一种新型多盘土钉墙支护变形特性的FLAC3D分析

2020-08-14刘跃跃夏红兵蔡海兵

河南城建学院学报 2020年3期

刘跃跃，夏红兵，蔡海兵

(安徽理工大学建筑与土木工程学院，安徽淮南 230001)

土钉支护是用于基坑开挖和边坡稳定的一种挡土技术，当土性较好或基坑开挖深度较小时，一般采用土钉支护，这样可取得较好的经济效益与支护效果[1-3]。通常采用钻孔、置入钢筋并沿全长注浆的方式来形成土钉，也可将较粗的角钢或螺纹钢筋等直接打入土中形成土钉[4]。在土层中采用土钉支护时，为了更好地提高锚固效果，往往会采取加大土钉长度、缩小土钉间距等方法[5]。

随着扩体型锚杆[6]、裹式扩体锚杆[7]等的出现，通过改变锚杆的形状，可以提高锚固效果。近年来，许多学者纷纷对扩体锚杆进行了研究，胡建林、张培文[8]和李哲[13]、刘芝欣[14]等学者的研究均表明：扩体锚杆或者扩大头锚杆比普通锚杆的承载力平均提高20%～30%，最高可达60%；林观茂、张丽娟等[9]进行扩大头锚杆支护体系的数值模拟，研究表明：采用扩大头锚杆支护时，最大水平位移仅为普通锚杆支护情况的89.94%；文献[10]研究结果表明：在相同荷载作用下，单根多盘土锚比等截面普通锚杆的位移小了63.2%。

鉴于多盘土锚的优点，论文将多盘土锚应用于土钉墙支护，通过FLAC3D软件来分析研究其支护效果。

1 多盘土钉介绍

论文提出的多盘土钉，其杆体部分与等径土钉相同，盘径为等径的1.5倍。土钉施工时，先钻孔，然后利用一种扩孔工具在已钻好的孔中扩孔[11]，插入螺纹钢筋，灌入水泥浆或水泥砂浆，待其固化后可得到多盘土钉，如图1所示，d为杆体段直径，D为盘体直径，h为锚盘厚度，s为锚盘间距。

图1 多盘土钉示意图

2 FLAC3D的模型建立

2.1 模型概述

依据基坑土钉支护技术规程[4]，本模型中土钉竖直与水平间距均取2 m，土体开挖时，基坑侧壁为75°放坡开挖，土钉垂直打入坑壁，即土钉与水平面夹角取15°。多盘土钉共三层，每层设置8根土钉。基坑支护结构剖面，见图2。

图2 基坑支护结构的剖面

本模型中基坑开挖深度为6 m，分三次开挖，第一次开挖1.5 m，第二次开挖2.5 m，第三次开挖2 m。多盘土钉有三层，从上到下分别为：第一层多盘土钉支护，其锚头距离坡顶1 m；第二层多盘土钉支护，其锚头距离坡顶3 m；第三层多盘土钉支护，其锚头距离坡顶5 m。

文献显示[12],基坑影响范围大约为其开挖深度的两倍，因此本基坑模型计算区域长为25.6 m，宽度为16 m，高度为12 m。由土钉支护规范可知，钻孔直径在75～150 mm[4]，因此本模拟中多盘土钉的杆体直径d取100 mm，扩盘直径D取为150 mm，长度L可取为5 m，锚盘厚度h取100 mm，锚盘间距s取500 mm，本次模拟采用实体单元来模拟全长锚固的等截面土钉和多盘土钉。其建模完成后土体模型如图3所示，材料计算参数如表1所示。

图3 土体模型

表1 土体和土钉参数表

2.2 边界条件及基本假定

计算模型的边界条件：模型底部边界竖直和水平方向固定，模型两侧边界的水平方向固定，顶部为自由边界。

基本假定：①土体材料采用Mohr-Coulomb弹塑性准则计算；②不考虑开挖支护中产生的误差以及时间对模拟的影响；③由于砂浆面层比较薄，故可忽略该面层的作用；④多盘土钉采用的是均匀、连续、各向同性的弹性体；⑤在开挖模拟支护时，需要在土体与土层之间设置接触面，为了给实际工程提供参考，接触面的c、φ值取土体的0.5倍，法向刚度和切向刚度取土体等效强度的10倍，其参数见表2。

