复合土钉墙破坏模式数值模拟分析

摘 要：本文以深圳假日广场深基坑为例，利用FLAC3D软件，对预应力锚索复合土钉墙破坏模式进行了数值模拟分析，其结论符合实际，达到了预期效果。

关键词：复合土钉墙；破坏模式；数值模拟分析

1.工程概况

假日广场深基坑支护工程位于深圳市南山区，北邻世界花园，南靠深南大道和深圳地铁，与世界之窗隔路相望。场地西北东三面邻近市政道路，道路周边分布有世界花园供水管道和排污管道、市政雨水管道和燃气管道以及通信光缆，东侧道路对面为五星级深圳威尼斯酒店，周边环境复杂。基坑东西向长308.2m，南北向宽46.5m～82.5m，总开挖面积20000m2。基坑开挖深度东西北三侧为17.6～21.0m，基坑南侧开挖深度为13.8～18.7m。

场地地层由第四系人工填土层、坡洪积层、残积层和燕山期基岩组成，地质柱状图见图3.2。

① 人工填土层（Qml）

素填土：褐红色、褐黄色，以粘性土为主，含少量碎石及生活垃圾，局部有填块石，稍湿～湿，松散。该层厚0.3～5.1m。

② 第四系坡洪积层（Qdl+pl）

含砾粘土：褐红、褐黄色，粘性土为主，不均匀含有石英砾8.6%～38.3%，局部地段含砂量较高，可塑～硬塑，稍湿～湿。该层在南侧缺失，层厚0.9～6.2m。

③ 第四系残积层（Qel）

砾质粉质粘土：褐红、褐黄色，由粗粒花岗岩残积而成，原岩结构可辨，除石英砂岩外其他矿物均风化成粘性土，石英砾含量1.6～47.4%，稍湿，硬塑。该层遍布整个场地，层厚1.00～21.2m。

④ 燕山期基岩（γ53）

场地内下伏基岩为燕山期粗粒花岗岩，主要成分为长石、石英及云母，基坑开挖范围在北侧揭露到其中风化。

基坑东、西、北侧采用为人工挖孔灌注桩和预应力锚索并结合上部放坡土钉墙支护，护坡桩直径1.2m，护壁0.15m，桩间距2.1m或2.3m，桩顶设钢筋混凝土冠梁并用长度22m预应力锚索拉锚，桩身上设两道混凝土腰梁并用预应力锚索进行拉锚，长度分别为21m、19m。桩顶以上部分采用4排放坡土钉墙支护。基坑南侧采用土钉+预应力锚索型复合土钉墙支护，坡面80?，共10层；第1、2、4、6、8、9、10排为土钉，土钉1、2排采用直径22mm的二级钢筋，其余采用25mm的二级钢筋，平面布置呈矩形分布，水平、垂直间距为1.4m，倾角10?，从上往下长度分别为8m、8m、12m、8m、8m、8m、6m；第3、5、7排为预应力锚索和土钉间隔设置，间距为1.4m，倾角15?，锚索长度分别18m、17m、16m，自由段都为5m，土钉长度分别为12m、12m、8m，锚索设计拉力200KN；腰梁为400×600mm矩形钢筋混凝土梁（图3.3）。南侧基坑开挖和支护分11步进行，第一步开挖深1.25m，往下每步开挖深度为1.4m，最后一层开挖为0.5m，但实际施工中分10步开挖，最后一步开挖到底。本基坑支护深度大、工程要求高、基坑支护安全等级为一级。基坑东西北三面邻近市政道路且伴有复杂的地下管线，应采取可靠的支护结构，以确保道路及建筑物的安全。基坑南侧为在建深圳地铁，地下水位已降低，而东西北三侧地下水位较高，水压力较大。

2.三维数值模拟分析模型的建立

本文采用美国ITASCA公司的FLAC3D程序进行模拟，它可以实现对岩石、土和支护结构等建立高级三维模型，进行复杂的岩土工程数值分析与设计等。它采用的“显示拉格朗日”有限差分算法和“混合-离散分区”技术，能够非常准确地模拟材料的塑性破坏和流动。由于采用了自动惯量和自动阻尼系数，克服了显示公式存在的小时间步长的限制以及阻尼问题，使得FLAC3D成为一个求解三维岩土问题的理想工具之一。本论文采用该分析软件，对基坑开挖过程中的预应力锚索复合土钉支护结构进行三维动态模拟分析。

2.1土体的本构模型

土体的结构性模型是土力学的核心问题，长期以来国内外学者提出了200多种本构模型。目前在土钉支护数值模拟分析中，采用的本构模型主要有：非线性E-v模型、Mohr-Coulomb弹性一完全塑性模型、非线性E-B模型、渐进单屈服面模型和Drucker-Prager模型。

