基于数值模拟的土钉墙设计参数对黄土深基坑变形特性影响研究
2024-09-18刘伟赵艳彪
摘 要:在黄土地区深基坑支护中应用较为广泛的就是土钉墙支护,研究黄土地区深基坑土钉墙支护结构的变形特性对深基坑本身和周边环境的安全具有重要的实际工程意义。基于此,以黄土地区某市民住宅深基坑为工程背景,利用Midas GTS有限元软件,通过控制土钉强度、土钉嵌入角度、土钉长度和土钉间距这四类设计参数,开展土钉墙支护参数对深基坑的变形特性研究。结果表明,对基坑侧壁产生水平位移及基坑外地表沉降影响最大的设计参数是土钉长度,其次是土钉嵌入角度,对基坑变形影响最小的设计参数是土钉强度。
关键词:黄土地区;深基坑;土钉墙支护;MIDAS GTS软件
中图分类号:TU753 文献标识码:A 文章编号:2096-6903(2024)08-0041-05
0 引言
超高层建筑能缓解住房困难问题,但对其下的深基坑有较高的技术要求[1]。在众多的基坑支护形式中,土钉墙支护方案被广泛应用。土钉墙为柔性支护结构,在黄土地区使用较广,具有施工相对简便、造价较低、安全性比较高的优点[2,3]。黄土地区深基坑支护技术的研究还有待深入,其研究面临复杂性、异质性等诸多困难。
国内有许多学者对黄土地区深基坑土钉墙支护体系变形特性进行研究:郅彬等学者利用数值模拟,分析土钉在基坑支护过程中的水平位移和受到的轴力,得出土钉最大轴力点位置随着基坑开挖向土钉尾部移动的结论,并将纯土钉与复合土钉进行对比后提出相应优化建议[4]。张子辰等学者利用对周边地表竖向位移、基坑侧壁深层水平位移、基坑坑底隆起的监测数据,总结了采用土钉墙支护结构的黄土地区深基坑的变形规律,基坑周围地面沉降随基坑开挖深度增加而增加,随着基坑开挖施工进行,土钉墙支护对基坑整体变形约束较小,呈现整体向基坑内部的倾斜变形[5]。魏焕卫等学者利用Plaxis3D有限元软件结合实测数据,研究了深基坑工程在坡顶堆载作用下土钉墙的土钉轴力、整体变形以及坡顶变形的联系,得出基坑坡顶水平位移和沉降之间为非线性关系[6]。郭红仙等学者采用极限分析方法,研究土钉长度对于直立软土和硬黏土基坑土钉支护整体稳定性的影响,在竖直基坑中,研究得出在软土中土钉长度最好取1.4~1.5倍基坑深度、硬黏土中最好取0.8~1.0倍基坑深度[7]。
目前国内学者对于土钉墙支护体系变形有较为深入的研究以及一系列的成果,但是在黄土地区深基坑土钉墙支护体系变形特性的研究还不够深入,其较为特殊不同于一般土的地质特性,使得黄土地区的深基坑工程中采用土钉墙支护体系,有更为严苛的标准。
1 工程概况
案例项目选用的深基坑位于已建售楼部南侧景观区域以南,周边建筑物为拟建居民楼,楼层不高,距该基坑均较远,处在一个安全距离中,对选定基坑产生的影响较小,可忽略不计。
拟建场地地貌单元属黄土丘陵,其中发育有古冲沟和近代冲沟。属于非自重湿陷性黄土场地,地基湿陷等级为I级(轻微)。场区地层表面局部区域内散布着近期堆填的杂填土层,其下有第四纪坡洪积和冲洪积作用所产生的黄土状粉质黏土和粉土、粉质黏土和姜石,下伏为第三纪泥岩层。基坑地层结构自上而下为:①杂填土(Q42ml)层厚0.705 m。②黄土状粉质黏土(Q42dl+pl)层厚5 m。③黄土状粉质黏土(Q42dl+pl)层厚3.36 m。④粉质黏土(Q2al+pl)层厚3.83 m。⑤粉质黏土夹粉土及姜石(Q2al+pl)层厚8.1 m。⑥泥岩(N)层厚4 m。
勘察期间,在勘探深度范围内,未见有地下水。故在后文的模拟中不考虑地下水对设计和施工的影响。本基坑采用放坡、土钉墙进行支护,深度为11.5 m,剖面安全等级为二级,侧壁重要性系数为1.0,支护方案为临时支护,设计使用期限为1年,坡度1:0.3,自地面以下1.5 m设置第一道土钉,长12 m。间隔1.5 m后设置第二道土钉,长度为12 m。第三、第四道土钉以间距1.5 m来设置,长度均为15 m,倾角均为15°。间隔1.4 m设置第五道土钉长度为15 m。再以间隔1.4 m设置第六、七道土钉,长度均为12 m,倾角为15°。基坑设计方案剖面图如图1所示。
2 Midas GTS软件
有限元法就是把土坡当成变形体,按照土的变形特性,计算出该地区内的应力分布,用有限元法可以计算出每个土单元的应力、应变和每个结点的节点力和位移[8]。这种计算方法目前已经成为很多工程问题变形分析的常用方法,有很多现成的软件可以使用,如midas等。
