石家庄裕园大厦深基坑支护工程三维数值分析.pdf
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1、第 3 7卷 第 1 1 期 建筑结构 2 0 0 7年 1 1 月 石家庄裕园大厦深基坑支护工程三维数值分析 杨生彬 ( 中 国地 质大 学 ( 北 京 ) 工程 技术 学 院北 京 1 0 0 0 8 3 ) 提要 结合深基坑土钉墙支护工程实例 , 应用 国际通用的有限差分分析软件一F L A C 3 0 程序, 分析了基坑分 步开挖与支护的受力 、 变形模式 , 模拟了土 土钉 面层协调作用的支护效果。数值模拟结果表明, 随着基坑开 挖深度的增加和支护体系的不断实施 , 支护体受力也逐渐下移, 基坑开挖结束后受力主要集中在沿基坑深度 的中间部 位 , 同时 土钉受 力均 以轴 向拉力 为
2、 主 且远 小 于 其抗 拉 屈 服强 度 , 说 明支 护 设计 是 偏 于保 守 的。将 模 拟 结果 与支护 实测数据 对 比 , 二 者基本 吻合 , 说 明合 理运 用数值 分析 方法 可为工程 优化设 计 提供科 学依据 。 关键词 土钉墙三维数值分析有限差分法 3 D N u me r i c a l A n a l y s i s o n D e e p F o u n d a ti o n P i t S u p p o E n g i n e e r i n g i n S h i j i a z h u a n g Y u y u a n Ma n s i o n Y a
3、 n g S h e n g b i n ( S c h o o l o f E n g i n e e ri n g&T e c h n o l o g y ,C h i n a U n i v e r s i t y o f G e o s c i e n c e s ,B e ij i n g 1 0 0 0 8 3 , C h i n a ) Ab s t r a c t : B a s e d o n a n e n g i n e e rin g p r o j e c t ,t h e fi n i t e d i f f e r e n c e me t h o dF L AC
4、 3 p r o g r a m i s u s e d t o a n a l y z e t h e me c h ani c pr o c e s s and t he d e f o r ma t i o n mo de o f t h e pi t s u pp o e ng i n e e rin g,an d t o mo de l t h e c o o pe r a t i v e f un c t i o n of s o i l na i l s u r f a c e Th e n u me ric a l a n aly s i s r e s ul t s s ho
5、 w t ha t t he f o r c e o f s o i l na i l i n g mo v e s d o wn wi t h t h e e x c a v a t i o n de p t h i n c r e a s i n g,t h e ha lf de pt h o f t he p i t i s t he ma i n wo r k i n g a r e a a t t he e n d o f e x c a v a t i o n,a nd t h e de s i g n i s c o n s e r v a t i v e b ec a u s
6、e t he a x i al f o r c e o f s o i l- n a i l i n g i s f a r l e s s t h a n i t s u l t i ma t e t e n s i l e s t r e n g t h Me a n wh i l e , t h e n u me ri c a l an a l y s i s r e s u l t s i n c l u din g t h e p i t d i s p l a c e me n t a n d t h e me c ha n i c s o f s o i l n a i l i