Drucker-Prager模型是剪切屈服应力函数的一个简单破坏准则，模型中考虑了静水压力对屈服强度的影响，参数少且易于确定，计算简单，而且考虑了岩土材料的剪胀性。这种模型的破坏包络线包括Drucker-Prager准则和拉应力路径，与剪切流动法则不相关联而与拉伸流动法则相关联。

本文土体本构模型选用Drucker-Prager模型，其屈服面如图（2.1）[72]，屈服方程为：

（2.1）

式中： 为第一应力不变量， 为第二偏应力不变量， 为材料常数。

（2.2）

（2.3）

（2.4）

（2.5）

式（2.5）是从平面应变状态下导出来的，是Mohr-Coulomb屈服准则的内切圆锥。针对土钉支护中土体的三维应力条件， 选用内切锥时，会低估了材料的强度，偏于保守。本文将采用外接锥（如图2.2所示）[71]，材料常数分别为：

（2.6）

（2.7）

剪胀角可由下式推算：

（2.8）

2.2 平面内Drucker-Prager准则与Mohr-Coulomb准则屈服面的关系

2.2结构单元

采用不同的结构材料对岩土体进行加固时岩土工程分析设计中最重要的内容，由于结构材料形式各异、性质不同，它们与岩土体的相互作用机理也相当复杂，对于上述问题，FLAC中设置了功能强大的结构单元模型，主要包括：梁单元、锚索单元、桩单元、岩石锚杆单元、二维条形锚单元、二维支撑单元、衬砌单元、土工栅格单元、三维壳体单元。本模型采用了其中的梁单元、锚索单元和壳体单元，

2.3边界条件

假定H为边坡开挖深度，实体模型范围：深度取2 H、水平宽度取2H～3H。

模型的底面Z=0采用固定约束，X、Y方向铰接约束，两侧面施加初始应力并约束初始速率。应力边界条件，近似为朗肯静止土压力。

2.4建立模型

本文建模时在y方向仅考虑一排土钉的宽度（既土钉的水平间距1.4m）。模型中土体分为两层，上层土体为砾质粉质粘土，其材料特性由室内试验及勘查报告所给定参数选取如下：积弹性模量K=1.0×107Pa，剪切弹性模量G=4.62×106Pa，粘聚力c=2.49×104Pa，摩擦角φ=20°；下层为燕山期粗粒花岗岩，其力学性能指标如下：体积弹性模量K=4.05×1010Pa，剪切弹性模量G=2.79×1010Pa，粘聚力c=4.4×107Pa，摩擦角φ=45°。

图2.3 FLAC3D模型

3.模型计算及破坏模式分析

本节主要对预应力锚索复合土钉墙结构与传统土钉墙结构的位移、受力特征进行模拟，结合现场监测试验进行对比分析，以总结预应力复合土钉墙与传统支护方式相比的优点。

FLAC3D对于边坡破坏的预测，主要通过查看模型内部塑性区、剪应变增量以及计算其稳定系数。

从剪应变增量云图3.1和图3.2可以看出：预应力土钉墙的剪应变增量变化明显的区域主要集中在开挖面的中下部，并且在顶部开始趋于稳定，而传统土钉墙支护结构的变化范围几乎扩散到了坑顶，由于开挖卸荷，导致坑底隆起，剪应变增长快。

从土钉墙塑性区云图3.3和图3.4可以发现：预应力锚索复合土钉墙的塑性区主要集中在坑底，传统土钉墙支护结构的塑性区域已经出现在破面上，并沿着坡面上升了一定高度，在该坡面处的土体已经进入屈服状态，随着塑性区的进一步发展，边坡会出现塑性流动，导致位移加大而破坏。以上说明，预应力锚索可以控制土体塑性区的发展，使得边坡有更大的安全储备，确保基坑的安全。

4.小结

在破坏模式上：预应力锚索土钉墙塑性区的范围明显要比传统土钉墙小，并且塑性区土体应力剪应变增量变化平稳，增幅小。与符合实际，达到了预期效果。

参考文献

[1] 韩森.预应力锚索复合土钉墙试验研究与数值模拟[D]. 吉林大学硕士论文，2006.

[2] 复合土钉墙基坑支护技术规范（GB50739-2011）.中国计划出版社，2012.

[3] 杨育文.复合土钉墙实例分析和变形评估[J].岩土工程学报，2012.34（4）：734-741.

[4] 付文光、杨志银.复合土钉墙整体稳定性验算公式研究[J]. 岩土工程学报，2012.34（4）：742-747.

【作者简介】韩森（1979-），男，硕士，岩土工程设计与施工。

【文章编号】1627-6868（2013）08-0038-03