土钉支护结构变形的FLAC3D分析.pdf

第6 l 卷第2 期 20 09 年5 月 有色金属 N o n f e r r 0 I l sM e t a l s V 0 1 ．6 1 ．N o ．2 M a y2O09 土钉支护结构变形的F L A C 3 D 分析 王明龙1 ，李洪涛2 ，安枫垒3 ，王平易4 ，王华锋5 1 ．深圳市勘察测绘院有限公司，广东深圳5 18 0 2 8 ；2 ．河南省电力勘测设计院，郑州4 5 0 0 0 7 ； 3 ．河南省交通规划勘察设计院，郑州4 5 0 0 5 2 ；4 ．中国水电顾问集团贵阳勘测设计研究院，贵阳5 5 0 0 0 2 ； 5 ．广西水利电力勘测设计研究院，南宁5 3 0 0 2 3 籀 要在分析土钉受力状态的基础上，采用F L A c 3 0 软件研究土钉支护结构的变形。根据土钉支护结构的开挖、支护现状， 在大变形条件下。分别对钉支护结构的整体变形，土钉的拉伸、剪切变形的进行数值研究．并将结果进行对比分析，从而得到了 变形的变化规律，结果可为理论研究和相关设计提供一些有价值的参考。 关键词采矿工程；土钉支护；变形规律；基坑；F L A C 3 0 ；位移 中图分类号T D 8 5 4 ．6 ；T u 4 1 3 ．6 2文献标识码A文章编号1 0 0 1 一0 2 1 1 2 0 0 9 0 2 一0 1 1 9 一0 6 土钉支护 经过土钉加固过的土体 是用于土体 开挖和边坡稳定的一种挡土技术。它能充分发挥土 体能量，提高土体的自身强度和自稳能力，使土钉和 边坡形成了一个复合体，确保了施工安全和工程稳 定，具有良好的经济和社会效益【l _ 3J 。 目前，工程中对土钉变形机理认识不深，大多是 依靠经验来进行设计，出现了理论滞后于工程实践 的现象H 。J 。从检索到的资料来看，很多资料对土 钉支护机理进行了论述和探讨，但是土钉变形的研 究很少进行分析和验证。结合某基坑工程实例，建 立了土钉支护结构模型，分析出地表沉降、支护体变 位、基坑隆起三者之间存在着耦合关系，用常规的方 法进行分析是比较困难的，采用F L A C 3 D 软件L 8 j 对 土钉支护结构受力和变形进行了详细的模拟与对比 分析，重点是研究土钉变形，并分析了土钉的受力和 变形规律，得出了一些有意义的结论。 1土钉变形分析 根据土钉的受力状态及结构特征，土钉的总位 移是由土钉的弹性变形、塑性变形、钢筋和砂浆体的 切向变形以及土钉与周围土层切向变形等组 成侈- 12 J 。土钉的塑性变形一般很小的，可以忽略。 如果将土钉视为一个整体，这钢筋和砂浆体之间的 收稿日期2 0 0 7 0 4 一0 3 基金项目河南省高校杰出科研人材创新工程项目 2 0 0 5 K Y C X 0 1 5 作者简介王明龙 1 9 7 9 一 ．男，河南杞县人，工程师，硕士，主要从 事岩土工程和地质灾害防治等方面的研究。 剪切变形也可以不考虑的。因此，土钉的总位移司 表示为s s 。十s 。式中s 。和s 。，分别为土钉的弹性 变形和土钉与周围土体的剪切变形。 1 ．1 土钉拉伸变形分析 主要考虑土钉的受拉特性，认为土钉的横向抗 剪作用是很微小的，抗剪作用不考虑[ 5 ，1 3 。5 1 ，相应 的土钉横向剪切变形也忽略不计。因此，土钉的弹 性变形主要指土钉的拉仲变形。 I ．2 土钉与周围土体的剪切变形分析 对土钉进行受力分析，土钉在与土体作用的时 候，土体的轴力和剪力存在一阶导数关系，并且当轴 力最大时，剪应力为零，此点被成为“中性点”，见图 l 和图2 。土钉所受剪应力的方向均背向中性点，其 结论与无托盘锚杆的剪力方向基本上一致6 l 。根 据力与位移的对应关系，土钉支护结构的剪切位移 变化曲线也是呈两边大，中间小的形状分布，在后面 的分析结果中将得以验证。 图l 土钉轴力分布 F i g ．1D i s t 抽u t i o no fa x 础f o r c eo fs o i ln a i l 万方数据 1 2 0 有色金属第6 1 卷 图2 土钉剪应力分布 F i g ．2研S t r i b u t i o no fs h e a rs t r e s so f 耐ln a i l 2土钉支护结构受力模型 2 ．1 基本假定 1 土钉支护结构是平面应变问题。 