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近些年来,土钉支护技术的在国内得到了广泛应用,但对于支护高度大、地质条件差、地下水位高等复杂的特殊情况,土钉支护的使用受到了限制。此时,各种复合土钉支护型式的应运而生。复合土钉支护技术是以土钉支护技术为基础,将土钉与深层搅拌桩、旋喷桩、各种微型桩以及预应力锚杆等结合起来,根据具体工程条件的要求和限制进行多种组合,形成复合土钉支护形式。它是土钉支护技术的延伸和发展,具有安全可靠、造价低、工期短等特点。不仅保持了土钉支护的优势,而且能充分发挥其它支护结构的作用;弥补了一般土钉支护的许多缺陷和使用限制,极大地扩展了土钉支护技术的应用范围。但是,复合土钉支护广泛应用的同时,不乏成功应用的实例,产生事故或失败的情况也屡见不鲜。理论的研究远远落后于工程实践,对复合土钉支护的的发展带来了很大的制约性。鉴于此,本文欲结合工程实例,针对复合土钉支护的稳定性理论做进一步的完善,为该方法在软土地区基坑支护的设计计算、施工组织及事故处理提供相应的理论基础及依据,从而使得复合土钉支护技术的应用得到进一步的推广。
复合土钉应用于软土地区,使土钉支护的应用范围得到了进一步的扩展。我们通常所说的软土一般指淤泥、淤泥质土、冲填土、杂填土或其它高压缩性土等,在《公路工程名词术语》(JTJ002-87)中,软土定义为“由天然含水量大、压缩性高、承载能力低的淤泥沉积物及少量腐殖质所组成的土,主要有淤泥、淤泥质土及泥炭”。软土的基本特性是:具有高含水量、低密度、低强度、高压缩性、低透水性和中等灵敏度的特点。
文章采用有限元法分析水泥土搅拌桩复合支护形式应用于软土地区的稳定性。首先选取了软土相应的本构模型。本构模型是指能反映材料的应力、应变关系的模型。实际工程中软土的应力-应变关系是很复杂的,具有非线性、弹塑性、粘塑性、剪胀性、各向异性等性状,同时应力路径、强度发挥度以及土的组成、结构、状态和温度等均对其有影响。事实上,没有任何一种模型能考虑所有的影响因素,也没有任何一种模型能够适用于所有土类和加载情况.而目前在对土层的数值模拟中运用比较多的也得到了大量的实际工程验证的是Duncan和Chang(1970,1980)建立的E-B非线性弹性模型。该模型能反映岩土材料的非线性弹性,能考虑土层模量随深度的变化,相对别的模型更符合实际情况。Duancan-Chang的E-B非线性弹性模型的优点是考虑了土体变形的主要规律以及非线性;把总变形中的塑性变形部分也当成弹性变形处理。通过弹性常数的调整来及时地考虑这部分塑性变形。它用于增量计算,能反应应力路径对变形的影响。
有限元法诞生于20世纪中叶,随着计算机技术和计算方法的发展,己成为计算力学和计算工程科学领域里最有效的计算方法。美国ABAQUS公司(原HKS)的ABAQUS有限元分析程序是国际上最先进的大型通用有限元计算分析软件之一,具有广泛的模拟性能。它拥有大量不同种类的单元模型、材料模型、分析过程等,其特长是计算各种不同材料、复杂荷载过程以及变化接触条件的非线性组合问题,而岩土介质恰恰是具有非均质、非线性性状,以及几何形状的任意性、不连续性等因素的特殊介质。因此,本文采用ABAQUS有限元分析程序对基坑进行稳定性分析。文章主要的研究内容如下:
(1)在总结国内外简单土钉墙、复合土钉墙应用及研究概况基础上,明确复合土钉支护的概念、分析其发展中存在的问题;
(2)研究复合土钉支护的构造形式、破坏形式进行。针对有超前支护的水泥土桩复合土钉支护形式,提出适于复合土钉墙支护的整体稳定性、抗倾覆稳定性及抗滑移稳定性的计算方法;同时为了能更好、更合理的进行有限元模拟,分析介绍了水泥土桩复合土钉支护的承载机理;
(3)采用非线性有限元方法,运用大型有限元软件ABAQUS;建立简单土钉墙及复合土钉墙受力变形的计算模型。对简单土钉墙及又合土钉墙的土钉轴力分布、超前桩的受力以及土体的位移等展开数值模拟研究,明确复合土钉墙加入搅拌桩后其变形及内部受力的变化悄况。分析超前桩在复合土钉墙中的工作特性;
(4)结合实例分析与有限元计算结果,总结复合土钉墙在软土地区的受力变形特征和承载机理,结合现场工程施工情况,对复合土钉支护体系的设计和施工方法提出建议。
文章通过研究得出以下结论:
(1)、复合土钉支护由于加设了水泥土搅拌桩,与简单土钉支护相比能显著减小支护结构的侧向变形,且侧向位移的最大值不在顶部,而是处于基坑中下部。
(2)、土钉轴力最大值的位置都是从刚开始阶段的土钉端部随开挖步的增加而向土钉后部转移,且越上层土钉移动的距离越大。到开挖完成后,各层土钉轴力最大点的连线可认为是潜在滑裂面,其与理论上按照潜在滑裂面与水平面的夹角θ=45°+а/2来确定的滑裂面位置基本上相吻合。
(3)、搅拌桩桩身受到土钉的拉力作用,而使得其桩身受力发生变化,从而影响支护结构的稳定性。所以除了考虑搅拌桩的挡土、防水作用外还应考虑到其对提高支护结构稳定性的作用。
(4)、在下部土层较好的情况下,土钉倾角增大将使支护结构的侧向变形降低,这主要是由于下部土质要好于上部,所以设计时应尽量使土钉处于好的土层中。但由于倾角增大时,土钉轴力在水平方向上的分力将减小,尤其当倾角超过20°时,下部较好土层的摩阻力对增加的土钉水平抗力的作用大大削弱,使得侧向位移又逐步增大,所以土钉倾角不易过大,一般宜在10°~20°。
(5)、由于超前桩作用的发挥与土钉对其拉结力的大小密切相关,设计与施工中应注意做好土钉与面层钢筋网的连接,以更好发挥复合土钉墙的功能。