土钉与土体相互作用的仿真试验分析

运用快速拉格朗日元(FLAC3D)数值法,考虑土钉的加固作用及土钉与土体的相互作用,模拟土钉支护施工过程.选择能够反映开挖特点的土的本构关系、开挖支护模拟过程及双弹簧土钉单元,建立数值分析模型.分析了基底、基坑壁土体的变形响应及土钉在开挖、使用阶段的力学响应.结果表明:①开挖引起基坑壁变形,并导致拉伸与剪切破坏;对于拉伸破坏,应使土钉长度超过滑移面;对于剪切破坏,可增大土钉在剪出口位置的密度;②开挖完毕后,各层土钉轴力沿长度方向的分布不均匀,土钉轴力最大值位置可表征潜在滑动面的位置.FLAC3D能够对基坑分步开挖及支护进行模拟,建立的数值模型能够反映土钉支护基坑的真实情况,为基坑土钉支护技术的设计与施工提供指导.     

基坑土钉合理设计长度优化确定方法探讨

本文针对目前基坑土钉支护设计中土钉设计长度确定方法的不合理性与局限性,从深入研究基坑土钉支护中土钉的受力机理入手,首先建立出基坑土钉设计长度确定的计算模型;其次,在此研究基础上,引入基坑土钉支护稳定性分析的极限平衡方法,通过探讨基坑土钉合理设计长度确定、优化与实施过程,提出了基坑土钉合理设计长度确定的新方法。工程实例分析表明了本文方法的安全性与经济性,具有一定的理论与工程实用价值,完善了基坑土钉支护设计方法和理论。     

基于FLAC3D的土钉内力分析

结合某基坑土钉支护实例,采用FLAC3D对土钉在开挖过程中的受力性能进行了模拟和分析。根据土钉支护结构的开挖、支护情况,研究了土钉的内力分布规律,得到了基坑在开挖过程中土钉的轴力、剪力变化规律。利用试验数据对模拟结果进行了验证,模拟结果与试测值基本吻合,研究成果近一步解释了钉土的相互作用机理。     

土钉基坑支护的空间效应研究

利用三维弹塑性模型研究了土钉基坑支护的空间效应,着重对深基坑工程中的阴角、阳角及分段分层开挖等问题进行了计算分析。结果表明,基坑的阴角能大大降低基坑位移和土钉轴力,其影响范围大于开挖深度,直立开挖面的阴角效应比放坡开挖面时的要大;阳角处的位移及土钉轴力明显增大,其影响范围延伸至3倍基坑开挖深度;分段分层开挖支护能充分利用土钉支护的空间效应,其影响范围接近于基坑开挖深度。     

土钉支护结构变形与稳定性关系探讨

土钉支护因其施工简单、造价低、工期短和施工技术成熟等优点,在工程中得到广泛应用,但目前其设计计算理论缺乏,且现行规范给出的变形允许值存在不足,如现行土钉规范（规程）仅是简单地规定一个变形允许值,没有结合基坑的特点、支护类型、周边环境等因素来规定,更没有将基坑的变形与基坑稳定联系起来综合确定其监测指标预警值等,因此,导致这种性价比很好的支护技术有减少应用的趋势。利用变模量强度折减法对土钉支护变形和稳定关系进行了探讨性研究,经大量的计算分析,给出了土钉支护的变形与稳定统一判定指标--位高比 ,且计算发现,同一种土质、同一稳定系数K对应的不同高度H的位高比几乎相等。给出了一定强度和一定深度土钉支护位移预警值和最大位移允许值,利用给出的表格,可直接确定其位移预警值和最大位移允许值,便于工程师应用,也为实际土钉支护结构确定变形预警值提供了参考。提出的方法不仅能够确定土钉支护结构变形值,且对类似支护结构确定变形值也提供了一种方法和思路,对推进基坑规范完善和改进具有一定的参考和借鉴作用。     

复合土钉墙支护设计参数敏感性分析及边坡变形规律研究

由土钉和预应力锚索组成的复合土钉墙支护结构可以有效加固周围土体,控制基坑变形,被广泛应用于基坑支护设计中。以济南西客站站前广场基坑工程复合土钉墙支护设计为例,通过FLAC3D有限差分软件数值计算和现场监测分析,采用弹塑性实体单元和线性锚杆单元,考虑锚杆与土体相互作用,通过对土钉和预应力锚索组成的复合土钉支护结构进行开挖支护施工全过程的三维动态模拟分析。分析基坑坡面水平位移、坑底隆起、地表沉降、土钉轴力、预应力锚索轴力等变化规律,研究复合土钉墙的受力机制,探讨土钉和预应力锚索的共同作用机制。分析土体各种力学参数和锚杆间距、锚索预应力等设计参数对基坑变形影响的敏感性,并与监测数据进行对比分析。研究表明,锚杆与土体相互作用力学模型能较好模拟复合土钉墙支护施工过程,计算精度较高;土体黏聚力、摩擦角、土钉间距、锚索预应力等对基坑边坡变形的影响较大,计算结果可为复合土钉墙设计参数选取提供参考     