2 土钉与 土体作用的锚固力由土体位移产生，若土体没有位 移，土钉不受力。 3 模拟的过程中，不考虑地下水 影响，认为地下水位已满足要求。 4 不考虑土钉的 横向抗剪作用。 5 土钉与周围土体完全粘结，满足 变形相容条件。 6 钢筋和浆体为理想弹性体，周围 土体理想弹塑性体，服从摩尔一库仑强度屈服准则。 2 ．2 模型的建立及参数的选取 基坑采用土钉支护，土钉为5 排，土钉钻孔直径 为0 ．1 5 m ，土钉长均为8 m ，土钉倾角为1 0 。，分5 步 开挖，土钉间距从地面往下依次为1 ．6 ，1 ．4 ，1 ．4 ， 1 ．3 ，1 ．3 m 见图3 。注浆浆液采用水灰比为O ．4 5 0 ．5 的水泥浆，面层钢筋为I 级怕．5 m m 2 0 0 m m 2 0 0 m m ，面层混凝土等级为C 2 0 ，厚度为 0 ．1 m 。 鲁 一 孽 一 孽 一 图3 土钉墙剖面 F i g ．3 S e c t i o np l a n eo fS 0 i ln a i l 计算的几何模型是以模型基底的左下角为原 点，东西向 x 向 为1 8 m ，南北向 y 向 为2 m ，垂直 方向 负z 向 为1 8 m 。模型共有2 6 6 0 个单元，4 2 1 2 个单元节点，1 0 0 个c a b l e 单元，见图4 。 土钉采用c a b l e 单元，土钉材料弹性模量为3 0 0 1 0 7 k P a ，抗拉强度为2 ．3 5 1 0 5 k P a ，浆体刚度为 4 ．2 1 0 4 k P a ，浆体粘聚力4 ．5 1 0 4 N ／m ，浆体内摩 擦角为2 5 。，土钉横截面积为7 ．8 5 1 0 。m 2 。 根据模型所在的地质结构特征及岩土体的物理 力学性质和基坑开挖情况，将计算模型概化为5 层， 模拟过程中不同岩土计算参数取值见表1 。 图4 基坑开挖模型 F i g ．4 M 0 d e lo ff o u n d a t i o np i te x c a v a t i o f l 表l 材料的物理力学参数 T a b l el P h y s i c a la n dm e c h a n i c a Ip a r a m e t e r so fs o i Im a s s 2 ．3 边界条件 ． 该模型的坐标系采用直角坐标系，x o y 平面取 为水平面，z 轴为铅直方向。在水平面上，东西方向 为x 方向，南北方向为y 方向，并且规定向东为正， 铅直方向向上为正。坐标系原点取在模型基底的左 下角。 边界条件的设置采用模型周边侧向约束，不允 许水平方向位移，底面约束允许铅直方向变形，底面 采用固定支座，四面采用可动支座边界条件。强度 准则采用摩尔．库仑准则和弹塑性本构关系。 2 ．4 数值模拟 数值模拟完全按照施工的顺序，分5 步开挖，开 挖后进行土钉支护。基坑深7 ．5 m ，开挖坡角为8 2 。， 因为此角度对基坑安全系数的影响较为强 烈【1 7 。18 J ，土钉为钻孔注浆土钉，沿深度设置五排， 为了便于对比分析，取每排土钉长度为8 m ，倾角均 为1 0 。，每排土钉分为2 0 个小单元，每个单元0 ．4 m ， 假设在这一个小单元内土钉的力学性质分布是均匀 万方数据 第2 期王明龙等土钉支护结构变形的F L A C 3 0 分析1 2 l 的。采用大变形分别进行数值模拟，因为大变形理 论计算结果比小变形理论计算更精确‘‘9 l 。 3 数值模拟结果及分析 3 ．1 基坑位移分析 在基坑支护结构形成之后，随着基坑内土体的 挖除，支护结构在背侧土压力作用下将产生向基坑 方向的水平变位，同时地表出现沉降而且因基坑内 土体处于连续卸荷状态，坑底将发生回弹和隆起。 另外还因为施工期间采取降水措施，地表又会因为 水位下降，产生周结沉降。可见，基坑开挖引起的地 表沉降主要由墙体变位引起、基坑隆起引起及墙外 地层固结沉降引起三部分组成。软弱土层中，前二 者是主要的。由于该基坑是沿8 2 。开挖，基坑边坡 变形的最大值不是在基坑的顶部或上半部分，而是 在下半部分。这和许多文献论述垂直开挖的基坑， 基坑变形的最大值在坡顶是不同的。 在模拟基坑变形的过程中，考虑基坑最终达到 平衡的状态，对基坑沿x 和z 方向进行了详细的分 析，模拟的图形和结果有如下几个方面。 