Midas GTS不仅可以进行简单的线性计算,还可以计算复杂的非线性问题。Midas具有一个庞大的材料本构模型库,该软件可以选择任何形状的单元库和与模拟工程相关的模型,还可以对很多典型岩土工程材料的特点进行模拟。Midas GTS中的弹塑性土体结构模型有范米赛斯、摩尔-库仑、霍克-布朗模型、屈雷斯卡、德鲁克-普拉格等,并在计算中有着很强的非线性收敛能力。本文对基坑的数值模拟分析主要采用该软件。
GTS的特点如下:①中文化的操作界面。②对研究工程直观建模,可设置各种不同的施工阶段。③众多的岩土材料本构模型。④较良好的分析规模和分析速度。⑤直观实用的图形后处理技术。
3 土钉墙结构设计参数模拟分析
基坑开挖深度为11.5 m,采用土钉墙支护,剖面等级为二级,侧壁重要性系数为1.0,基坑周边地面3 m以内禁止堆载,周边载荷设计值为20 kPa,在土钉上加载的预应力设置为50 kN。土体单元采用莫尔-库仑屈服准则来模拟土体的非线性力学特征,钢筋、混凝土及土层参数选取如表1、表2所示。
根据上述参数及基坑支护方案,在软件中对选定深基坑进行建立模型。借助绘图软件CAD将基坑支护剖面图导入,再对材料和属性进行定义,设置边界条件,对土钉施加预应力,填写工况,对各个结构进行激活或者钝化,完成模型建立,模型建立为二维平面,如图2所示。
3.1 土钉强度改变
在本小节中将钢筋直径分别设置为16、22、28、32 mm4个类型,将钢筋分为HRB400级或HRB335级两个类型分别进行研究。
先对不同直径的HRB400级钢筋进行模拟,得出结果如图3、4所示。由图3、4可知,在同为HRB400级钢筋时,直径越大的钢筋产生的变形越小,水平位移最大处位于基坑边坡坡顶处,沉降的最大值产生位置在基坑外侧。使用不同直径的HRB400级钢筋所产生的变形均在允许值范围内。不同直径的钢筋的支护方案所产生的水平位移之间差距较大,沉降的差距较小。
对不同直径的HRB335级钢筋进行模拟,得出结果如图5、6所示。由图5、6可知,在同为HRB335级钢筋时,直径越大的钢筋产生的变形越小,水平位移最大处在基坑边坡坡顶处,沉降最大值产生于基坑外部。使用不同直径的HRB335级钢筋所产生的变形均在允许值范围内。通过对比发现,直径为22 mm的HRB400级钢筋的支护方案所产生的水平位移以及基坑外部地表沉降小于采用16 mm、22 mm的HRB335级钢筋的支护方案,大于采用28 mm、32 mm的HRB335级钢筋的支护方案。
由此说明,对于支护方案,采用不同直径的同一类钢筋的基坑来说,直径越大,支护效果越好,产生的变形越小;采用同一直径的不同类钢筋的基坑来说,HRB400级钢筋的支护效果比HRB335级钢筋好,产生的变形更小。
3.2 土钉嵌入角度改变
根据《湿陷性黄土地区建筑基坑工程安全技术规程》(JGJ167—2009)规范规定,在黄土地区深基坑工程采用土钉墙支护方案的土钉与水平面夹角为5~20°。
文中选定的深基坑支护方案中土钉与水平面的夹角为15°,在本小节中将土钉嵌入角度设置为5°、10°、15°、20°四种类型分别进行模拟。结果如图7、8所示。
从图7、图8可能,当土钉嵌入角度为5°时,基坑侧壁产生的最大水平位移为5.419 mm,最大沉降量为23.355 mm,地表最大沉降量为14.14 mm。当土钉嵌入角度为10°时,基坑侧壁产生的最大水平位移为4.795 mm,最大沉降量为23.113 mm,地表最大沉降量为13.35 mm。当土钉嵌入角度为15°时,基坑侧壁产生的最大水平位移为4.525 mm,最大沉降量为22.851 mm,地表最大沉降量为12.89 mm;当土钉嵌入角度为20°时,基坑侧壁产生的最大水平位移为4.193 mm,最大沉降量为22.646 mm,地表最大沉降量为12.34 mm。不同嵌入角度下基坑侧壁产生水平位移和沉降的趋势基本一致,在基坑顶部产生最大水平位移,基坑外部最大沉降均在合理范围内,没有产生破坏。
同时从图7、8中可以看出,随着土钉嵌入角度的增大,基坑的变形逐渐变小,在这4种方案中,嵌入角度为20°时所产生的变形最小,且在嵌入角度为20°时,深基坑放坡开挖时该边坡的稳定性安全系数最大。
