地面超載對土釘墻工作性能影響的有限元分析

張宗領(lǐng)，付 超

(信陽師范學(xué)院 土木工程學(xué)院，河南 信陽 464000)

0 引言

土釘支護(hù)是近年來基坑工程中廣泛應(yīng)用的一種用于土體開挖和邊坡穩(wěn)定的擋土技術(shù)，由被加固土體、深入土體的鋼管或鋼筋(土釘)、鋼筋混凝土面層組成，形成一個類似重力式擋墻的結(jié)構(gòu)，以此來抵抗開挖面后土體的壓力和地面超載等，從而保持開挖面的穩(wěn)定.其工作機(jī)理是在土體中放入一定長度和密度的土釘，這種加筋土較原狀土的強(qiáng)度和剛度大大提高，從而顯著提高開挖面的穩(wěn)定.土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工過程包括定位、成孔、置筋、注漿等工序.

雖然土釘支護(hù)具有安全可靠、施工便捷、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，在巖土工程界深受青睞[1].但目前對其理論研究遠(yuǎn)滯后于工程實(shí)踐，很多土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)僅憑經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，工程事故時有發(fā)生，尤其在坑后地表存在地面超載的情況下，開挖面水平位移顯著增大，更容易發(fā)生強(qiáng)度和穩(wěn)定破壞.因此，研究在地面超載作用下土釘墻的受力和變形機(jī)理很有必要.

有限元法是對土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論分析較為流行的一種方法，不僅能分析支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形及受力，也能模擬基坑開挖、支護(hù)的施工過程[2].本文以某深基坑土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)為例，運(yùn)用非線性有限元軟件ADINA模擬了基坑開挖與支護(hù)的施工過程，分析了地面超載對土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)工作性能的影響.

1 土釘支護(hù)工程算例

某高層建筑深基坑，東西長約60 m，南北寬約30 m，開挖深度9 m.從上到下基坑各層土體參數(shù)見表1，根據(jù)基坑周邊的環(huán)境和土質(zhì)情況，結(jié)合以往的施工經(jīng)驗(yàn)，垂直開挖并采取了土釘支護(hù)方案，設(shè)置了6排土釘，土釘傾角均為10°，采用梅花形布置，豎向間距1.5 m，水平間距1.3 m，鋼筋直徑均為22 mm，第一排距坑頂0.8 m，最后一排距坑底0.7 m，其中第一、二、三排的釘長為16 m，第四、五排的釘長為12 m，第六排的釘長為9 m.在坑壁鉆直徑為120 mm的孔，鋼筋網(wǎng)采用?10@250×250的鋼筋，土釘之間采用?14@1200×1200的加強(qiáng)鋼筋縱橫雙向焊接，土釘端頭采用鋼板螺母加固，最后噴射100 mm厚的混凝土面層.

表1 基坑土體物理力學(xué)參數(shù)

2 有限元模型的建立

基于基坑的對稱性，有限元分析時取整個基坑的1/4，根據(jù)文獻(xiàn)[3]的結(jié)論并考慮以往的工程經(jīng)驗(yàn)[3-8]，基坑開挖對寬度的影響為3～4.5倍的挖深，對深度的影響為2～4倍的挖深，最終的整體三維有限元模型尺寸取70 m×55 m×36 m，如圖1所示.

圖1 整體三維有限元模型

在模型中，土體選用3D-solid8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元，被土釘加固的土體的力學(xué)行為極為復(fù)雜[9]，采用Mohr-coulomb屈服準(zhǔn)則描述其受荷后由彈性狀態(tài)向塑性狀態(tài)轉(zhuǎn)變時的材料特性，其表達(dá)式為：

其中:σ1，σ3分別為最大和最小主應(yīng)力；c,φ分別為土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角；土釘采用桿單元(rebar單元)，按彈性材料考慮，其彈性模量按混凝土和鋼筋的截面積進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，同時考慮釘、土間的極限摩阻力進(jìn)行修正；鋼筋混凝土面層按彈性材料考慮，3D-solid8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元.