3 ．1 ．1 基坑水平位移分析。 1 结合基坑顶部几个点的位移历史记录 见图 5 ，经过开挖、支护后，顶部点的x 向位移随着施工 的进行呈台阶状逐渐增加，最终处于一个平衡状态， 端部基本上处于一个水平线。基坑在水平向的位移 最大值发生在基坑中下部的地方 见图6 ～图8 ，基 坑中下部靠近开挖面处的等值线密度较大，说明此 处的位移变化梯度较大，是基坑变形破坏的重要部 位。基坑水平向位移最大值约为4 ．5 c m 。从塑性区 分布的角度出发，塑性区将从基坑的底部沿一定的 角度向上发展，随着荷载的增加，当达到极限荷载 时，塑性区将可能沿着某一滑面贯通到顶部，最终导 致基坑失稳破坏。 图5 F i g ．5 图6 水平向位移轮廓 F i g ．6 H o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n to fs l o p e 2 在基坑顶部离基坑开挖面约9 m 处的地方， 该处水平向位移等值线基本上是垂直的 见图8 ， 其值约为1 m m ，就是说在基坑的施工中，基坑附近 地面的沉降随距坑边距离的增加而很快衰减，此处 及其以外的土体受开挖影响很小或几乎不受影响， 充分地表明基坑开挖是有一定的影响范围的，要根 据具体的地质条件而采取相应的治理措施减小其对 周围环境的危害。模拟得到的影响范围和文献旧o J 的结论不太一致，文献旧叫提出地面距离等于基坑深 度时，水平位移几乎为零，而模拟结果是当距离等于 基坑的深度的1 ．1 倍时则沉降接近于零，原因是文 献【2 0 J 是指垂直开挖，模拟的是斜面开挖。 鬈 图7 水平位移矢量图 F i g ．7 H o r i z 。n t a ld i s p l a c e m e n tv e c t o ro fs l o p e O 5I l J 1 5 脚哪 图8 水平方向位移等值线图 F i g ．8H o z o n t a ld i s p l a c e m e n t Sc o n t o u ro fs l o p e 3 在基坑底面下2 ～3 m 处，仍有约3 c m 的水 爆 船 S O 万方数据 1 2 2有色金属 第6 1 卷 平位移，所以基坑底面以下土体变形同样受上部土 体开挖卸荷的影响，其影响深度与土体强度和上部 荷载大小有关。 3 ．1 ．2 基坑垂直位移分析。 1 基坑在垂直向的位移 见图9 ～图1 1 ，对于 基坑的顶部，地面的最大沉降量位置在基坑最右边， 最大约为1 ．9 c m ，基坑边沿沉降量约为1 ．7 c m 。究 其原因，其一基坑是斜面开挖，其二是第一排土钉的 作用，由于土钉轴力分布呈抛物线形状，使得土基坑 垂直位移等值线图 图9 和图1 1 出现单驼峰的形 状，端部等值线下降，表明对土钉端部的土体进行加 固的效果不够理想。 图9 垂直向位移轮廓 F i g ．9V e n i c a ld i s p l a c e m e n t so fs l o p e 2 开挖支护后，基坑底部逐渐向上隆起，结合 图1 0 、1 1 知，最大隆起部位在基坑的中心，约为 1 ．0 4 厘米，从中心到基坑开挖坡脚逐渐减小。基坑 顶部边沿向下的位移矢量最大 图1 0 。基坑中下 部等值线较密，但垂直变形量较小 图1 1 。 坑开挖对周围环境的影响范围。 051 01 5 删 1 0 喜 5 0 图l l 垂直方向位移等值线图 F 唔．1 1 V e n i c a ld i s p l a c e m e n t so o n t o u ro fS l o p e 3 ．2 土钉位移分析 土钉变形模拟结果分析分为几个方面。 1 沿土钉的全长范围内，土钉的总变形是不均 等的，见图1 2 ，它包括土钉的拉伸变形和周围土体 的剪切变形。第一排土钉的位移最大，第二排次之， 各排土钉端点的位移从上往下依次减小，这与土钉 的轴力变化是相对应的。水平位移若以基坑深度的 百分比表示，通常为基坑深度的1 ‰～3 ‰【4J 。而这 次模拟的结果最大值为1 ．3 9 ‰，在此范围内，满足 要求。 图1 2 土钉的轴向位移分布 F i g ．1 2肼s t 曲u t i o no fa x i a l d i so f 幽lI l a i l 图1 0 垂直向位移矢量图 F i g ．