钉土相互作用的宏观效应分析

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1、铁道建筑2008年第4期RailwayEngineering6l文章编号：1003．1995(2008)04．0061．03钉土相互作用的宏观效应分析黎永索，林杭(1．湖南城市学院土木工程学院，湖南益阳413000；2．中南大学资源与安全工程学院，长沙410083)摘要：利用简单的力学模型无法反映钉土之间的相互作用的复杂性，因此，采用FLAC加数值计算方法分析土钉和土体相互作用的宏观效应。首先，介绍了程序基坑开挖模拟方法及土钉支护原理；然后，分析了动态开挖过程中，水平位移和竖直位移的变化情况以及钉土相互作用过程中的各自宏观响应。关键词：基坑土钉相互作用宏观效_应中图分类号：TU457文献标

2、识码：A随着经济建设的快速发展，地下空间的开发和利土钉的布置往往保持大体相同的间距，所以可取出与用越来越受到重视。我国经济最活跃的-’沿海地区及少一列土钉对应的一片土体来计算。此片土体的厚度，数内陆地区广泛分布着软弱土层，由于这些地区土质对于在坑壁按矩形网格土钉等于土钉水平间距(如图较差，给基坑开挖带来很大的困难，因此，施工过程中1虚线包围部分为计算区域)。由于在基坑边长中部，需进行相应支护。土钉支护因具有施工方便、经济可与此片左右两面对应的竖直面均可视为对称面，面内靠等优点，近十几年在我国得以广泛应用。其作用机各点的法向位移为零，剪力为零，亦即边界条件明确。理是：土体发生变形时，土钉随之

3、变形，并通过与土体整个基坑模型分块生成，为了模拟开挖的影响，开挖的接触界面上的黏结力或摩擦力被动受拉，从而给土体五部分单独生成，开挖到第几步，只需将其对应的开挖以反向约束，整个过程涉及复杂的力学行为，若采用简部分定义为零单元即可。每步开挖后马上设置土钉，化的力学模型分析往往不能反映基坑和土钉相互作用为了突出体现土钉对基坑的加固效果，在模拟时不考的实际情况。近年来随着计算机技术的快速发展，利虑喷层的加固作用，而是把土钉和灌浆体的参数适当用数值计算方法研究岩土工程问题成为重要的研究方提高进而近似的抵消忽略喷层所产生的误差。向⋯。其中的快速拉格朗日元法(FLAC加)，适用于绝大多数的工程力学问题

4、，尤其适用于材料的弹塑性、大变形分析、流变预测和施工过程的数值模拟。本文采用FLAC。对基坑开挖及土钉支护过程进行了数值模拟，计算程序模拟了土钉、土体单元和钉土间的界面单元。研究土钉在施工阶段和使用阶段受力的变化，重点探讨了钉土相互作用过程中各自的宏观响应，为计算区域实际工程提供参考。图1计算区域的选取1计算方法1．2土钉单元1．1土钉支护的三维有限元模型土钉与土体的黏结是土钉能够发挥加固作用的基土钉支护本身属于三维问题，所以这里采用三维础，它不但与设置土钉的施工方法有关，还与土类有有限元模型进行分析。土体用六面体单元模拟，土钉关，相互作用是十分复杂的。从简化角度分析，土钉与用2节点cab

5、le单元模拟，这样可使二者变形协调。计土体间存在着很强的黏结作用，其轴向能承受很大的算区域选择时，着重分析基坑边长中部的性态。由于拉拔力。本文采用双弹簧cable单元来模拟土钉(如图2)。该法合理地模拟了土钉、灌浆体以及岩体之间的相对滑动，即通过对土钉一浆体界面和浆体一岩体界收稿日期：2007．10．10；修回日期：2008一O1-o5面之间相对位移的模拟来实施。当这两个界面之间产作者简介：黎永索(1974一)，男，湖南汩罗人，讲师，博士研究生。62铁道建筑生了相对滑动，灌浆环的剪切特性即可通过一系列的活锚杆单元，以模拟边坡开挖过程中的应力变形状态。锚索参数和灌浆体的参数来进行数值描述。土

6、钉设计立面见图4(由于对称布置，只列出右侧坑壁土钉位置)。土钉主筋采用二级螺纹钢筋，长度10m，土钉倾角5。，竖向间距1m，第一排土钉距坡顶1m；由于降开水充分，不考虑地下水的影响。基坑开挖将使土体产生位移扰动，这种扰动是一个非线性的力学过程。为了反映其位移随时间变化的非线性动态过程，分别从基坑顶部往下每隔2m布置一个动态过程监测点K01～K06，具体位置见图4。图2土钉力学模型灌浆体一岩体界面上的最大剪应力取决于灌浆体的剪切刚度。通常来说，浆体的剪切刚度可以从拉拔试验直接获得。另外，剪切刚度和剪切模量也有下列关系(1)式中的G为浆体的剪切模量；t为灌浆环的厚度；D为图3计算模型(单位：m

7、)土钉直径。表1土层物理力学参数假定灌浆体为理想弹塑性体，那么，对于灌浆体内部任意点上的相对剪切位移u和剪应力F，有下列关系F：u(2)经过推导，单位长度上浆体一岩体界面上的剪应力可由下式计算=(3)式中的△为浆体和岩体两个界面的相对位移。该法将灌浆材料假定为理想弹塑性，采用莫尔一库仑准则作为屈服准则。所以，由浆体的屈服准则可知，浆体单位长度所能承受的最大剪应力为F?／L=c+amptang(4)式中的为土钉长度；c为浆