小剛度門式剛架型鋼勁性水泥土支護(hù)結(jié)構(gòu)有限元分析

何培玲 (南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,江蘇南京21 0037;南京工程學(xué)院建筑工程學(xué)院,江蘇南京21 11 67)

羅想華 (長江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院,湖北荊州434023)

楊 平 (南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,江蘇南京21 0037)

近幾年來,由于基坑支護(hù)理論研究的逐步深入和深層攪拌法施工技術(shù)不斷完善,型鋼水泥土組合結(jié)構(gòu)共同作用機(jī)理逐漸被認(rèn)識(shí),從而形成小剛度勁性水泥土擋墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)。借鑒門架式雙排樁原理,采用雙排型鋼且頂部橫梁與型鋼構(gòu)成剛性連接[1],進(jìn)一步形成門式剛架結(jié)構(gòu) (見圖1),其受力狀態(tài)的優(yōu)勢(shì)將更加突出。這樣就產(chǎn)生了一種新型的支護(hù)結(jié)構(gòu),即小剛度門式剛架型鋼勁性水泥土擋墻結(jié)構(gòu)。型鋼勁性水泥土材料由水泥土和型鋼材料組合而成,其中水泥土的抗拉強(qiáng)度較低,而鋼材的抗拉強(qiáng)度較高,許多支護(hù)結(jié)構(gòu)在受力初期型鋼尚未屈服的情況下就已經(jīng)開裂,進(jìn)入了非線性狀態(tài)下工作,用彈性分析方法計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的結(jié)果不能反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀態(tài)[2]。對(duì)于比較復(fù)雜的支護(hù)結(jié)構(gòu),材料的非線性和幾何非線性同時(shí)存在,使得分析難度更大,因而對(duì)型鋼勁性水泥土材料圍護(hù)結(jié)構(gòu)的非線性分析越來越受到研究者的關(guān)注。為此,筆者運(yùn)用有限單元法對(duì)小剛度門式剛架型鋼勁性水泥土支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。

圖1 門式剛架結(jié)構(gòu)形式

1 有限元模型的建立

1.1 計(jì)算模型

該模型涉及小型工字鋼、水泥土攪拌樁和樁周土體3部分,各部分的體型差別較大,尤其是小型鋼沿?fù)跬翂﹂L度方向不是連續(xù)布置,因而必須進(jìn)行三維模擬。為了計(jì)算簡便且不占用過多資源,該模型取2.2m寬 (4排水泥土樁,樁徑?700mm)、50m長和30m深,對(duì)于邊界條件可分別在X、Y方向上約束,基坑底部則在Z方向上約束。該模型的網(wǎng)格劃分如圖2所示。

1.2 本構(gòu)模型及參數(shù)選取

小剛度門式剛架型鋼勁性水泥土支護(hù)結(jié)構(gòu)中采用的芯材為小型工字鋼,在對(duì)初始為各向同性材料的小應(yīng)變問題進(jìn)行有限元結(jié)構(gòu)分析時(shí),其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系一般采用雙線性彈性模型,遵循Mises屈服準(zhǔn)則。對(duì)于水泥土擋墻和土體則采用ADINA中的Mohr-coulomb模型,其遵循Mohr-coulomb屈服準(zhǔn)則[3]。該模型均采用8節(jié)點(diǎn)6面體等參單元,其材料參數(shù)取值如表1所示。

圖2 整體模型網(wǎng)格劃分圖

1.3 施工步驟模擬

在土工結(jié)構(gòu)中,結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變形與其建造過程密切相關(guān),對(duì)此可通過有限元的單元生死功能模擬建造過程來分析其內(nèi)力和變形。在基坑開挖過程中,設(shè)置某一層土體單元在特定時(shí)刻失效以模擬該土體被挖掉。當(dāng)通過該功能殺死 (或生成)某一土體單元時(shí),整體結(jié)構(gòu)的平衡狀態(tài)就被破壞。模擬結(jié)構(gòu)的建筑過程采用的是增量法,用分步計(jì)算來解決這種非平衡力的過程[4]。

表1 材料參數(shù)

式中,F為開挖荷載,kN;V為開挖體體積,m3;M為將要被挖去的單元數(shù),其與未開挖單元有公共邊界;[B]為單元應(yīng)變矩陣;{σ}為單元應(yīng)力矢量。

基坑工程中,由于初始 {u0}=0,可將開挖面設(shè)為應(yīng)力自由面,且開挖前自由面上的各點(diǎn)處于平衡狀態(tài)。隨著土體的逐步開挖,土體平衡被破壞,同時(shí)也引起了周圍土體的應(yīng)力場(chǎng)和位移的變化。開挖荷載的計(jì)算采取Mana提出的計(jì)算公式[5]:

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 水泥土性能對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響

