基坑土钉墙支护数值模拟

张万涛

(安徽省交通勘察设计院有限公司，安徽合肥 230011)

基坑土钉墙支护数值模拟

张万涛

(安徽省交通勘察设计院有限公司，安徽合肥 230011)

以某工程基坑设计为依托，通过FLAC-3D和国内的理正土钉支护设计软件对基坑土钉墙支护进行了数值模拟，分析了基坑开挖和土钉支护下的位移情况和应力情况。

基坑,土钉墙支护,数值模拟，位移

基坑工程一直是岩土工程的一个重要课题，随着城镇化建设的推进，在软土地区和砂卵石地区的深基坑工程中，土钉支护技术被越来越广泛地运用。同时国内外众多专家学者也对土钉墙支护的机理进行了研究，但是由于其综合性和复杂性，当前对土钉体、面层和被加固土体等的相互作用机理缺乏系统科学的认识，对土钉支护对基坑边坡土体位移和应力的影响缺乏深入的研究[1,2]。数值模拟方法的发展为深基坑中土钉墙支护提供了新的研究方法，从而解决了在深基坑开挖现场难以对土钉支护参数进行系统研究分析的难题，对基坑的支护设计具有较大的指导意义。

1 工程概况

某基坑工程地面绝对标高为33.63m～37.53m，原始地貌单元属湘江冲积阶地，拟建建筑物为两栋塔楼和一座商业裙楼。基础采用天然地基形式，埋深16m。地层及计算参数见表1。

表1 地层及计算参数

2 数值模拟结果及分析

2.1 基坑上部无支护开挖模拟

众多工程实践表明,基坑开挖在两个方向上影响范围大致相同。影响长度约为开挖深度的3倍～4倍，影响深度约为开挖深度的2倍～4倍。由于FLAC-3D中不存在力边界条件，在初始应力场生成之前就要使模型达到力平衡状态。土体采用brick模型，锚杆和土钉都采用Cable模型，土体性质采用Mohr-Coulomb本构模型。基坑开挖采用Null单元模拟。

计算模型高33.5m，宽1m，长50m，具体网格划分等情况如图1所示。无支护开挖产生的位移结果如图2所示，由图2可见基坑无支护开挖将产生沿着某一滑动面的滑动位移；最大位移出现在基坑中下部大约3.2m～3.8m的位置，可达50cm；基坑顶部的位移相对稍小，为42cm左右。

2.2 基坑土钉支护模拟

土钉支护模拟结果如图3所示。由图3可知：1)支护体后面的微小的竖直向上位移。这是由于第二排支护体为锚杆施加了预应力而且本次基坑模拟为先支护，后开挖，这样造成了土体的压缩，以及反向位移。监测计算过程中基坑顶部的位移曲线也显示，确实有一段时间，基坑顶部水平位移出现过正值，但是随着土钉力的施加，水平位移逐渐减小，然后由于支护过强，造成负向位移产生。当再次计算，增加计算步数的时候，位移会变成正值，并趋于稳定。2)支护体位移顶部较小，而中下部较大。实际工程中通过测定土钉墙的总体水平位移，可发现最大值一般出现在墙的上部，并向坡脚处递减；离开墙面距离越大土钉墙内的水平位移越小。本文的模拟结果与上述结论出现了不同，这是由于支护强度较大引起的。3)开挖基坑底部向上位移。如图3所示，基坑开挖后，基坑底部有很明显的回弹、隆起。

以上三方面的位移，体现了土钉支护的效果。

2.3 土钉受力模拟分析

土钉受力分布情况如图4所示，由图4可见土钉的受力沿钉长方向分布不均匀，总体呈中间大、两端小的规律，这也反映了土钉对土体的约束作用；土钉的内力最大值为44kN与理正深基坑土钉计算软件计算得到的48.4kN相吻合，体现了数值模拟的有效性；土钉灌浆部分应力分布如图5所示，由图5可见与土钉应力呈现互补趋势，两头大中间小的趋势，这大概与土钉受力的前提条件是土体的滑动，然后靠土体与灌浆体之间的摩擦力来约束土体位移有关；土钉灌浆部分滑动如图6所示，图6中显示，最开始滑动的是支护体后面的土钉灌浆体，然后接着滑动的是土钉尾部的灌浆体。这个与实际滑动的实际情况吻合较好。

3 结语

本文通过FLAC-3D数值模拟软件实现了对某基坑工程开挖、支护全过程的模拟，并结合工程实际情况分析数值模拟的计算结果，研究讨论了土钉墙支护结构的支护机理、基坑土体的变形规律。通过以上分析可得到以下结论：1)在无支护的情况下，边坡将产生沿着某一滑动面的滑动位移；最大位移出现在基坑中下部大约3.2m～3.8m的位置，可达50cm；基坑顶部的位移相对稍小，为42cm左右。2)土钉墙支护形式下，最大位移发生在边坡的中下部,坡顶的最大位移是6mm。计算结果满足坡顶位移量为基坑深度3‰～5‰的要求。这也从另一个角度验证了本设计的合理性。3)土钉沿钉长方向上受力分布总体呈中间大、两端小的规律；灌浆部分应力呈两头大、中间小的规律，与土钉应力互补，这也说明了锚固效应的作用段位于土钉的中后部。

[1]谈德明.基于FLAC的深基坑土钉墙支护数值模拟分析.中国水运(下半月),2009,9(7):251-252.

[2]牛中元.基于ANSYS的深基坑土钉墙支护数值模拟.山西建筑,2011,37(33):92-93.

[3]杨立超.土钉支护及其FLAC数值模拟.建筑技术开发,2003,30(9):46-48.

[4]周川杰.FLAC2D进行复合土钉支护稳定性分析.岩土工程界,2002,5(6):39-41.

[5]乔俊宇,徐国元.深基坑土钉支护数值模拟.江西有色金属，2005，21(4)：17-19.

Numericalsimulationoffoundationpitsoil-nailingwallsupport

ZhangWantao

(Anhui Traffic Survey & Design Institute Co., Ltd, Hefei 230011, China)

Takingtheengineeringfoundationdesignasthebackground,thepapercarriesoutnumericalsimulationoffoundationsoil-nailingwallsupportthroughFLAC-3DanddomesticLizhengsoil-nailingsupportdesignsoftware,andanalyzesdisplacementconditionsandstressconditionsunderconditionsoffoundationexcavationandsoil-nailingsupport.

foundationpit,soil-nailingwallsupport,numericalsimulation,displacement

1009-6825(2015)21-0040-02

2015-05-15

张万涛(1968- )，男，教授级高级工程师，注册岩土工程师