1 0 V e r t i c a ld i s p l a c e m e n t sv e c t o ro fs l o p e 3 由于开挖卸荷作用，使得基坑周围土体由于 重力和上部荷载作用而逐渐向下移动过程类似于 图1 3 土钉位移和不平衡力分布 一个重力挡土墙，其位移大小从上往下逐渐减小，而 F i g ．1 3D i 。p I a c e I T l e n ta n do u t o f _ b 。n l a n c e 坑底以下土体的位移大小也是从上往下逐渐减小。 d i s t n b u t i o no f 幽lm i l 因此，两者中间将存在一个零位移线，见图1 1 。若 2 针对于每一排土钉而言，土钉的轴向变形也 能确切地知道零位移线的位置，将有助于控制好基 是在不断变化的，见图1 2 ，在距土钉端部约0 ．8 m 处 万方数据 第2 期王明龙等土钉支护结构变形的F L A C 3 0 分析1 2 3 的位移量最大，土钉端部的变形量却小于这个值。 究其原因有三点一是由于该模拟没有考虑面层的 作用【53 ；二是由于开挖卸荷以及边坡的斜面开挖， 导致土钉端部产生临空面；三是土钉端部0 ．8 m 处 的不平衡力最大 图1 3 中箭头 。 图1 4 土钉轴向速度分布 F i g ．1 4V e l o c f t yd i s t r i b u t i o no fa x i a l 一d i so fs 0 ．1 ∞i l 3 土钉的轴向速度分布如图1 4 所示，土钉的 速度差别是较大的，每排土钉端部速度相对较大，而 其他长度上大小变化不定，没有一定的规律。速度 是每步数的位移量，总体上看来第五排的速度最大。 前三排土钉的速度相差不大。 图1 5 土钉径向位移分布 F i g ．1 5D i s t r i b u t i o no fr a d i a l d i so fs o i ln a i l 4 垂直于土钉方向，即土钉径向，土钉的变形 量差异量很大，见图1 5 。整体上看．土钉端部的变 形量远大于其底部的变形量，这和基坑面的开挖卸 载产生临空面以及没有考虑面层的作用有关。土钉 端部的径向速度也明显大于其他部位的速度值，见 图1 6 。第2 排土钉的径向变形量最大，第5 排土钉 的径向变形量最小，第2 ～3 排土钉沿径向的变形量 分别相差1 ．5 0 8 和1 ．5 7 0 c m ，产生原因是由于上部 土的性质较差及基坑开挖的卸荷作用。 5 土钉两端的剪切位移明显大于中间的位移 值，中间部分位移值为零，每排土钉剪切位移为零的 点，即零位移点。由于土钉的轴力和剪力存在一阶 导数关系，当轴力最大时，对应的剪力为零，相应的 剪切位移零点位置也逐渐向土钉端部靠近，见图 1 7 。这和土钉剪应力的特征 见图2 是相一致的， 同时也验证了没有剪应力就没有剪切位移的道理。 此时土钉的剪切位移和无托盘锚杆的剪切位移很相 似[ 1 6 】，也说明了两者的工作机理是相似的。第一排 土钉的尾部的剪切位移最大，第三排土钉的剪切位 移端部最大。 图1 6 土钉径向速度分布 F i g ．1 6V e l o c i t yd i s t 曲u t i o no f r a d i a l d i s0 f 蚵ln a i l 图1 7 土钉剪切位移分布 F i g ．1 7D i s t 舶u t i o no fs h e a 卜d i so fs o i ln a i l 4结语 在考虑土钉受力的情况下，分析钉土的相互作 用，得出土钉的受力性状特征和土钉的变形特性，近 一步了解了土钉和周围土体相互作用机理。由于该 基坑工程是沿斜面成8 2 。开挖，出现了基坑水平最 大位移出现在基坑的中下部，不是在基坑的顶部，基 坑垂直位移等值线呈单驼峰状分布。土钉的轴力， 主要承受拉力，两端轴力为零，轴力呈两头小中间大 的枣核形分布或呈抛物线状分布。剪应力表现为两 端大，中部为零，土钉最大剪应力不是无限增加，而 是趋于一个定值，这与土的性质有关。每排土钉轴 力的最大值和剪力的零点逐渐出现在靠近面层的一 边。土钉的轴向总变形是不均等的，在距土钉端部 约0 。8 m 处的位移量最大，土钉端部的位移量却小 于这个值。