止水帷幕提高土釘墻穩(wěn)定系數(shù)的數(shù)值模擬研究

徐 學(xué) 賀

(河北工程大學(xué)土木工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038)

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止水帷幕提高土釘墻穩(wěn)定系數(shù)的數(shù)值模擬研究

徐 學(xué) 賀

(河北工程大學(xué)土木工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038)

以某復(fù)合土釘墻支護(hù)為例，利用FLAC 3D軟件，結(jié)合強(qiáng)度折減法，計(jì)算了該類型土釘墻在有無止水帷幕兩種工況下的安全系數(shù)，并對其結(jié)果進(jìn)行了對比分析，同時(shí)與極限平衡法的計(jì)算結(jié)果作了比較驗(yàn)證，得出了一些有意義的結(jié)論。

土釘墻，止水帷幕，強(qiáng)度折減法，有限差分法

基于目前規(guī)范與工程設(shè)計(jì)中一般將止水帷幕作為安全儲(chǔ)備不考慮其對基坑穩(wěn)定性的影響，往往造成工程浪費(fèi)，影響土釘墻支護(hù)技術(shù)的推廣。因此止水帷幕對土釘墻穩(wěn)定性影響的研究很有必要。本文針對一個(gè)實(shí)際工程采用基于有限差分法和強(qiáng)度折減理論的方法驗(yàn)算了有無止水帷幕兩種情況下各工況土釘墻支護(hù)的穩(wěn)定系數(shù)，并將其與傳統(tǒng)極限平衡法的結(jié)果做了對比分析。

1 工程案例

1.1 工程概況

某工程基坑深度為10 m，周邊放坡條件充分，基坑安全等級(jí)為二級(jí)，采用復(fù)合土釘墻支護(hù)作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，坡度為1∶0.3，地下水位3 m，坡后設(shè)置止水帷幕。各排土釘與錨索水平距離均為1.5 m，土釘、錨索的具體布置與土層參數(shù)見表1，表2。

止水帷幕采用水泥土攪拌樁，樁徑600 mm，搭接200 mm，摻灰量不小于15%，水灰比0.5，進(jìn)入基坑底部以下深度3 m。水泥土止水帷幕的比重取22 kN/m3，內(nèi)摩擦角取40°，彈性模量E取420 MPa，粘聚力值為500 kPa，水泥土樁長度為11.0 m。

表1 土釘參數(shù)表

表2 土層參數(shù)表

1.2 計(jì)算模型

土體、止水帷幕采用摩爾—庫侖模型。本文將止水帷幕考慮為加固土體，在止水帷幕和土體之間未設(shè)接觸面單元。土釘、錨索注漿體與周圍土體的接觸面按法向和切向的非線性彈簧考慮。參考相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，支護(hù)中的噴射混凝土面層受力微小[4]，故在計(jì)算中不考慮面層作用。土釘、錨索注漿體與土體接觸面粘聚力由現(xiàn)場拉拔試驗(yàn)獲取，摩擦角取注漿體和土體之間的外摩擦角[5]。

模型邊界參照張魯渝、鄭穎人等人的建議，X方向長度共43 m(左邊界至坡腳15 m，坡腳至坡頂投影3 m)，Y方向按照一個(gè)單元長度取1.5 m，Z方向共20 m(坑底上下各10 m)。模型兩側(cè)面設(shè)為滾輪支座，底部設(shè)為固定支座并限制X與Z方向的位移，整個(gè)模型限制Y方向的位移和速度。模型網(wǎng)格劃分見圖1。

2 計(jì)算結(jié)果

2.1 不考慮止水帷幕的計(jì)算結(jié)果

結(jié)合強(qiáng)度折減法原理使用軟件FLAC 3D計(jì)算各工況下的穩(wěn)定系數(shù)，計(jì)算結(jié)果見表3。邊坡安全系數(shù)、剪切應(yīng)變增量云圖及速度矢量圖如圖2所示。

表3 不考慮止水帷幕計(jì)算結(jié)果

2.2 考慮止水帷幕的計(jì)算結(jié)果

結(jié)合強(qiáng)度折減法原理使用FLAC 3D軟件計(jì)算各開挖工況的穩(wěn)定系數(shù)，計(jì)算結(jié)果見表4。邊坡安全系數(shù)、剪切應(yīng)變增量云圖及速度矢量圖如圖3所示。

表4 考慮止水帷幕計(jì)算結(jié)果

工況開挖深度/m安全系數(shù)1110．51233．53352．20471．53591．246101．13

2.3 傳統(tǒng)極限平衡法的計(jì)算結(jié)果

使用JGJ 120—2012建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程[7]中的極限平衡法計(jì)算各工況的穩(wěn)定系數(shù)。計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 規(guī)程JGJ 120—2012計(jì)算結(jié)果

2.4 結(jié)果分析

1)強(qiáng)度折減法與傳統(tǒng)極限平衡法的計(jì)算結(jié)果比較。由于大多數(shù)工程設(shè)計(jì)中使用傳統(tǒng)極限平衡法計(jì)算，而該方法一般不考慮止水帷幕對土釘墻整體穩(wěn)定性的影響，故在不考慮止水帷幕情況下各工況土釘墻的安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果與極限平衡法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，如表6所示。