施工過程的模擬是利用了ADINA中的單元“生死”功能，“殺死”即把土體開挖掉，剛度、質(zhì)量為零；“出生”即支護(hù)，剛度、質(zhì)量荷載等將恢復(fù)其原始的數(shù)值.基坑施工工程采取分步開挖和支護(hù)，共分6步，每步挖深均為1.5 m.為了使有限元分析結(jié)果能反映真實(shí)的施工情況，模擬的開挖和支護(hù)步數(shù)、每步的挖深均與實(shí)際施工過程相同.

3 地面超載影響的有限元分析

為了研究坑后地面超載對土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)受力和變形的影響，從開挖面到坑后20 m的范圍內(nèi)施加水平均布荷載q，分別取q=0、15、30 kPa時分析其對開挖面水平位移、坑后地面沉降、坑底隆起以及各排土釘軸力的影響.

3.1 地面超載對開挖面水平位移的影響

圖2給出了開挖結(jié)束后不同地面超載情況下中部開挖面上沿深度方向的水平位移.由圖2可知，地面超載不僅影響開挖深度以上土體的水平位移，也影響了坑底下部土體的水平位移.當(dāng)超載為0、15、30 kPa時最大水平位移分別為23、30、36 mm，有超載比無超載最大水平位移分別增大30.4%和56.5%.水平位移隨地面超載的增大而增大，且二者增量間近似呈線性關(guān)系.

圖2 不同地面超載下的開挖面水平位移

3.2 地面超載對坑后地面沉降的影響

圖3給出了開挖結(jié)束后不同地面超載情況下坑后的地表沉降.

圖3 不同地面超載下的地面沉降

由圖3可知，在加載范圍內(nèi)，地面超載對坑后地面沉降的影響較大，在加載范圍外，地面超載對坑后地面沉降的影響較小.當(dāng)超載為0、15、30 kPa時坑后最大沉降值分別為1.8、2.65、3.4 cm，有超載比無超載最大地面沉降分別增大47.2%和88.9%.

無超載時沉降曲線呈“勺子”形狀，有超載時沉降曲線前端接近水平(靠近開挖面處)，有無超載最大沉降值均出現(xiàn)在距開挖面約1倍挖深處，地面沉降隨地面超載的增大而增大，且二者增量間近似呈線性關(guān)系.

3.3 地面超載對坑底隆起的影響

圖4給出了開挖結(jié)束后不同地面超載情況下基坑中心線上坑底的隆起值.由圖4可見，地面超載對坑底隆起的影響較小，可忽略不計(jì).

圖4 不同地面超載下的坑底隆起

3.4 地面超載對各排土釘軸力的影響

圖5～圖7分別給出了開挖結(jié)束后不同地面超載情況下第二、四、六排的土釘軸力.從圖中可以看到，有無地面超載軸力曲線形狀基本相同，仍呈兩頭小、中間大的棗核形，隨著地面超載的增大，每排土釘?shù)妮S力都在增大.上部土釘軸力的增大幅度大于下部土釘軸力的增大幅度，且從上往下，軸力峰值逐漸從土釘中后部轉(zhuǎn)移到前部，峰值的連線預(yù)示著潛在的滑移面位置.總的來說，由于超載施加在地表，對上部各排土釘軸力的影響要大于下部.

4 結(jié)語

隨著地面超載的增大，開挖面的水平位移、坑后地面沉降均隨之增大，且近似呈線性關(guān)系，但坑底隆起變化不大.在加載范圍內(nèi)，地面超載對坑后地面沉降的影響較大，在加載范圍外，地面超載對坑后地面沉降的影響較小，無超載時沉降曲線呈“勺子”形狀，有超載時沉降曲線前端接近水平，有無超載最大沉降值均出現(xiàn)在距開挖面約1倍挖深處.隨著地面超載的增大，每排土釘?shù)妮S力都在增大，地面超載對上部各排土釘軸力的影響要大于下部各排.

圖5 不同地面超載下的第二排土釘軸力

圖6 不同地面超載下的第四排土釘軸力

圖7 不同地面超載下的第六排土釘軸力