假設(shè)周圍土體和型鋼的各種參數(shù)、所受邊界條件和荷載條件不變,只改變水泥土材料性質(zhì),依據(jù)文獻(xiàn) [6,7],分別取水泥摻入比為10%、15%和20%的水泥土特征參數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算。圖3所示為取不同水泥土材料參數(shù)時(shí)擋墻水平位移隨深度變化曲線 (向基坑內(nèi)側(cè)移為正,下同)。由圖3可知,擋墻向基坑內(nèi)側(cè)偏移,且最大位移均出現(xiàn)在水泥土擋墻頂端;水泥摻入比增大時(shí)水泥土擋墻水平位移減小,說明增加水泥摻入比可提高支護(hù)結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力。隨著深度增加,水泥土擋墻水平位移趨于一致,說明增加水泥摻入比對(duì)提高支護(hù)結(jié)構(gòu)抵抗變形能力的作用不再顯著。

2.2 不同型號(hào)型鋼對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響

型鋼是支護(hù)結(jié)構(gòu)的主要承載構(gòu)件,故對(duì)不同型號(hào)型鋼對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)影響做對(duì)比分析。在保持水泥土攪拌樁和土體參數(shù)及基本算例不變,分別取型號(hào)為I14、I16、I18、I20a、I22a的型鋼進(jìn)行計(jì)算。改變擋墻內(nèi)插型鋼的型號(hào)時(shí)水泥土擋墻的水平位移如圖4所示。由圖4可知,采用I14號(hào)型鋼時(shí)水泥土擋墻頂端最大水平位移為55.4mm,采用I18和I22a號(hào)型鋼時(shí)水泥土擋墻頂端最大水平位移分別為44.3mm和37.0mm,說明增加型鋼截面面積可提高支護(hù)結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力。隨著深度增加,采用不同型號(hào)型鋼時(shí)水泥土擋墻的水平位移值趨于一致,說明增加型鋼截面面積對(duì)提高支護(hù)結(jié)構(gòu)抵抗變形能力的作用不再顯著。

圖3 采用不同水泥土材料時(shí)水泥土擋墻水平位移

圖4 采用不同型號(hào)型鋼時(shí)水泥土擋墻水平位移

2.3 剛架寬度對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響

保持型鋼、水泥土及周圍土體的各材料參數(shù)不變,增加水泥土擋墻厚度 (增加水泥土攪拌樁排數(shù)),同時(shí)增加門式剛架寬度 (見圖5)。采用不同寬度的剛架支護(hù)形式時(shí)水泥土擋墻水平位移分布曲線如圖6所示。從圖6可以看出,剛架中間不隔樁時(shí),水泥土擋墻頂端水平位移為50.1mm,剛架中間隔1排樁、隔2排樁和隔3排樁的水泥土擋墻頂端最大水平位移分別為41.9mm、36.4mm和30.8mm,說明增加水泥土擋墻和剛架寬度能提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的抵抗變形能力。隨著深度增加,不同寬度剛架形式下水泥土擋墻的水平位移值趨于一致,說明增加水泥土擋墻和剛架寬度對(duì)提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的抵抗變形能力的作用不再顯著。

圖5 不同寬度剛架形式示意圖

圖6 不同剛架寬度時(shí)水泥土擋墻水平位移

3 結(jié) 論

1)隨著水泥土性能的提高,小剛度門式剛架型鋼勁性水泥土支護(hù)結(jié)構(gòu)的抗變形能力也有一定提高,且水泥土對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的抗變形能力有一定的貢獻(xiàn)。

2)增加型鋼截面面積能提高支護(hù)結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力,但隨著深度增加,增加型鋼截面面積對(duì)提高支護(hù)結(jié)構(gòu)抵抗變形能力的作用不再顯著。

3)不同的剛架寬度和水泥土擋墻厚度對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)有很大影響,增加水泥土擋墻和剛架寬度能提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的抵抗變形能力,同時(shí)型鋼與水泥土的共同作用效果也更加明顯。

[1]劉春原,竇遠(yuǎn)明,閻西康.SMW支護(hù)結(jié)構(gòu)的大變形數(shù)值分析 [J].港工技術(shù),2000,3(1):25-27.

[2]龔曉南.深基坑工程設(shè)計(jì)施工手冊(cè) [M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2002.

[3]岳戈,陳權(quán).ADINA應(yīng)用基礎(chǔ)與實(shí)例詳解 [M].北京:人民交通出版社,2008.

[4]楊平,曹寶飛,尹鵬,等.小剛度勁性水泥土墻基坑支護(hù)的機(jī)理及模型試驗(yàn)[J].南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007,31(3):19-24.

[5]鈴木健夫.柱列ソィルヤメニト連續(xù)壁 [J].基礎(chǔ)工,1986(8):10-15.

[6]崔江余.深層攪拌樁樁體材料力學(xué)性能分析 [J].地基基礎(chǔ)工程,2001,11(4):5-8.

[7]尹鵬.小剛度勁性水泥土擋墻基坑支護(hù)數(shù)值分析[D].南京:南京林業(yè)大學(xué),2006.