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地面超載對土釘墻工作性能的有限元分析

發(fā)布于:2024-03-11 18:43
有限元分析

      土釘支護是近年來(lái)基坑工程中廣泛應用的一種用于土體開(kāi)挖和邊坡穩定的擋土技術(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(gè)類(lèi)似重力式擋墻的結構,以此來(lái)抵抗開(kāi)挖面后土體的壓力和地面超載等,從而保持開(kāi)挖面的穩定。其工作機理是在土體中放入一定長(cháng)度和密度的土釘,這種加筋土較原狀土的強度和剛度大大提高,從而顯著(zhù)提高開(kāi)挖面的穩定。土釘支護結構的施工過(guò)程包括定位、成孔、置筋、注漿等工序。
      雖然土釘支護具有安全可靠、施工便捷、成本較低等優(yōu)點(diǎn),在巖土工程界深受青睞。但目前對其理論研究遠滯后于工程實(shí)踐,很多土釘支護結構僅憑經(jīng)驗設計,工程事故時(shí)有發(fā)生,尤其在坑后地表存在地面超載的情況下,開(kāi)挖面水平位移顯著(zhù)增大,更容易發(fā)生強度和穩定破壞。因此,研究在地面超載作用下土釘墻的受力和變形機理很有必要。有限元分析法是對土釘支護結構進(jìn)行理論分析較為流行的一種方法,不僅能分析支護結構的變形及受力,也能模擬基坑開(kāi)挖、支護的施工過(guò)程。本文以某深基坑土釘支護結構為例,運用非線(xiàn)性有限元軟件ADINA模擬了基坑開(kāi)挖與支護的施工過(guò)程,分析了地面超載對土釘支護結構工作性能的影響。
      某高層建筑深基坑,東西長(cháng)約60m,南北寬約30m,開(kāi)挖深度9m。從上到下基坑各層土體參數見(jiàn)表,根據基坑周邊的環(huán)境和土質(zhì)情況,結合以往的施工經(jīng)驗,垂直開(kāi)挖并采取了土釘支護方案,設置了6排土釘,土釘傾角均為10°,采用梅花形布置,豎向間距1.5m,水平間距1.3m,鋼筋直徑均為22mm,第一排距坑頂0.8m,最后一排距坑底0.7m,其中第一、二、三排的釘長(cháng)為16m,第四、五排的釘長(cháng)為12m,第六排的釘長(cháng)為9m。在坑壁鉆直徑為120mm的孔,鋼筋網(wǎng)采用10@250×250的鋼筋,土釘之間采用14@1200×1200的加強鋼筋縱橫雙向焊接,土釘端頭采用鋼板螺母加固,最后噴射100mm厚的混凝土面層。
      基于基坑的對稱(chēng)性,有限元分析時(shí)取整個(gè)基坑的1/4,根據文獻的結論并考慮以往的工程經(jīng)驗,基坑開(kāi)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70m×55m×36m,如圖所示。
      在模型中,土體選用3D-solid8節點(diǎn)實(shí)體單元,被土釘加固的土體的力學(xué)行為極為復雜,采用Mohr-coulomb屈服準則描述其受荷后由彈性狀態(tài)向塑性狀態(tài)轉變時(shí)的材料特性,其表達式為:σ1-σ32=σ1+σ32sinφ-c·cosφ,其中:σ1,σ3分別為最大和最小主應力;c、φ分別為土體的黏聚力和內摩擦角;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)行加權計算,同時(shí)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節點(diǎn)實(shí)體單元。
      施工過(guò)程的模擬是利用了ADINA中的單元“生死”功能,“殺死”即把土體開(kāi)挖掉,剛度、質(zhì)量為零;“出生”即支護,剛度、質(zhì)量荷載等將恢復其原始的數值;邮┕すこ滩扇》植介_(kāi)挖和支護,共分6步,每步挖深均為1.5m。為了使有限元分析結果能反映真實(shí)的施工情況,模擬的開(kāi)挖和支護步數、每步的挖深均與實(shí)際施工過(guò)程相同。
      為了研究坑后地面超載對土釘支護結構受力和變形的影響,從開(kāi)挖面到坑后20m的范圍內施加水平均布荷載q,分別取q=0、15、30kPa時(shí)分析其對開(kāi)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。

 

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