小刚度门式刚架型钢劲性水泥土支护结构有限元分析

何培玲 (南京林业大学土木工程学院,江苏南京21 0037;南京工程学院建筑工程学院,江苏南京21 11 67)

罗想华 (长江大学城市建设学院,湖北荆州434023)

杨 平 (南京林业大学土木工程学院,江苏南京21 0037)

近几年来,由于基坑支护理论研究的逐步深入和深层搅拌法施工技术不断完善,型钢水泥土组合结构共同作用机理逐渐被认识,从而形成小刚度劲性水泥土挡墙围护结构。借鉴门架式双排桩原理,采用双排型钢且顶部横梁与型钢构成刚性连接[1],进一步形成门式刚架结构 (见图1),其受力状态的优势将更加突出。这样就产生了一种新型的支护结构,即小刚度门式刚架型钢劲性水泥土挡墙结构。型钢劲性水泥土材料由水泥土和型钢材料组合而成,其中水泥土的抗拉强度较低,而钢材的抗拉强度较高,许多支护结构在受力初期型钢尚未屈服的情况下就已经开裂,进入了非线性状态下工作,用弹性分析方法计算结构内力和变形的结果不能反映结构的实际工作状态[2]。对于比较复杂的支护结构,材料的非线性和几何非线性同时存在,使得分析难度更大,因而对型钢劲性水泥土材料围护结构的非线性分析越来越受到研究者的关注。为此,笔者运用有限单元法对小刚度门式刚架型钢劲性水泥土支护结构进行了分析。

图1 门式刚架结构形式

1 有限元模型的建立

1.1 计算模型

该模型涉及小型工字钢、水泥土搅拌桩和桩周土体3部分,各部分的体型差别较大,尤其是小型钢沿挡土墙长度方向不是连续布置,因而必须进行三维模拟。为了计算简便且不占用过多资源,该模型取2.2m宽 (4排水泥土桩,桩径∅700mm)、50m长和30m深,对于边界条件可分别在X、Y方向上约束,基坑底部则在Z方向上约束。该模型的网格划分如图2所示。

1.2 本构模型及参数选取

小刚度门式刚架型钢劲性水泥土支护结构中采用的芯材为小型工字钢,在对初始为各向同性材料的小应变问题进行有限元结构分析时,其应力应变关系一般采用双线性弹性模型,遵循Mises屈服准则。对于水泥土挡墙和土体则采用ADINA中的Mohr-coulomb模型,其遵循Mohr-coulomb屈服准则[3]。该模型均采用8节点6面体等参单元,其材料参数取值如表1所示。

图2 整体模型网格划分图

1.3 施工步骤模拟

在土工结构中,结构内力的变形与其建造过程密切相关,对此可通过有限元的单元生死功能模拟建造过程来分析其内力和变形。在基坑开挖过程中,设置某一层土体单元在特定时刻失效以模拟该土体被挖掉。当通过该功能杀死 (或生成)某一土体单元时,整体结构的平衡状态就被破坏。模拟结构的建筑过程采用的是增量法,用分步计算来解决这种非平衡力的过程[4]。

表1 材料参数

式中,F为开挖荷载,kN;V为开挖体体积,m3;M为将要被挖去的单元数,其与未开挖单元有公共边界;[B]为单元应变矩阵;{σ}为单元应力矢量。

基坑工程中,由于初始 {u0}=0,可将开挖面设为应力自由面,且开挖前自由面上的各点处于平衡状态。随着土体的逐步开挖,土体平衡被破坏,同时也引起了周围土体的应力场和位移的变化。开挖荷载的计算采取Mana提出的计算公式[5]:

