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基坑复合土钉支护的有限元分析

发布于:2016-07-09 19:18
有限元分析

      复合土钉支护技术将土钉与其它支护形式或施工措施联合应用,克服了土钉支护技术对土层的过度依赖,扩展了土钉支护的适用范围。在各种不同的复合土钉支护形式中,锚杆复合土钉支护因其场地适应性强、施工方便、造价低廉,且能显著减小基坑变形而得了广泛的应用。但对其工作机理和设计方法的研究,特别是黄土基坑中锚杆复合土钉支护的研究,却远远落后于工程实践。对复合土钉支护受力、变形机理缺乏更统一、更深刻的理解,至今为止仍没有一种被广泛认可的设计计算方法。有限元分析方法作为一种数值方法,能考虑土体的非线性和变形对应力的影响、能够模拟土坡的失稳过程及其滑移面形状、能够模拟土体与支护的共同作用,常用于基坑的计算分析。
      根据岩土工程勘察报告,拟建场地内地层结构及岩土特性见表。基坑开挖深度为11.0m, 边坡设计坡度1:0.1,设6层土钉,土钉布置方式为梅花形。在-6.0m处设1道预应力锚杆,以减小基坑的水平位移,保证邻近高层建筑的安全和稳定。土钉间距1.5m,倾角为15°,锚杆采用218钢筋,长18m(其中自由段长10m,锚固段长8m),施加预应150kN。简化计算,在对复合土钉支护进行数值分析时,作以下假定:
      (1) 考虑到除基坑坑角外,同一侧边同一深度处相邻土钉的受力和变形基本相同,认为复合土钉支护的计算可简化为二维平面应变问题。
      (2) 土钉、锚杆及其辅助加固材料假定为弹性材料。
      (3) 土体假定为弹塑性体。
      工程经验表明,基坑开挖的影响宽度约为开挖深度的3~4倍,影响深度约为开挖深度的2~3倍。本例取有限元分析模型的总长度为50m,总高度30m,坡面的坡度取1:0.1。模型左右边界设定X方向的位移为零,允许Y方向的变形,底边界在X和Y方向位移均为零,上边界为自由面。初始地应力场为自重应力场,重力荷载加速度9.8m/s2。
      由于土体在一定的范围内分布的不均匀性,不便于进行数值计算,土体参数取计算范围内各土层C,φ值的平均值。土钉与锚杆锚固段由钢筋及其外部包裹的水泥浆组成,水泥浆紧紧包裹在钢筋外部,并与土体呈犬牙状咬合。为准确模拟土钉及锚杆锚固段的力学行为,并适当简化有限元分析过程,将钢筋与水泥浆体视为复合材料,采用整体式模型,其弹性模量由钢筋与水泥浆体的弹性模量按面积折算。各种材料的几何及力学参数如下:土:c=28kPa,φ=18°,土体重度γ=18kN m3,变形模量E0=1.8×e7Pa,泊松比μ=0.3。土钉:直径0.11m,截面积为0.0094985m2,惯性矩1.8324×e-6m4,等效弹性模量Eeq=2×e10Pa,泊松比μ=0.3。锚杆:自由段截面积5.0868×e-4m2,惯性矩1.030077×e-8m4,弹性模量Es=2×e-11Pa。锚固段截面积为0.0176625×e-4m2,惯性矩2.483789×e-5m4,等效弹性模量Eeq=2.03×e10Pa。泊松比均取μ=0.3。面层:截面积0.1m2,惯性矩8.33333×e-5m4,等效弹性模量Eeq=2.1×e10Pa,泊松比μ=0.3。界面摩阻力:根据文献的研究结果,钉土界面、锚土界面摩阻力值取60kPa。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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