格模型，在FLAC3D中對(duì)模型進(jìn)行模擬開(kāi)挖并施加護(hù)壁，分析總結(jié)了在單一的砂泥巖地層中開(kāi)挖矩形樁孔時(shí)護(hù)壁的變形規(guī)律，并對(duì)比了存在粉質(zhì)粘土和砂泥巖兩種巖性的地層中人工開(kāi)挖樁孔時(shí)巖層交界面對(duì)護(hù)壁的變形影響。

護(hù)壁；人工挖孔樁；變形； FLAC3D

1 具體步驟

1.1 模型建立

設(shè)計(jì)人工挖孔樁的尺寸為2.0m×2.5m，護(hù)壁厚0.15m，周?chē)鷩鷰r為護(hù)壁向外延伸10m，設(shè)計(jì)開(kāi)挖深度為25m，模型建立高度為30m；為便于計(jì)算及查看結(jié)果，由對(duì)稱性原則取模型的一半進(jìn)行模擬。此次計(jì)算中，在ANSYS中建立實(shí)體模型，其中平面網(wǎng)格劃分采用4節(jié)點(diǎn)四邊形單元PLANE42，實(shí)體網(wǎng)格劃分采用8節(jié)點(diǎn)3D實(shí)體單元solid45，生成實(shí)體網(wǎng)格后，將節(jié)點(diǎn)和單元信息導(dǎo)入到FLAC進(jìn)行計(jì)算及后處理，實(shí)際共生成節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為12803，單元個(gè)數(shù)為11460。文中將同一巖性地層中數(shù)值模擬定為工況一，將兩種巖性下的地層模擬定為工況二。

1.2 設(shè)計(jì)參數(shù)選擇

設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)圍巖和護(hù)壁采用兩種不同的本構(gòu)模型，圍巖采用摩爾—庫(kù)倫（mohr-coulomb）彈塑性模型，而護(hù)壁考慮到其本身的空心樁體特性，采用完全彈性模型（elastic）。本次計(jì)算中，在摩爾—庫(kù)倫模型中需要輸入的力學(xué)參數(shù)有：體積模量K、剪切模量G、粘聚力C、內(nèi)摩擦角φ和密度ρ，在完全彈性模型中需要輸入的力學(xué)參數(shù)有楊氏模量E、泊松比u和密度ρ。

表1 巖體材料參數(shù)

考慮到在實(shí)際施工中，以C20混凝土現(xiàn)場(chǎng)澆筑的護(hù)壁主要依靠其早期強(qiáng)度，且存在大量的施工縫，因此C20的楊氏模量取值為2.5GPa，護(hù)壁材料材料參數(shù)如表2所示。

表2 護(hù)壁材料參數(shù)

2 數(shù)值模擬計(jì)算

2.1 收斂標(biāo)準(zhǔn)

此次運(yùn)算中采用FLAC3D程序的默認(rèn)收斂標(biāo)準(zhǔn)（亦稱相對(duì)收斂標(biāo)準(zhǔn)），即當(dāng)體系最大不平衡力與典型內(nèi)力的比率R小于定值10-5（也可自定義數(shù)值）時(shí)計(jì)算即行終止。

2.2 模型開(kāi)挖

初始地應(yīng)力場(chǎng)生成后便可在初始應(yīng)力計(jì)算的基礎(chǔ)上進(jìn)行荷載施加，此次運(yùn)算的荷載是模型開(kāi)挖造成的應(yīng)力釋放。因?yàn)樽罱K只需要觀察分析由開(kāi)挖造成的護(hù)壁變形量，所以在開(kāi)挖操作前，需要對(duì)初始應(yīng)力計(jì)算中造成的節(jié)點(diǎn)的速度、位移進(jìn)行清零處理。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 工況一下護(hù)壁位移分析

圖1繪制了工況一下護(hù)壁橫截面關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)沿深度變化的位移曲線圖，圖2繪制了工況一下樁孔底部護(hù)壁橫截面的位移變化輪廓圖。從圖中可以看到：（1）長(zhǎng)邊中點(diǎn)A向臨空面位移最大，其次為短邊中點(diǎn)B，最小為角點(diǎn)；（2）護(hù)壁向臨空面的位移增幅并非線性增加；（3）護(hù)壁最大位移值為孔底長(zhǎng)邊中點(diǎn)向臨空面平移3.1mm，可見(jiàn)護(hù)壁的變形值并不顯著。

圖1 護(hù)壁沿深度向臨空面的位移值

圖2 孔底處護(hù)壁橫截面變形圖

3.2 工況二與工況一護(hù)壁位移分析對(duì)比

圖3，4分別為工況一、工況二下模型y向位移云圖，由于坐標(biāo)軸原點(diǎn)位于護(hù)壁形心處，所以兩邊位移符號(hào)相反，紅色為正向，藍(lán)色為負(fù)向。從圖中可以看到云圖中護(hù)壁及圍巖的y向位移沿深度增加而增加，且兩邊位移值沿坐標(biāo)軸對(duì)稱變化。這是由于在計(jì)算中將地基土設(shè)置了各向同性的特性，因此在地面下處同一深度水平面上各點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)相同，在樁孔開(kāi)挖后應(yīng)力重分布，在護(hù)壁周?chē)鷮?duì)稱的形成應(yīng)力集中現(xiàn)象，也就是主動(dòng)土壓力作用。

圖3 工況一 護(hù)壁長(zhǎng)邊中點(diǎn)深度—位移云圖

圖4 工況二 護(hù)壁長(zhǎng)邊中點(diǎn)深度—位移云圖

4 結(jié)論

（1）矩形護(hù)壁的變形規(guī)律表現(xiàn)為：同一橫截面處，長(zhǎng)邊中點(diǎn)位移最大，其次是短邊中點(diǎn)位移，最小是矩形護(hù)壁的角點(diǎn)。

（2）沿深度增加，護(hù)壁向臨空面的位移增加，但并非呈線性，而是在樁孔頂部和底部附近變形較快，在中間段變形緩慢。

（3）巖層交界面對(duì)交界面附近的護(hù)壁有較大的變形影響，但是超過(guò)交界面所在深度后，其對(duì)護(hù)壁變形的影響將快速減弱。

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常羅/1991年生/甘肅定西人/碩士/研究方向?yàn)樗淼兰暗叵鹿こ?/p>