2 计算结果分析

2.1 水泥土性能对支护结构的影响

假设周围土体和型钢的各种参数、所受边界条件和荷载条件不变,只改变水泥土材料性质,依据文献 [6,7],分别取水泥掺入比为10%、15%和20%的水泥土特征参数进行模拟计算。图3所示为取不同水泥土材料参数时挡墙水平位移随深度变化曲线 (向基坑内侧移为正,下同)。由图3可知,挡墙向基坑内侧偏移,且最大位移均出现在水泥土挡墙顶端;水泥掺入比增大时水泥土挡墙水平位移减小,说明增加水泥掺入比可提高支护结构抵抗变形的能力。随着深度增加,水泥土挡墙水平位移趋于一致,说明增加水泥掺入比对提高支护结构抵抗变形能力的作用不再显著。

2.2 不同型号型钢对支护结构的影响

型钢是支护结构的主要承载构件,故对不同型号型钢对支护结构影响做对比分析。在保持水泥土搅拌桩和土体参数及基本算例不变,分别取型号为I14、I16、I18、I20a、I22a的型钢进行计算。改变挡墙内插型钢的型号时水泥土挡墙的水平位移如图4所示。由图4可知,采用I14号型钢时水泥土挡墙顶端最大水平位移为55.4mm,采用I18和I22a号型钢时水泥土挡墙顶端最大水平位移分别为44.3mm和37.0mm,说明增加型钢截面面积可提高支护结构抵抗变形的能力。随着深度增加,采用不同型号型钢时水泥土挡墙的水平位移值趋于一致,说明增加型钢截面面积对提高支护结构抵抗变形能力的作用不再显著。

图3 采用不同水泥土材料时水泥土挡墙水平位移

图4 采用不同型号型钢时水泥土挡墙水平位移

2.3 刚架宽度对支护结构的影响

保持型钢、水泥土及周围土体的各材料参数不变,增加水泥土挡墙厚度 (增加水泥土搅拌桩排数),同时增加门式刚架宽度 (见图5)。采用不同宽度的刚架支护形式时水泥土挡墙水平位移分布曲线如图6所示。从图6可以看出,刚架中间不隔桩时,水泥土挡墙顶端水平位移为50.1mm,刚架中间隔1排桩、隔2排桩和隔3排桩的水泥土挡墙顶端最大水平位移分别为41.9mm、36.4mm和30.8mm,说明增加水泥土挡墙和刚架宽度能提高支护结构的抵抗变形能力。随着深度增加,不同宽度刚架形式下水泥土挡墙的水平位移值趋于一致,说明增加水泥土挡墙和刚架宽度对提高支护结构的抵抗变形能力的作用不再显著。

图5 不同宽度刚架形式示意图

图6 不同刚架宽度时水泥土挡墙水平位移

3 结 论

1)随着水泥土性能的提高,小刚度门式刚架型钢劲性水泥土支护结构的抗变形能力也有一定提高,且水泥土对支护结构的抗变形能力有一定的贡献。

2)增加型钢截面面积能提高支护结构抵抗变形的能力,但随着深度增加,增加型钢截面面积对提高支护结构抵抗变形能力的作用不再显著。

3)不同的刚架宽度和水泥土挡墙厚度对围护结构有很大影响,增加水泥土挡墙和刚架宽度能提高支护结构的抵抗变形能力,同时型钢与水泥土的共同作用效果也更加明显。

[1]刘春原,窦远明,阎西康.SMW支护结构的大变形数值分析 [J].港工技术,2000,3(1):25-27.

[2]龚晓南.深基坑工程设计施工手册 [M].北京:中国建筑工业出版社,2002.

[3]岳戈,陈权.ADINA应用基础与实例详解 [M].北京:人民交通出版社,2008.

[4]杨平,曹宝飞,尹鹏,等.小刚度劲性水泥土墙基坑支护的机理及模型试验[J].南京林业大学学报(自然科学版),2007,31(3):19-24.

[5]铃木健夫.柱列ソィルヤメニト连续壁 [J].基础工,1986(8):10-15.

[6]崔江余.深层搅拌桩桩体材料力学性能分析 [J].地基基础工程,2001,11(4):5-8.

[7]尹鹏.小刚度劲性水泥土挡墙基坑支护数值分析[D].南京:南京林业大学,2006.