表2 接触面参数

2.3 有限差分模型模拟施工工况设置

运用FLAC3D软件模拟施工工况时，通过空单元命令来模拟开挖。本次模拟的施工工况分为 7个，分别是初始应力平衡、第一步开挖、第一层土钉施工、第二步开挖、第二层土钉施工、第三步开挖、第三层土钉施工。

由于实际监测是在多盘土钉支护完成后进行的，为了使模拟结果能够更好地为实际监测结果提供参考，模拟时每一步都应先进行位移归零后再求解计算。本次模拟研究多盘土钉在素填土中的支护效果，为了避免模拟计算过于复杂，忽略地下水的影响。

3 模拟过程分析

3.1 多盘土钉与等截面土钉在基坑边坡面的水平位移对比分析

本次模拟中分别通过FLAC3D命令流监测基坑坑壁靠中间部分的水平位移，并把得到的数据绘制成水平位移曲线图，见图4、图5、图6。

图4 第一层支护时基坑坑壁的水平位移

图5 第二层支护时基坑坑壁水平位移

图6 第三层支护时基坑坑壁水平位移

由图4可知：在施加第一层多盘土钉后，坑壁的最大水平位移为1.15 mm，比等径土钉时的位移大0.05 mm，两者均出现在开挖深度的三分之二处。但同时发现，多盘土钉模型的支护面水平位移曲线大体位于等径土钉的上方，开始呈现比等径土钉位移小的趋势。

由图5可知：在第二次开挖后，由于施加了第二层多盘土钉，开挖深度增大，两种模型支护下的水平位移已有较为明显的差距，表现出多盘土钉支护坑壁水平位移要小于等径土钉模型的水平位移。距离地面2.6 m位置处，两种模型的水平位移均达到最大值，多盘土钉支护时水平位移最大值为4.11 mm，其位移减少量为20.5%，两种模型的最大水平位移均出现在基坑开挖深度的约三分之二处。

由图6可知：在第三次支护时，开挖深度进一步增大，两种模型支护下的水平位移曲线已经表现出非常明显的差异，锚盘锚固作用更加明显。两种模型的支护面水平位移最大值均出现在中下部，即出现在距离地面4 m处，位于基坑开挖深度的三分之二处，此时多盘土钉支护面最大水平位移值为28.32 mm,比等径土钉模型的最大值减小63.4%。

综上可知：随着基坑开挖深度的增大，多盘土钉的锚固效果逐渐显现，并且会逐渐优于等径土钉，在本次模拟中发现基坑在最后一步开挖时多盘土钉支护下坑壁的水平位移值要远小于等径土钉的水平位移值，且最大位移减少63.4%。这两种模型支护下水平位移最大值发生在支护面中部偏下位置，位于开挖深度的三分之二处，最小值都出现在基坑坑底处。

3.2 多盘土钉与等径土钉的坑内土体隆起量对比分析

本次模拟中通过设置命令流分别监测两种模型最后一层支护时的坑底土体单元的靠中间部分的隆起量，并通过绘图软件把其绘制成曲线图，如图7所示。

由图7可知：两种模型的坑底隆起曲线变化趋势基本相同，都是先增大后减小；坑内土体在距坑底三分之一处，两种模型下土体隆起量均达到最大值，为4.33 mm；两种模型下的坑内土体位移曲线基本重合，由此看出，多盘土锚对控制坑内土体的隆起量没有明显效果。

图7 第三层支护时基坑内土体隆起量

3.3 多盘土钉与等径土钉的坑外地表沉降对比分析

对两种模型支护下坑外地表沉降进行对比分析，本次模拟分别在土体单元的靠中间部位设置一系列监测点来监测地表沉降量，并把其绘制成曲线图，见图8。

图8 第三次开挖时坑外地表沉降量

由图8可知：两种模型在坑顶边缘处时，地表沉降量较大；随着远离坑顶，其沉降量逐渐减小。这是因为土体的开挖会引起坑外土体向坑内移动，但随着远离坑顶，这种影响会逐渐变小。多盘土钉模型下的坑外地表沉降图几乎一直在等截面土钉的上方，可以看出多盘土钉对坑外地表沉降的控制要优于等径土钉。多盘土钉模型下的坑外地表沉降最大值为22.89 mm，而等径土钉模型下的沉降最大值为67.95 mm，即多盘土钉模型下的地表沉降最大值减少66.3%。