有限元分析法在基坑加固处理中的应用_李韩

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有限元分析法在基坑加固处理中的应用

摘要土钉支护作为一种原位加筋土,不同于加筋挡墙复合体和挡土结构，但土钉支护技术以其经济、快速的特点,在基坑支护中越来越广泛应用,其分析和设计，以及施工过程必须全面考虑，对不同地质条件下的应用就可以较好地处理，这对土钉支护的应用有着十分积极的意义。

关键词土钉支护；有限元法；土体加固

随着人类社会的不断发展，经济建设速度的加快，建设行业突飞猛进，城区建筑物也越来越密集，城区土地日趋紧张。不可避免出现新建工程与原有建筑相距较近，有的近乎贴建的情况，因此，在基础施工前进行基坑加固处理是必不可少的。本文就有限元分析法在土钉支护加固工程中应用问题进行探讨。

1土钉的适用条件

土钉支护是以钢筋埋入土中以一定空间排列的细长杆件，通过与土体接触面上的粘结力和摩擦力，土钉被动受拉，从而使土体稳定的一种结构，所以土钉对土质有一定的要求，即土钉支护只适用于有一定自立能力和有较大摩擦力的土层中，如在可塑状态以上的粘性土，有较大摩阻力的砂土中。

2土钉的优点

(1)施工机具简单，设置土钉采用的钻孔机具及喷射混凝土设备等都属可移动的小型机械，移动灵活，所需场地小。此类机械的噪声低，振动小，在城市施工具有明显的优越性。

(2)投资省。据统计资料，开挖深度在10m 以内的基坑，土钉支护比其它支护形式节约投资30％。

(3)对场地周围相邻建筑影响小。由于土钉施工采用小台阶逐段开挖，且在开挖成型后及时设置土钉与面层结构，使面层与挖方坡面紧密结合，土钉与周围土体牢固粘合，对土坡的土体扰动较少。土钉一般都是快速施工，可适应开挖过程中土质条件的局部变化，使土坡稳定。实测资料表明：采用土钉稳定的土坡只要产生微小变形就可使土钉的加筋力得以发挥，实测的坡面位移与坡顶变形很小。

3土钉的作用机理

土体的抗剪强度较低，几乎没有抗拉强度，但土体具

有一定的结构整体性，土钉与土体共同工作形成复合体。它们的相互作用改变了土坡的变形与破坏形态，推迟了塑性变形发展阶段，明显地表现为渐时宜性变形和开裂，直至丧失承载能力。土钉与土体粘结的工作性能是土钉支护结构发挥作用的基础，研究认为土钉虽同时受到拉力、弯矩和剪力的联合作用，但是拉力作用是最主要的。土钉沿全长与土体接触，当土体产生微小位移时土钉与土之间的界面产生摩擦力，使土钉被动受拉，从而对土体起到加固作用，因此作用于土钉体表面的剪应力是土钉支护设计的主要参数。

土钉的抗拔试验表明：其拔出时的滑移产生在土钉侧面紧贴锚固体的界面土膜处。对于采用一次压力灌浆的土钉，其在不同土质中的界面摩阻力下实测值见表1。

由于土钉采用与常规支挡体系不同的施工程序，因而作用于面层上的土压力分布也与一般重力式挡墙不同。

土压力按下式计算：q=mekrh

式中：q 为作用于土钉面层的土压力(kPa)；me 为工作条件系数，临时性土钉工程(如：基坑等)取1.1，使用期2年以上的土钉工程(如永久边坡)取1.2；k 为土压力系数，取A=(An+A ，)／2，其中k0、k2，分别为静止、主动土压力系数；R 为土的天然重度(kN ／m 3)；h 为土压力作用点至坡顶的距离(m)，当h ≤时，h 取实际值；当h>H ／2时，h 取0.5H 。其中H 为土坡垂直高度。土钉复合体潜在滑裂面的

李韩

（福建宏盛建设集团有限公司，福建福州350003）

土类名称

粘土弱胶结砂土粉质粘土粉土杂填土

t/kPa 130~18090~15065~10050~5535~40

表1不同土质中的界面摩阻力

■试验研究6··

第4期（总第132期）

确定在理论上十分复杂，可采用简化破裂面计算。

4土钉支护体系

土钉支护技术以其经济、快速的特点,在基坑支护中应用越来越广泛,但土钉支护理论还不完善,土钉与土体的作用是整个土钉支护的关键问题。本文用改进的Goodman 无厚度四节点平面节理单元进行接触面性能的模拟，从而定量模拟出土钉在土中发挥转动刚度来加固周围土的作用,分析得出不同位置处土体的加固程度,证明了土钉支护主要用来减少土体横向位移,以及防止开挖面的位移和边坡向开挖面坍塌的结果是合理的,并且这种方法对探索土钉支护的复杂受力机理也有实际意义。

某实际深基坑工程要求支护土体墙高8m ,使用水平间距1.2m 的5排土钉进行支护,竖向间距1.5m 。第1排土钉距墙顶1m ,第5排土钉距开挖面1m 。土钉及土体的物理力学参数见表2。

边界条件如图1所示,右边界和下边界由于土体的实际抵抗转动自由度的能力较弱,简化为铰支,左边界是对称边界,按对称结构的原理简化为横向支杆。严格来讲土钉支护体系的分析是一个空间问题,但在同一水平上相邻两根土钉的受力和变形是基本相同的,因此可以假定它是一个平面应变问题。

