土钉支护结构三维数值模拟

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土钉支护技术是用于土体开挖和边坡稳定的一种新的挡土技术,由于具有经济、可靠且施工快速简单等优点,已在我国得到迅速推广和应用,在基坑开挖中,土钉支护现在已成为桩、墙、撑、锚支护结构后又一项较为成熟的支护技术。本文主要是结合土钉支护结构工程实例,采用ABAQUS有限元分析软件,建立土钉支护结构体系的有限元模型,以此模拟土钉支护分步的施工过程,对基坑边坡水平位移、竖直沉降的模拟结果与实测数据进行对比分析;对土钉所受拉力情况经行分析。本文主要的研究成果如下:1、随着开挖深度增加,开挖面上的水平位移逐渐增加。由于开挖时边坡的侧向约束被逐步解除,因而产生侧向位移。每步开挖的深度均为1.5m,因此随开挖步数变化的曲线形状也十分相似。支护不断向外位移,在每层的均质土层中支护结构的位移沿高度大体层线性变化。最大位移发生在基坑顶部,但是随着开挖的进行,最大水平位移位置向土内移一段距离,对应地表开裂面。2、开挖导致天然土的原始应力平衡状态被打破,土体中的应力重新分布,形成二次应力场。开挖面上土体有向下移动的趋势,对压力较小的开挖作业面土体有一个挤压的作用,因而作业面上的土体有向上运动的趋势,形成隆起。3、地表沉降随距开挖面的距离呈曲线分布,每步开挖的地表沉降分布曲线非常相似。沉降的最大值发生在开挖面上,距离开挖面越远沉降量逐渐减小。在总共的四步开挖过程中,坡后土体距离开挖面约为基坑开挖深度H时,地表沉降即减小到了零。每开挖一步,在基坑坡顶都有一定的沉降增量,每步开挖形成的沉降分布曲线形状相似。4、同一排土钉受到的拉力沿土钉延长呈相似的曲线分布。每步开挖后土钉拉力都有一定的增量,并且土钉每段的增量大致相同,因而得到的分布曲线形状十分相似。土钉所受的拉力随开挖的进行,随着深度的增加而增大,这是因为随着开挖的进行,土体卸载引起的水平荷载逐渐增长,土钉更多地参加工作,分担了大部分的水平荷载。5、对于每一根土钉,最大拉力通常出现在钉长的中间部位,并且为靠近土钉和混凝土面层连结的那端,并沿土钉的两端逐渐递减。而且在接近基坑开挖面的土钉这一端,每步开挖后,每排土钉的拉力都几乎接近于一定值;而远离基坑开挖面的那一端,各步开挖后,土钉所受拉力会逐步递减至接近于零值。说明土体变形最大的地方一般土钉拉力也最大,各排土钉的最大拉力处较为危险。6、为控制基坑变形,应适当增加士钉长度,但士钉长度过长,控制变形的效果并不明显,而且土钉拉力增加不多,强度得不到发挥,造成浪费。土钉设置较密时,开挖荷载由众多的土钉共同承担,这种群体作用可有效地约束土体的变形。基坑开挖后边坡主要在侧向受到开挖荷载的作用,从控制基坑水平变形考虑,土钉宜水平或接近水平设置。土钉长度的布置方式对基坑变形有较大影响,基坑中部土钉长的设计方案和基坑上部土钉长的设计方案较好。
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