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标题 基于FLAC—2D对基坑复合土钉支护中的数值模拟分析
范文 高凤怀+付连安+张志豪



【摘要】针对16 m深基坑工程的所采用的超前微型桩+锚索的复合土钉支护方案为例，采用FLAC—2D程序，选用理想弹塑性Mohr-Coulomb屈服准则，模拟了基坑开挖与支护的过程，并对复合土钉与普通土钉两种支方案护的进行了比较。计算分析表明该复合土钉支护方案能有效地控制基坑变形，通过现场监测结果表明，实际工程中采用超前微型桩+锚索的复合土钉支护方案是技术可行的，同时表明数值模拟结果是合理的。
【关键词】复合土钉；超前微型桩；预应力锚索；数值模拟
【Abstract】Pointed to 16 m in deep foundation pit engineering of composite soil nailing with the advanced micro-pile and anchor support scheme， ，FLAC-2D method with elastic-plastic Mohr-Coulomb yield criterion is applied to simulat the excavation and supporting of foundation pit， and comparisons of displacement cures in composite soil nailing with soil nailing . Calculation and analysis show that the composite soil nailing support scheme can effectively control the deformation of foundation pit，. Comparisons with the field monitoring results confirm the composite soil nail scheme and the behavior analyzed by FLAC-2D.
【Key words】Composite soil nail；Advanced micro-pile；Pre-stressed anchor wire；Numerical simulation
1. 前言
随着高层建筑和地下空间的利用和发展，我国的深基坑工程日益增多，而且工程规模和技术要求的难度越来越大，传统的土钉支护方法由于其局限性已不能满足当前发展的需要。复合土钉支护作为对传统土钉技术的继承和发展，是一种新型、灵活多变、适用范围更广的岩土组合支护结构，它克服了传统土钉的许多局限性，具有广阔的发展前景。但是目前国内外对复合土钉支护的研究无论在理论分析设计还是在工程实践方面都还不够成熟与完善，对复合土钉支护的作用机理、稳定性分析的研究尚处于初级阶段。
本文采用FLAC—2D数值模拟，对基坑的复合土钉与普通土钉的两种支护方案的位移和应力分布情况进行探讨和分析，对工程实践有一定的指导意义。
2. 工程概况
21某基坑工程，主楼高35层，4层地下室，开挖设计深度16.0 m。基坑南侧有高压电缆箱涵及煤气管道平行通过，高压电缆箱涵埋深4 m，宽度约为2 m，紧临基坑，煤气管道位于箱涵外侧，埋深1.5 m，基坑边线距公路4 m。
2.2拟建场地原始地貌为残丘坡地，第四系覆盖层有填土、粉质黏土及残积砾质黏性土，基底为燕山晚期不同风化程度的花岗岩。场地各土层分布极不均匀，变化起伏很大，基岩埋深10～18 m。
2.3场地地下水有两种类型：（1）上层滞水，主要赋存于杂填土层的孔隙中，水量一般不大；（2）潜水-承压水，赋存于残积砾质黏性土中和风化基岩裂隙中。勘察期间地下水位为2 m。
3. 基坑支护方案
基坑深16m，地面均布超载10 KN/m2，采用微型桩+预应力锚索的复合土钉支护方案。主要设计参数：
（1）土钉孔径100 mm，采用25mmⅡ 级螺纹钢，倾角15°。
（2）钢管桩130 mm，间距为0.33 m，桩长16.5 m，桩顶设300 mm×300 mm冠梁。
（3）锚索采用2X75钢绞线，fptk=1860 N/mm2，每排锚索设一道20号槽钢作为腰梁。
（4）坡面布设8@200 mm×200 mm钢筋网，喷射C20厚20 cm混凝土。基坑工程典型剖面图和复合土钉支护设计参数分别见图1和表1。
4. 数值模拟
4.1模型的建立。
将基坑岩土体均视为均质体，将计算区域划分为若干四节点平面应变等参单元，选用理想弹塑性Mohr-Coulomb屈服准则。根据基坑的对称性取基坑中线一侧的区域作为计算域，计算域为长60 m，高20 m共分为60X40=2400个单元。模型的左边界和右边界为单向约束边界，模型的底边界作为荷载边界，其中侧边限制在水平方向上的位移，底边界则限制两个方向的位移。
