深基坑土钉支护的FLAC数值模拟

摘 要：本文应用FLAC3D对某基坑开挖和土钉支护进行了数值模拟，对土钉支护过程中的土移场、应力场和土钉的受力变化进行分析，对土钉支护工作机理进行初步研究，得到基坑边坡变形和受力以及土钉受力的规律。

关键词：基坑；土钉支护；FLAC3D；数值模拟

中图分类号：TU473

文献标识码：B

文章编号：1008-0422(2006)04-0118-03

收稿日期：2006-04-25

作者简介：梁琼(1967-)，男(汉族)，湖南涟源人，工程师，主要从事建筑结构设计。

1 前言

土钉支护是近几十年发展起来用于加固和增强边坡或开挖土体稳定的一种支挡技术，它是在原位土中自上而下设置细长、较为密集的金属杆件(土钉)、与土坡表面构筑的钢丝网喷射混凝土面层及被加固土体共同作用，形成一个自稳的和能支挡墙后土体的支挡结构。

土钉支护结构以其施工便捷、经济和支护效果好等诸多优点，在当前的基坑工程中应用得越来越广泛。然而目前对于土钉体、面层和被加固土体等的联合作用机理以及土钉支护对基坑边坡土移和应力的影。向还缺乏较深入的认识，由于深基坑开挖的现场难以对土钉支护参数进行系统的研究分析，因此采用数值模拟的方法对其进行研究分析，对基坑的支护设计具有较大的指导意义。

2 FLAC3D简介

FLAC全称是FastLagrangianAnalysisOfContlnua，是由美国Itasca咨询公司于1986年开发的显式有限差分法程序，90年代中期，Itasca公司在原有的二维分析软件的基础上开发出了FLAC3D。该程序采用拉格朗日差分公式来处理有限变形问题，计算过程中允许材料发生屈服及流变，适合于解决岩土工程中经常遇到的大变形，是一种理想的岩土工程计算软件。

3 工程概况

某工程为1栋11层写字楼，高度51m，框剪结构，设?层地下室，阀板基础，基础埋深7．Om，需开挖的基坑深度为7．Om。该基坑的土层情况及力学性质见表1：

4 FLAC数值模拟及计算分析

4．1土钉支护方案

本工程需开挖的基坑深度为7．Om，基坑围护结构采用土钉挂网喷砼支护体系，不设内支撑。共设6排土钉，每排土钉长8．4m，约为1．2H(H为基坑深度)。第一排土钉水平布置，其余土钉倾角取10’。土钉水平和垂直间距均为1．2m。成孔直径110mm。挡墙厚度为100mm。

基坑在开挖前进行了全面降水处理，土体沉降基本稳定，所以在进行数值模拟时不考虑地下水的作用。

整个基坑开挖和土钉支护的模拟分以下七步：

(1)模型的初始应力场的模拟；

(2)开挖到距离地面0．3m，打入土钉，保持土体稳定，注浆，喷射面层；

(3)开挖到距离地面1．5m，打入土钉，注浆，喷射面层；

(4)开挖到距离地面2．7m，打入土钉，注浆，喷射面层；

(5)开挖到距离地面3．9m，打入土钉，注浆，喷射面层；

(6)开挖到距离地面5．1m，打A-f-钉，注浆，喷射面层；

(7)开挖到距离地面6．3m，打入土钉，注浆，喷射面层；

(8)开挖到距离地面7．0m，喷射面层。

4．2计算模型及网格划分

土钉是在原位土体中插入截面较小的加筋体，具有三维作用。如果既考虑基坑的整体三维作用，又考虑土钉的三维局部作用，计算量和存贮量都太大，为此，本文对采用的三维模型作如下考虑：土钉一般是成排成列重复布置的，一列竖向土钉的加固范围为通过两侧水平间距中点的竖直截面间的土体，厚度等于水平间距，这块土体相对于通过土钉的竖直截面又是对称的，为减少计算量，取沿着基坑长度方向1．2m进行三维建模，如图1。

模型其它两个方向的尺寸根据地质条件和基坑开挖深度，经试算确定取基坑深度的2．5倍左右。模型四周与相邻的土体间有一定的相互约束，为简化分析，在模型的边界处施加适当的约束条件，底面为固定铰支，四个侧面分别为滚动支座，竖向方向没有约束，可以自由滑动。

4．3计算参数的选取

土层材料性质参数按表1―1选取。土钉支护结构中，土钉弹性模量值为El=2x10”，挡墙弹性模量EM为2．5x1010。泊松比rm=0．15，挡墙厚度为100mm。注浆体粘聚力都取2．2 x104Pa／m，土钉钢筋采用25螺纹钢，断面面积为4．9x10-4m2，屈服强度为200MPa。

4．4基坑分步开挖及土钉支护模拟

本例中基坑边坡选择土的应力应变模式为摩尔―库仑模式，这种模式概念明确、计算简便，对一般工程问题都有令人满意的精度；并且假设其为大变形。基坑的开挖和支护是逐步完成的，而支护体系的应力和变形往往又和施工过程紧密相关，所以为了较为真实可靠地分析支护体系的应力和变形，对支护工程施工的模拟是十分必要的。土钉支护用于基坑或边坡土体开挖时，从上到下分步修建，边开挖边支护，模拟这一施工过程的有限元网格划分如图2所示。