3.3 土钉长度改变
规范规定在黄土地区深基坑工程采用土钉墙支护方案,土钉长度宜为5.75~13.8 m,文中选定的深基坑支护方案中土钉长度为最上两层和最下两层长度为12 m,中间三层土钉长度为15 m。在本小节中将支护方案改为三类,第一类是最上两层和最下两层长度为6 m,中间三层土钉长度为9 m。第二类是最上两层和最下两层长度为9 m,中间三层土钉长度为12 m。第三类是最上两层和最下两层长度为12 m,中间三层土钉长度为15 m,根据不同的支护方案进行模拟。结果如图9、10所示。
当支护方案为土钉最上两层和最下两层长度为6 m,中间三层土钉长度为9 m时,基坑侧壁产生的最大水平位移为1.75 mm,最大负向位移为-9.48 mm,最大沉降量为25.97 mm,基坑外地表最大沉降量为15.35 mm。当支护方案为土钉最上两层和最下两层长度为9 m,中间三层土钉长度为12 m时,基坑侧壁产生的最大水平位移为4.167 mm,最大负向位移为-5.42 mm,最大沉降量为22.88 mm,基坑外地表最大沉降量为12.93 mm。当土钉的最上两层和最下两层长度为12 m,中间三层土钉长度为15 m时,基坑侧壁产生的最大水平位移为4.525 mm,最大负向位移为-5.39 mm,最大沉降量为22.851 mm,基坑外地表最大沉降量为12.89 mm。
由图9、10可知,方案一的水平位移曲线与方案二和方案三差别较大,采用方案一时的基坑在顶部产生的水平位移要比方案二和方案三小得多,但是在基坑底部方案一产生的负向位移远远大于方案二和方案三,方案二和方案三基坑水平位移曲线趋势基本一致,方案三所产生的水平位移比方案二大。
采用方案一支护方案的基坑所产生的沉降远远大于其余两个方案,采用方案三所产生的沉降量最小,但总体与方案二差别不大。三个方案的变形均在合理范围内,未产生破坏。
3.4 土钉间距改变
规范规定在黄土地区深基坑工程采用土钉墙支护方案,土钉间距宜为1~2 m,文中选定的深基坑支护方案中前四根土钉竖向间距为1.5 m,剩下三根土钉竖向间距为1.4 m。在本小节中将土钉间距分为3种,第一种前四根土钉竖向间距为1.3m,剩下三根土钉竖向间距为1.2 m;第二种前四根土钉竖向间距为1.5 m,剩下三根土钉竖向间距为1.4 m;第三种前四根土钉竖向间距为1.7 m,剩下三根土钉竖向间距为1.6 m,根据上述不同支护方案进行模拟。所得结果如图所11、12示。
由图11、12可知,方案一产生的最大水平位移为4.495 mm,最大沉降为22.857 mm,基坑外地表最大沉降量为12.68 mm。方案二产生的最大水平位移为4.525 mm,最大沉降为22.851 mm,基坑外地表最大沉降量为12.89 mm。方案三产生的最大水平位移为4.545 mm,最大沉降为22.848 mm,基坑外地表最大沉降量为12.75 mm。
在基坑10 m以上采用方案一支护的基坑侧壁的水平位移和沉降小于方案二小于方案三,在基坑外地表,方案一所产生的沉降小于方案二大于方案三,但差值不太明显,且都在合理范围内。与沉降相比,土钉布置间距对于水平位移的影响更大,在一定范围内,土钉越密基坑所产生的变形越小。
4 结束语
本文利用有限元软件Midas GTS对选定的深基坑进行模拟,并分析所得结果,从土钉墙结构设计参数方面,研究了黄土地区深基坑土钉墙支护体系变形特性的影响因素。通过有限元软件,控制所研究的影响因素为变量,对选定基坑进行模拟,并进行数据分析,得出结论:对深基坑产生水平位移影响最大的依次是土钉长度、土钉嵌入角度、土钉间距及土钉强度。对基坑外地表产生沉降影响来说,影响从大到小依次是土钉长度、土钉嵌入角度、土钉间距及土钉强度。
目前,众多学者对黄土深基坑技术的研究和应用已经取得了一定的成果,黄土深基坑技术已逐渐成熟,诸如土钉墙、钢支撑体系、预制板墙等支护结构也得到了广泛应用。随着数字化技术、信息网络以及物联网等先进技术的发展和普及,人们对黄土深基坑问题的认识也迎来了新飞跃,形成了一些具有前瞻性、创新性的研究领域,如基于人工智能的基坑监测、预测和诊断技术以及组合式土钉墙结构等。
参考文献
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