7、ng a r e ma t c h e d wi t h t h e me a s u r e d d a t a o n t he who l e,whi c h c a n p r o v i d e s c i e nt i fic r e f e r e nc e t o o p t i mi z e t he de s i gn o f s i mi l a r e n g i ne e rin g Ke y wo r d s : s o i l n ail i n g w all ;3 D n u me ri c a l an aly s i s ;fi n i t e dif f
8、 e r e n c e me t h od 0 引 言 深基坑 土钉 墙支护 混凝 土喷层 与土层 间产生 “ 嵌 固层效 应” , 并随开挖 逐步形成 全封 闭支护系统 , 土钉 杆体 与注浆锚 固体 可使被加 固介质 的物理力学性 能大 为改 善 , 其外 固端 同喷 网面层连为一体 , 可把边壁 不稳 定体 的危机转移 到 内固段及其 附近并 消除于 无形 , 钢 筋 网可使喷层具有 更好 的整体 性和柔 性 , 能有 效地调 整喷层 与土钉 内应力分布l 2 J 。应用三维数值 分析程序 F L A C 对某 工程实 例进行 了数值 模 拟 , 分析 土钉 墙支 护系统 中各支护单元
9、的受力 协调 模式 。 l F L A C 3 程序简介 F L A C 程序采用快 速 拉格 朗 F t 方法 , 可 以模拟 弹 性模 型 、 摩 尔 库 仑模 型 、 节理 模型 、 应变 强化和软 化模 型等 6种材料 , 可以模拟地应力 场生成 、 边坡或地 下洞 室开挖 、 混凝土衬砌 、 锚杆或锚索设置 、 地下水渗 流等。 可根据实际情况采 用某 一种材料 模 型 , 也可定 义若 干 个 区域 , 赋予不 同的材料模 型或 者同种模 型 的不 同参 数值 , 来模 拟 复杂 的地 质 情况 。与有 限元 程 序 不 同, F L A C 可通过设定 2个坐 标点来 设 置梁杆
10、 单元 , 从 而 可较方便地设 置混凝 土衬砌 和锚杆 , 而不受 网格节 点 的影响。F L A C 。 可以模拟 常规 的砂浆锚 杆以及预应 力 8 4 锚杆和锚索 , 并计算出沿杆长的受力分布l 4 J 。 对于基坑开挖 与支护 工程 的数值 分析 , 土体材 料 采用摩尔 库仑模型 , 该模型能够反 映岩土 材料抗压 强 度不 同的 S - D效应以及对 正应力 的 敏感性 , 其 屈服 准 则为l 5 J : 厂 = l 3 N 。+2 c N 。=0 ( 1 ) 式 中 : N : ; c为粘 聚力 ; 为 内摩擦 角 ; O 1 , , 分别 为最 大 、 最小 主应力 。 而
11、对 于土钉 杆体 , 通 过程序 中 C a b l e 单 元 的设 置 , 可 以模拟粘结锚 固剂( 如水泥浆) 沿加固长度上产 生的 抗剪切力作用 。C a b l e单元的质 量集 中于节点 , 节 点通 过轴向弹簧连接起 来 , 侧 向用切 向弹 簧和阻 尼器 与土 连接起 来 。其 参数 包 括 截面 积 、 弹性 模 量 、 轴 向刚 度 等。其轴 向力增 量可表 示为 : Ft:一 Au t ( 2 ) L 式 中: , 为土钉轴 向力增 量 , E为土钉 弹性模 量 , 为 土钉截面积 , 为土钉长度 , u 为土钉轴向位移增量。 2 土钉墙支护三维数值分析 2 1工 程 概
12、 况 拟建石家庄裕 园大厦 为高层 商住楼 , 由 A, B , c三 维普资讯 座塔楼及裙 房组成 。其 中 C座地 上 2 8层 , 框剪 结构 , 地下 3层 , 采用 筏板 基础 , 基坑 深 1 0 O m, 平 面尺 寸 为 1 9 8 m2 3 8 5 m, 拟 建场地 交通便 利 , 周 围环 境 比较简 单 , 场地地层参数及其物理力学性质指标见表 1 。 基坑开挖放坡 系数 0 1 , 竖 向共设 置 7道土 钉 , 间 排距 为1 4 0 01 4 0 0, 土钉 长度 自上 而下 依次 为 : 8 , 8, 1 O , 1 O , 8 , 6 , 5 m, 土钉 配筋
13、1 2 0 ; 铺 设 钢筋 网 片 6 2 0 02 0 0, 混凝土 喷层厚 0 1 m, 设 计强 度等级 C 2 0 。采 取随挖随支 , 每步开挖 1 5 m。 土层 物理 力学参 数 表 1 层号 土层名称 层厚( m ) 7 ( k N ! m 3 ) E ( M P a ) c ( k P a ) 舻 ( 。 ) 素填土 O 8 1 5 4 6 9 0 2 8 1 3 1 8 粉质粘土 3 2 1 8 8 8 2 0 3 8 1 6 2 3 粉土 4 0 1 8 0 1 5 0 3 0 2 0 3 O 细砂 未揭穿 2 O 0 2 5 0 2 8 0 3 5 2 2三维数值模