4.1有限元模型方法

土钉是杆件结构,土体是块体结构,两者存在连接问题。如果杆件结构也用块体单元来拟合,由于杆件中应力梯度较大,必须采用比较密集的网格,将大大增加计算量；如果杆件部分采用杆件单元,块体部分采用块体单元,那么土体单元和土钉单元由于其变形模量相差很大，在两者的界面上常伴随着较大的剪应力，因此对接触面性能模拟非

常重要。

本文对土钉墙进行非线性有限元分析,有限元计算参数见表2，由于土体的剪胀性对土钉的作用影响很大，因此对土体材料模型选用能反映土体剪胀性与扩容性的Drucker-Prager 模型。

Drucker-Prager 破坏准则可表示为：

式中：

α、K 为D-P 准则材料常数，I 1、J 2为应力状态第一不变量、

偏应力张量第二不变量。在平面应变状态下：式中：c 、φ为土体的粘聚力和内摩擦角。

土钉材料采用一维杆单元即采用线弹性模型。根据对杆单元节点力的分析，可以得到杆单元的单元刚度矩阵。

对接触面的模拟，采用修正的Goodman 无厚度四节点平面节理单元，该单元承受切线方向的剪应力τs 与法线方向的法向应力σn 。以节理单元的中点作为计算点，其应力-应变关系表示为：

式中：M 0为节理中点力矩；K s ，K n 为接触面单元的切向及法向刚度，K w 为转动刚度且

；Δu s ，Δv n 为单

元两侧对应点的相对切向、

法向位移；Δw 为相对转角。通过这样的处理,较好地解决了不同单元的连接问题,把土钉与土体的相互作用准确地进行转化和模拟,同时在有限元的迭代计算中可以较为准确地计算出土体及土的内力及变形。网格划分如图1，模型共有1307个单元,1388个节点,其中有3个三角形单元。非线性有限元计算中为模拟实际工作时支护面上承受的荷载(比如周围建筑物的荷载),荷载取为25kN/m,并与5kN/m 的荷载进行了对比计算。对土钉支护前后分别进行了计算,对土钉支护前的计算只是为了对比支护前后的效果,可以得出8m 的墙未加支护本身会存在稳定问题,与本文要揭示的内容相符合。

4.2土体加固数值分析

4.2.1

开挖面上土体在不同荷载下的表现

(1)最大水平位移发生在开挖面的顶端,在25kN/m 的荷载作用下，由未加土钉的9.4cm,加土钉后减小到8.8cm,减小率为7.4%；而5kN/m 的荷载作用下,由未加土钉的2.3cm,加土钉后减小到2.0cm,减小率为13.0%。这种现象说明随着荷载的增大,土钉的加固作用在降低,这也是土钉支护主要用作临时支护的原因。可见在较小荷载作用下

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土钉直径25mm 斜向长度7.25m 倾角15°弹性模量200GPa 屈服强度

310M Pa

土体粘聚力10kPa 内摩擦角泊松比0.25弹性模量50GPa 抗压强度

12.5M Pa

接触面单元切向刚度5000kN ·m -1法向刚度

2000kN ·m -1

32°表2

土钉支护有限元计算参数表

图1

有限元计算网格划分及边界条件

试验研究■

7··

2012

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土钉已经发挥了较大作用。如果加大土钉的刚度,并且加密土钉的分布,在位移减小上会更加显著。

(2)根据25kN/m 和5kN/m 的荷载分别在土钉支护前后的计算结果可以得到:离开土钉墙面12m 左右的水平位移接近于零,说明大约1.5H(H 为开挖深度)处,地表的水平位移已经接近于零,在这个范围以外的建筑物可以认为不受开挖引起的地表变位的影响。4.2.2

土钉周围不同部位的土体得到加强的程度差异

图2和图3是第一排土钉上部的土体单元不同的加固结果。图中的横坐标是土钉单元对应的土体单元距开挖面的水平距离,数字越小越靠近开挖面。由图2和图3可以看出第一排土钉上部的土体单元竖向位移的减小程度较小,而水平位移的减小程度可以达到26%。

由图4和图5可以看出第一排和第二排土钉之间的土体单元竖向位移的减小程度依然较小,而水平位移的加固可以高达34%。

根据以上计算结果可以得出以下结论:

(1)土钉对于土体竖向位移的加固作用并不显著，最大不超过5%。

(2)土钉对于土体水平位移的加固作用比较显著,而且在土钉之间的土体比土钉以外的土体得到的加强程度大,可高达35%。这是因为两排土钉之间的土体受到两排土钉的共同加强作用。这也验证了土钉支护主要用来减少土体横向位移,防止边坡向开挖面坍塌的公论。

5

结束语

本文基于土钉有较高的抗拉、抗剪强度,在土体内放置

一定长度和分布密集的锚钉,起着骨架和箍筋的作用,与土体共同作用,形成复合体,弥补土体抗拉抗剪强度低的弱点,有效提高土体整体刚度,使土体自身结构强度得到充分发挥,提高了边坡整体稳定和承受坡顶超载能力,增强土体延性,改变边坡突然坍方性质,利于安全施工。

作者简介：李韩，生于1972年，大学本科，一级建造师（建筑工程、市政公用工程），监理工程师，工程师，主要从事建筑施工、工程监理、房地产公司项目管理

。

图2土钉上部土体单元支护前后水平位移

图3第一排土钉上部土体加固效果图

图4土钉之间土体单元支护前后水平位移

图5土钉之间土体加固效果图

■试验研究

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