土钉墙结构FLAC3D受力性能模拟分析

打开文本图片集

摘要：结合FLAC3D数值模拟软件对土钉墙支护结构的受力性能分析，得出土钉在基坑开挖过程中的受力性能和变形特性，为基坑支护的设计和施工提供指导作用。

无论教科书还是在《建筑基坑支护技术规程》中，都是假设土钉在其轴线方向上承受平均剪应力来进行考虑分析，通过FLAC3D数值模拟软件对土钉的受力过程和机理进行分析，土钉的实际受力状况并不遵循这一规则。在实际工况下，土钉内的受力状况是不均匀分布的，在边坡中部附近的土钉，其拉力一般呈现出中间大、两段小的枣核形状，土钉的受力特点主要根据其破裂面的位置决定，但并不完全重合。实际的破裂面并不是唯一确定的，主要由实际土层情况、现场周围环境和设计参数所决定。

一、土钉轴力模拟分析

采用FLAC3D仿真模拟软件对土钉支护结构进行分析，土钉受力见下图1和2所示。

● 图1 土钉平均轴向应力（开挖距底部1m时）

● 图2 土钉平均轴向应力（开挖完成后）

由图1和图2得知：土钉在支护结构中所受的轴力状态并非规范设计当中所采用的平均剪应力。土钉全长范围受拉，拉应力的大小沿土钉长度方向不均匀分布，总体呈现出中间大、两端小的分布规律，其最大拉应力值出现在边坡破裂面的附近；在竖直方向上，呈现出中部和上部的土钉受力较大，下部坑底附近土钉受力较小的分布规律。随着土方开挖，土钉所受的轴力呈逐步增大趋势，在垂直方向上土钉的受力逐渐向下转移，在土钉长度方向（水平方向）土钉的内力也逐渐向尾部传递，土钉的峰值应力向破裂面附近转移。土钉越是往下，所受轴力的峰值点越是靠近面层，说明破裂面的位置为边坡上部距离基坑较远处，边坡下部靠近面层的圆弧状。

● 图3 土钉周围水泥浆应力

图3所示为在土钉四周用圆锥体来描述的水泥浆应力，圆柱半径的大小与应力大小成正比。通过土钉周围水泥浆的应力图可以清楚的看到土钉所受到的土应力的大小、性质和分布规律。图中红色部分表示不稳定区域土体与土钉周围水泥浆的接触面上的摩擦力 ， 是由于土体在其接触面上的位移所产生，在此区域内的土体由于基坑开挖产生侧向位移，土钉起到约束土体位移、增加土体刚度的作用；黑色部分表示在稳定区域土体与土钉周围水泥浆的接触面上的摩擦力 ， 是由于土钉在稳定区域的滑移所产生，此阶段土钉起到应力传递和扩散的作用。 和 虽然同为土钉周围水泥浆上的应力，但是其受力机理却完全相反，一个是不稳定区域土体的滑移造成的土钉被动受力，另一个则是土钉的滑移造成的主动受力。在垂直方向上，土钉周围水泥浆受到的 和 分布规律不尽相同，竖向上部的土钉所受的摩擦力 分布长度最长，中部次之，底部最短，说明在上部产生侧向位移的土体区域较大，而在下部产生侧向位移的土体区域较小。在土钉所受的摩擦力 区域内，中上部土钉的摩擦力峰值一般出现在尾部摩擦力接近零的区段，下部土钉的摩擦力峰值则出现在土钉的端部；下部土钉摩擦力 的端部由于第三主应力 最大出现明显的应力集中现象。

二、边坡位移数值模拟分析

对于土钉支护结构的边坡位移，运用FLAC3D进行模拟计算

● 图4 土钉墙位移量等值线阴影图 ● 图5 Y向（即水平向）位移等值阴影图

● 图6 Z向（即竖向）位移等值阴影图

通过对土钉支护结构位移云图分析结果表明：由于基坑开挖，在自重应力的作用下引起的基坑位移呈现出“探头”形状，上部坡顶最大，坡底最小。在水平方向，即边坡向基坑内的位移方向上，呈现出基坑中下部的位移量较大，上部和下部较小的“鼓肚”状。在竖直方向上，呈现出自上而下逐渐减少的位移趋势。

综上所述，土钉支护结构起到了约束土骨架的作用，土钉制约着土体的变形，使土钉和土复合成一整体，承担了主要的荷载，由于土钉本身所具备的较高的抗拉、抗剪切的作用，当土体产生位移的时候应力逐渐转向土钉，延缓了土体塑性区的开展，当土体出现开裂现象时，土钉承受和分担了更多的应力。依靠土钉与土界面相互摩擦的作用，土钉将承受的荷载沿其长度方向稳定区域土体内传递，使基坑的稳定性得到了极大的提高。

三、结论

（一）通过FLAC3D对土钉受力状况模拟，可以清楚的看到土钉轴力中间大、两头小的分布规律。可以通过土钉受力的模拟，分析不同长度土钉轴向的受力状况，得出最合理的土钉长度，达到优化设计的目的。

（二）根据FLAC3D分析的动态显示结果，可以分析出基坑受力变形特点及位移趋势，在边坡中下部的位移量和位移增量最大，在满足稳定性要求条件下，边坡中下部为最危险作业面，从而为设计和施工进行指导。

【参考文献】

[1]刘国彬，王卫东.基坑工程手册.第二版[M].北京：中国建筑工业出版社，2009

[2]张璐，土钉墙与桩锚联合支护相互协同作用性能分析[D].包头：内蒙古科技大学硕士学位论文，2012

[2]储王应，陆红山.基于FLAC模拟的基坑锚杆（土钉）支护分析[J].山西建筑， 2010，Vol.36No.2

[3]建筑基坑支护技术规程[S].JGJ120-2012，中国建筑工业出版社，2012

[4]FLAC 3D.Fast Lagrangian Analysis of Continuain 3Dimensions，Version2.1 [S].Itasca Consulting Group，Inc，USA

[5]刘波，韩彦辉[美国].FLAC原理、实例与应用指南[M].北京：人民交通出版社，2007

【作者单位：许瑶，内蒙古科技大学】

杨海珍，包钢建安（集团）有限责任公司】

张璐，核工业208大队】