14、型及材 料参数 1 模型的建立 在建模 过 程 中, 一 般 要针 对 分 析 的 问题 将 实 体模 型进 行合 理 的简 化 , 目的 是 使 得 网 格 划 分 相 对简单 , 交 界 网格过 渡 平 滑 , 可 大 大 缩 短 计 算 时 步。遵循 以上 原则 , 取 开 挖边 坡 2 0 m作 为 计 算 长 注 : a , b , c为坡顶位移监测 点 图 1 基坑开挖地质模型 度 , 根据工程经验选取合理 的开挖影 响深度及宽度 , 确 定模 型尺寸 为 4 0 m2 0 m3 0 m( Yz ) , 见 图 1 。 2 材料参数的选取 对于土层参数 , 考虑素填土层厚小 , 各
15、项 指标 与层 粉质粘土 比较相近 , 故数值分析 中将层 , 合为一 层考虑 , 相应参数取按深度加权值 , 见表 2 。 土层 数值计 算 参数 表 2 层厚 c 体积模量 剪切模量 层号 土层名称 ( k P a ) ( 。 ) K( M P a ) G( M P a ) ( k g m 3 ) ( m) 粉质粘 土 4 0 1 5 2 O 8 9 2 9 6 1 5 o o 粉 土 4 O 2 O 3 O 1 2 5 5 8 1 8 o o 细砂 2 2 O O 3 5 1 8 9 9 8 2 O 0 o 土钉 为 级 螺纹钢 筋 , 弹性模量 为 2 0 0 G P a , 抗拉强
16、度设计值 为 3 0 0 M P a , 土钉孔 直径为 0 0 8 m; 面层将混凝 土喷层 与钢筋 网综合 考虑 , 取其 弹性模 量为 2 5 5 G P a , 泊松 比 0 2 。 3 模型初始平衡 根据 以上地质模 型进行 网格 划分 , 生 成 F L AC 。 数 值模 型, 然后设定边界初始约束条件 , 并施加 初始地应 力 场。设置 网格 四周为水平链杆 , 底部 为铰支座 , 顶部 取为荷载 已知 的 自由边界 , 初始地 应力 场为 自重应 力 场 , 地表超 压 为 1 5 k N m, 运行3 5 0 7 时 步达 到初 始平衡 状态 , 模 型由2 1 2 8 0
17、 个 单元及2 3 7 5 1 个节点组成 。 2 3开挖与支护数值模拟及分 析 1 计算模型 数值分析 所采 取 的本构 模 型为摩 尔 库 仑 弹塑 性 模型 , 该模 型能够 反 映 岩土 材料 抗压 强 度不 同 的 S D ( S t r e n g t h D i f f e r e n c e E f f e c t ) 效应 , 即某些材料所具 有的拉 压屈服强度不 同的力学性 能 , 以及对正应力 的敏感 性。 而对 于流动准则 , 在 F L AC 。 中对剪塑 性流动 和拉 塑性 流动分别进行 定义 , 其 中剪 塑性 流动对 应非关 联流 动 法则 , 拉塑性 流动对
18、应相 关联 流动法 则。在每 一个 时 步里 , 接触 目标 面和接 触节 点 的法 向绝 对侵入 量 和切 向相对速度都被 计算 出来 , 把这两 个值带 入到 接触 面 本构方程就 可以算 出接 触面上的法 向应 力矢量 和切向 应 力 矢 量 。 土钉杆体采用 程序中的 C a b l e 单元 , 根据程 序要求 设置相 应参 数 。基 坑 开 挖通 过 F L AC 。 程 序 中 的 N u l l 模型 ( 即零模型 , 在模型达 到初始应力平衡状 态后进行 开挖时 , 将需要开 挖 的块体设 为零模 型 即可实 现模 型 的开挖 , 是一个 可执行 命令 ) 来实现 , 将 开
19、挖体 按每步 开挖深 度逐 次 设 为 N u l l 模 型 , 从 而完 成 基 坑 的分 步 开挖 。 土钉墙面层在模型 中将混凝 土喷层 与钢 筋 网视 为 一 体考虑 , 通过程序 中的 S h e l l 单元 实现 。 2 分步开挖与支护模拟 每步 开挖 1 5 m, 根 据 支护方 案设 置土 钉及 面层 , 实时监测边坡土体位移及土钉的受力状态 。经 过多次 不同时步的试 算发 现 , 模 型在 每步开挖 及 支护设 置后 运行 1 1 0 0 时步左右 , 边 坡位移 与土钉受 力 的增量基 本 趋 于稳 定。以第 三步开挖 为例 , 模 型运 行 1 1 0 0 时 步后
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