表6 FLAC 3D與規(guī)程JGJ 120—2012計(jì)算結(jié)果對比

通過以上分析比較得出，規(guī)程計(jì)算結(jié)果均滿足二級(jí)基坑整體穩(wěn)定安全系數(shù)不小于1.3的要求；而在開挖深度達(dá)到7 m以上時(shí)FLAC 3D計(jì)算結(jié)果偏小，但在7 m以內(nèi)計(jì)算結(jié)果比規(guī)程大。 因?yàn)橐?guī)程方法假設(shè)滑裂面為圓弧形，隨開挖深度加大到超過7 m，邊坡滑動(dòng)由淺層轉(zhuǎn)變?yōu)樯顚踊瑒?dòng)，滑動(dòng)面變緩，滑動(dòng)面上緣離坡頂變遠(yuǎn)，滑動(dòng)體積增大，故超過7 m用規(guī)程方法計(jì)算結(jié)果偏大。通過與規(guī)程計(jì)算對比，參考圖2剪應(yīng)變增量云圖，強(qiáng)度折減法計(jì)算相對合理，超過7 m用該方法計(jì)算比較安全。

2)強(qiáng)度折減法的計(jì)算結(jié)果比較。采用有限差分軟件FLAC 3D結(jié)合強(qiáng)度折減法計(jì)算有無止水帷幕各工況整體穩(wěn)定安全系數(shù)，對其計(jì)算結(jié)果對比分析如表7所示。

通過表7對比，參考圖2，圖3，用強(qiáng)度折減法計(jì)算考慮止水帷幕比不考慮止水帷幕的安全系數(shù)均有提高，但提高幅度隨開挖深

度的加大而有所減小，進(jìn)一步說明使用該方法計(jì)算相對合理，超過7 m計(jì)算結(jié)果偏安全。另外，從表7可以看出，是否考慮止水帷幕，安全系數(shù)最大可提高20%以上，因此考慮止水帷幕的強(qiáng)度很有必要，而且在7 m以內(nèi)安全系數(shù)按不超過20%的提高幅度考慮較為適宜。

表7 FLAC 3D強(qiáng)度折減法計(jì)算結(jié)果對比

3 結(jié)語

結(jié)合本文工程案例，通過FLAC 3D建模計(jì)算是否考慮止水帷幕兩種情況下各工況的復(fù)合土釘墻整體穩(wěn)定安全系數(shù)并對比分析，同時(shí)用極限平衡法的計(jì)算結(jié)果對比驗(yàn)證，得出以下結(jié)論，為今后該類型土釘墻設(shè)計(jì)提供一些參考，有利于指導(dǎo)基坑開挖的安全施工。

1)極限平衡法在求安全系數(shù)時(shí)因?yàn)轭A(yù)先假設(shè)滑裂面位置、形狀，土體與支擋結(jié)構(gòu)的共同作用、變形協(xié)調(diào)以及土體內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系沒有考慮，故超過一定深度其計(jì)算結(jié)果偏大。

2)強(qiáng)度折減法計(jì)算該類型基坑相對合理，超過7 m計(jì)算結(jié)果偏安全。

3)是否考慮止水帷幕，安全系數(shù)最大可提高20%，因此考慮止水帷幕的強(qiáng)度很有必要。

4)強(qiáng)度折減法計(jì)算考慮止水帷幕比不考慮止水帷幕的安全系數(shù)均有提高，滑裂面有所后移且通過止水帷幕底部，在設(shè)計(jì)該類型基坑時(shí)，建議7 m以內(nèi)安全系數(shù)按20%的提高幅度考慮。

[1] 尹 驥,楊林德,管 飛.強(qiáng)度折減法確定的復(fù)合土釘支護(hù)整體穩(wěn)定系數(shù)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005(21):3882-3886.

[2] 趙尚毅,鄭穎人,時(shí)為民,等.用有限元強(qiáng)度折減法求邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)[J].巖土工程學(xué)報(bào),2002,24(3):343-346.

[3] 遲世春,關(guān)立軍.基于強(qiáng)度折減的拉格朗日差分方法分析土坡穩(wěn)定性[J].巖土工程學(xué)報(bào),2004,26(1):42-46.

[4] 李象范,徐水根.復(fù)合型土釘擋墻的研究[J].上海地質(zhì),1999(3):1-11.

[5] 彭文斌.FLAC 3D實(shí)用教程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

[6] 陳育民,徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎(chǔ)與工程實(shí)例[M].北京:中國水利水電出版社,2009.

[7] JGJ 120—2012，建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程[S].

Numerical simulation study of improving soil nailing wall stability coefficient with waterproof curtain

Xu Xuehe

(CollegeofCivilEngineering,HebeiUniversityofEngineering,Handan056038,China)

Taking the composite soil nailing wall support as an example, applying FLAC 3D software, combining with strength reduction method, the paper calculates the safety coefficient of the soil nailing wall with and without waterproof curtain, comparatively analyzes its results, and compares the result to the calculation result with limiting equilibrium method, and finally draws some meaningful conclusions.

soil nailing wall, waterproof curtain, strength reduction method, finite difference method

1009-6825(2016)32-0078-02

2016-09-04

徐學(xué)賀(1989- )，男，在讀碩士，一級(jí)建造師

TU463

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