4．5结果分析

(1)基坑边坡位移场分析

随着开挖深度的不断增加，基坑水平位移与地面沉降逐渐增大；离基坑顶点越近水平位移越大，随着开挖的进行，水平位移等值线越来越陡，土体整体趋向于基坑内侧移动；在每步开挖完成后在坡顶处水平位移一直最大，所以在施工该部位时，应该特别注意，当开挖深度较大时，最好将其改为预应力土层锚杆。

基坑边坡的位移(变形)，特别是土钉边坡坡顶的水平位移值是控制基坑稳定性和满足环境要求的最重要和直接的指标。较合理的做法是选择基坑开挖终了时基坑边坡坡顶最大水平位移、坡顶最大沉降值、坡中点水平位移作为评价基坑稳定性和满足环境要求的指标。表2列出了模拟开挖各步时基坑顶点的水平位移值和竖向沉降值，并与实测值加以对比。

就本文实例来看，实际位移略小于数值模拟的结果。总体而言，实际发生的数值与FLAC数值模拟的结果基本吻合，说明采用FLAC可以对土钉支护的变形和土钉受力等做出较好的预测。

(2)基坑应力分析

基坑在开挖过程中，随着深度的不断增加，土体被扰动的程度不断加大，更大范围的土体受到影响，逐渐出现塑性屈服，受力状态也从初期的弹性应力状态转变为塑性应力状态。而随着支护结构的依次加入发挥作用，调整了土体的受力状况。土体在经过一段时间的应力重分布，达到稳定后，又恢复到弹性应力状态。

从图3中可以看出在土钉范围内土体的

应力水平较土钉范围外的土体应力水平迅速增加，而在坡脚处有应力集中现象，土钉支护后的土体可以看作是各向异性的复合材料，由于土钉的弹性模量远大于土体的弹性模量，在土体发生变形的情况下，土体的应变大于土钉的应变，土钉与土体的相互作用将在界面上产生摩阻力，这个摩阻力使土钉受拉，在土钉中产生拉力，使土体的侧向应力增大，在一定程度上弥补了由于土体开挖卸载引起的(侧向应力)的减小，即相当于在土体原有的应力基础上增加了一个Q3，使得土体的强度提高。

(3)土钉的轴力分析

假设在一定小的范围内(L)，土钉的应力分布是均匀的，其应力值大小相等。本例基于以上假设，在采用FLAC程序进行分析时，先将每根土钉设置为杆单元(ca-ble)，然后再以L＝L／20为单位划分成若干等距小单元，由此求得每根土钉的应力分布。土钉置入现场土体后，随着向下开挖或土体徐变即产生土体变形，于是通过土体与土钉之间的界面粘结力使土钉受拉。只要土体发生微小的变形，就可使土钉受力。土钉的拉力沿其长度变化，最大拉力部位随着基坑向下开挖，逐渐向靠近面层的端部转移，一般发生在土体的可能失稳破坏面上。当土钉长度较短时，土体破坏面可能移出上部土钉之外，这些钉中的最大拉力一般发生在钉长中部。不同深度位置上的土钉，其受到的最大拉力有很大差别，顶部和底部的土钉受力较小，靠近中间部位的土钉受力较大。而对于同一根土钉而言，其内力并不均匀，而是中部大、两头小，呈枣核状。如图4、图5所示。

图6给出的是每根土钉的最大应力位置。

由以上三图可见，土钉应力分布是很有特点的。首先它存在一个峰值，此峰值恰好是内部潜在的破裂面；其次是应力向峰值两侧递减，在土钉两端递减为零。由此可得，土钉长度只需满足设计要求即可，不应盲目增加土钉长度；在土钉端部，应力也递减很快，到达面层时已很小，所以土钉支护中面层虽然承受一定的内力，但受力不大，面层不是主要的受力构件。受拉应力值最大的土钉位于基坑的中下部，所以在开挖支护过程中应加倍注意中下部土钉的及时到位，密切注意基坑变形。

5 结论

(1)土钉支护基坑边坡可以有效地减小土体的侧向位移，提高承载力。土钉墙在受荷过程中由于土钉的作用推迟了塑性变形的发展阶段，呈现出渐进性变形与开裂破坏并存且逐步扩展的现象，不会发生像土边坡那样的突发性滑塌。

(2)应用FLAC程序对基坑土钉支护进行数值模拟是可行的，从分析得到的基坑边坡位移场、应力场和土钉的应力分布规律与实测结果基本吻合。

(3)由FLAC程序计算得到的单根土钉的应力分布趋势为中间大两端逐渐变小，最大拉力部位随着基坑向下开挖，逐渐向靠近面层的端部转移，最大拉力一般发生在钉长中部。不同深度位置上的土钉，其受到的最大拉力有很大差别，顶部和底部的土钉受力较小，靠近基坑边坡中间部位的土钉受力较大。

(4)为控制基坑变形，应该适当增加土钉长度，但不能过长。因为土钉长度过长的话，控制变形的效果并不明显，而且土钉拉力增加不多，强度得不到发挥，造成浪费。

参考文献：

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作者单位：湖南湘邮科技股份有限公司