4.2计算参数的选取。
分析中把土钉支护简化为平面应变问题，则土钉实际被等效为单位宽度的薄层；土钉和锚索采用cable单元来模拟，面层采用beam单元；将微型桩和砼面层作为整体等效为喷砼材料的连续墙体，并按照抗弯刚度相等的原则确定。场地岩土体物理力学参数见表2。
4.3基坑分步开挖。
FLAC程序采用空单元模拟开挖土体，在每次开挖后自动生成等效释放荷载。基坑底部及边壁土体在开挖时的力学状态变化，视为原始应力场由土体开挖而应力释放所引起的。根据分步施工工艺，将开挖和支护深度作为本步模拟的计算深度，整个工程可分为8个工序，每步开挖深度为2 m。
5. 数值模拟结果分析
5.1水平位移（土钉支护水平位移等值线图见图3，复合土钉支护水平位移等值线图见图4，水平位移深度曲线见图5）。
基坑未开挖前，土体在自重应力及周边载荷的长期作用下已处于稳定状态，因此，模拟开挖时，视其运动速度、水平方向和垂直方向位移为零。即在施加完土体自重应力后，认为此时土体是稳定的。
由图可见，复合土钉比传统土钉支护基坑边壁水平位移小很多。基坑顶部的水平位移在施加预应力锚索后明显减小，顶部位移值由35mm降低至11mm，基坑边壁最大水平位移值由45 mm降低至12.7 mm，从而符合设计要求。两种类型的土钉支护的坑壁最大水平位移均位于中下部，与一般认为的土钉支护的最大位移在基坑顶部有所不同。当基坑开挖深度较深时，宜设置多排预应力锚杆。
5.2垂直位移（见图6、图7、图8）。
由图可见，基坑顶部的竖向位移在施加预应力锚索及超前微型后明显减小，顶部位移值由桩22mm降低至6mm，基坑边壁最大位移值由25 mm降低至7 mm，位移明显降低。
（1）在基坑开挖与支护过程中，两种方案基坑底部都有明显回弹，其最大回弹部位发生在基坑中部，且基坑底部有隆起的趋势。
（2）基坑坡顶的地面沉降沿离开边壁距离呈曲线分布，随着离开坡面的距离的增加而呈先增加而逐渐减小的形势；随着基坑开挖时步的进行，基坑顶面都有一定的沉降增量，坡顶呈现先隆起而后沉降的趋势，并且沉降增量的最大值的位置有向外移动的趋势。
5.3土体剪应力（见图9、图10）。
由图可见，在预应力锚索作用处及坡脚处有剪应力集中区，其中，坡脚处的剪应力集中现象较为严重，由图9知传统土钉支护坡脚处的土体已处于屈服状态，因此，基坑的坡脚处是破坏的危险区域，在支护结构的设计与施工中，严禁基坑的超挖，设计中应加强对坡角的设计。
5.4土体塑性区分布（见图11、图12）。
由图知，普通土钉支护的坡脚处的土体已处于屈服状态，并且在支护土体内部产生了较大的塑性屈服区，塑性屈服区与坡顶和坡角的拉应力区相连通，说明此时基坑已经处于破坏状态，而复合支护方案基坑土体塑性屈服点较少，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。
6. 结语
6.1通过FLAC-2D模拟基坑开挖与支护的施工过程，采用微型钢管桩+预应力锚索的复合土钉支护比普通土钉支护具有明显的优越性，确保了支护工程的安全与经济并重的设计原则。
6.2基坑水平位移随着开挖深度的增加呈先增大而逐渐减小的趋势，并且两种支护方案的最大位移均发生在中下部，当基坑开挖深度较大时，复合加固部分发挥了明显的作用，有效地控制了基坑变形的发展。
6.3基坑地面沉降沿边壁呈曲线分布，随着离开坡面的距离的增加而呈先增加而后逐渐减小的趋势；随着基坑开挖时步的进行，基坑顶面都有一定的沉降增量，坡顶呈现先隆起而后沉降的趋势，并且沉降增量的最大值的位置有向外移动的趋势。
6.4预应力锚杆设置在基坑的上部对边坡水平位移的控制效果较好；并且边坡水平位移随着锚杆预加力的增大呈减小的趋势；当基坑开挖深度较大且变形较严格时，可设置多排预应力锚杆，能有效的控制边坡位移。
6.5超前微型桩使基坑坡顶的最大水平位移和最大沉降量都有了明显的减少。基坑开挖与支护过程中，超前微型桩维持了土体临空面土体的临时自稳性，减少了边坡土体的应力释放程度，控制了土体变形的进一步发展。
参考文献
[1]高凤怀，齐伟等.复合土钉在深基坑支护中的应用.世界地质，2005，24（3）：297～300.
[2]张钦喜，朱绪平，潘旭亮等.复合土钉的设计和应用实例.土木工程学报，2004，37（5）：65～69.
[3]曾祥勇，邓安福.锚索与锚杆联合锚固支护岩坡的有限元分析.岩土力学，2007，28（4）：790～794.
[4]宋二祥，邱玥.基坑复合土钉支护的有限元分析.岩土力学，2001，22（3）：241～245.
[5]陈静.土钉支护数值模拟.土工基础，2005，19（3）：67～70.
[文章编号]1619-2737（2015）01-013-488
[作者简介] 高凤怀（1976-），男， 籍贯：山东人，学历：硕士，职称：工程师，主要从事岩土工程勘察及岩土工程设计工作。
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更新时间：2025/2/6 4:15:05