土钉两端的剪切位移明显大于中间的位 移值，中间出现零位移点，这与土钉的受力有关系。 每排土钉剪切位移的零点，逐渐向土钉端部靠近。 万方数据 1 2 4有色金属 第6 l 卷 基坑边坡内土体质点的移动是基坑边坡地表沉降、 水平位移和基底隆起等外部现象的内在原因。由于 土钉与土体的相互作用，有效地分散了土体内部的 应力，使基坑变形大幅度减小，基坑稳定性明显提 参考文献 高。基坑开挖支护至稳定过程中，土钉整个长度上 其轴向速度分布不均等，径向速度分布端部较大，其 余部位速度变化不明显。 [ 1 ] 余诗刚。土钉墙设计箍工与监测手册[ M ] ．北京中国科学技本出版社，2 0 0 0 3 5 3 6 ． [ 2 ] 曾宪民，黄久松，王作民，等．土钉支护设计与施工手册[ M ] ．北京中国建筑工业出版社，2 0 0 0 1 2 1 3 ． [ 3 ] 余志成，施文华．深基坑支护设计与施工[ M ] ．北京中国建筑工业出版社，2 0 0 2 4 6 4 9 ． [ 4 ] 秦四清，万林海，汤天鹏，等．深基坑工程优化设计[ M ] ．北京地震出版社，1 9 9 8 5 8 6 2 ． [ 5 ] 秦四清，王建党．土钉支护机理与优化设计【M ] ．北京地质出版社，1 9 9 9 6 9 ． [ 6 ] 郑坚，龚晓南．土钉支护工作性能的现场监溺 J j ．建筑技术，2 0 0 4 ，3 5 5 3 3 7 3 3 9 ． [ 7 ] J u r a nI ．D e s i g no fs o i ln a i lr e t a i n i n gs t r u c t u r e s [ J ] ． 硒t e c h n i c a IS p e c i a lP u b l i c a t i o n 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ln a i ld e f o n n a t i o ni si n v e s t i g a t e db yF L A C 3 Db a s e do nt h ea n a l y s i so ft h eb e h a v i o r So fs o i ln a i l d u r i n ge x c a v a t i o n ．W i t hc o n s i d e r a t i o no fe x c a v a t i n ga n ds u p p 。r t i n go fs o i ln a i ls t r u c t “r e s ，t h ed e f o r m a t b r l so f t h et o t a ls l o p ea n dp u l la n ds h e a ro fs o i ln a i lu n d e rt h ec o n d i t i o no fl a r g ed e f o r m a t i o na r es t i m u l a t e da n d a n a I y z e d ．S i m u l t a n e o u s l y ，s o m el a w sa b o u tt h es t r e s Sa n dt h ed i s p l a c e m e n t sd i s t r i b u t i o na r ea c q u i r e di nt h i s m o d e h h r o u g hc o m p a r a t i V ea n a l y s i s ．T h ea c q u i r e dr e s u l t sc a nb er e f e r r e db yo t h e rr e s e a r c h e sa n dp r o j e c t si n f u t u r e 。 K e y w o r d s m i n i n ge n g i n e e r i n g ； s o i In a i lr e i n f o r c e ；d e f o 咖a t i o nl a w s ； f o u n d a t i o n p i t ；F L A C 3 D ； d i s p l a c e m e n t 万方数据