北京某基坑阳角部位土钉支护的冗余度设计研究

以北京某基坑阳角土钉支护工程为背景,采用Midas/GTS软件建立了该基坑阳角开挖模型,以土钉轴力和土体变形为标准,计算支护体系的冗余度,并分析了腰梁加固和阳角参数对基坑支护体系冗余度影响特征。结果表明:①与无腰梁体系相比,土钉一腰梁共同工作的整体能够很好控制阳角危险位置处的位移,同时增加支护体系的传力路径,提高支护体系冗余度。腰梁的设置提高了支护体系变形冗余度。②土钉一腰梁支护体系能够降低阳角附近土钉轴力,保护危险构件,提高支护体系承载力冗余度。③基坑阳角凸出长度增大,支护体系冗余度降低;基坑阳角角度减小,支护体系冗余度相应降低。     

均质土体中土钉受力的极限分析上限法

土钉支护是加固机制上的锚固机制,土钉支护的受力和变形是随施工过程逐步变化的。采用追踪施工过程的增量计算方法,并将稳定性分析与土钉轴力计算相统一,根据稳定性要求来计算土钉受力,是土钉支护中土钉受力计算的合理途径。考虑到土钉支护中土与土钉共同作用以及潜在滑移面处土钉受力的特点,在土钉支护的稳定性分析中可以采用极限分析上限方法。根据上限方法中的相容速度场以及土钉受力与位移的关系,可确定在上限分析中每一开挖工况下土钉轴力增量的比例关系。应用上限方法的能量方程进行每一开挖工况下土钉支护稳定性的计算,即可优化求解出每一开挖工况下的土钉所需提供的能量耗散,而后依据上述确定的增量比例系数,即可求得该开挖工况下的土钉轴力增量,而各开挖工况下土钉轴力增量的积累即为最终土钉轴力。通过工程实例计算表明,上述方法是准确和有效的。     

非对称荷载单层对撑基坑计算方法研究

支护桩（墙）加内支撑作为基坑支护的一种重要型式,已经被基坑支护工程广泛采用。但是,由于基坑所处地质条件、周围环境和土方开挖的复杂性,给基坑支护体系的精准设计计算带来障碍。对非对称荷载作用下的单层内支撑支护设计计算方法进行了探讨。首先,基于极限土压力法分析了单层内支撑与支护桩支点铰接和固结条件下的不动点调整系数的差异性;其次,利用杆系有限单元法分析了基于位移土压力和基于《规程》给出的主动土压力这两种土压力方法计算的桩身位移、弯矩和剪力的差异性。由于非对称荷载作用于基坑支护体系,引起荷载大小侧支护桩桩身位移不同,导致荷载大小侧支护桩受到的土压力也不同,大小侧支护桩桩身内力存在较大差异现象应引起重视。提出的不动点调整系数计算方法和位移土压力计算支护桩受到的土压力计算方法更为合理。     

不同地层条件下复合土钉墙轴力的研究

复合土钉墙是一种新型的支护技术,不同于传统的土钉支护。本文将复合土钉墙支护技术分别应用于饱和黄土地层和粉喷桩复合地层,并通过有限元模拟计算,对其在不同地层条件和不同开挖阶段的轴力情况进行了分析研究。可以看出,复合土钉所受的轴力不仅随地层条件的不同而不同,而且随基坑开挖深度的增加而增大。这些结论将为以后设计复合土钉墙和进行基坑开挖过程中事故的防范提供重要参考      

基于明德林解的土钉内力计算方法

土钉内力计算是土钉墙设计计算的关键指标,通过虚拟开挖应力模拟土钉墙开挖状态,假定面层受力为0,提出了钉土剪力在潜在滑动面两侧沿土钉方向呈双三角形分布的计算模型,推导了钉土剪力和土钉轴力的计算公式。利用Mindlin应变解,得到在虚拟开挖应力和钉土剪力共同作用下潜在滑动面位置土体及土钉端部土体侧向位移,根据钉土剪力分布模型计算得到土钉在潜在滑动面位置的弹性变形。根据钉土剪力在潜在滑动面位置等于0的特点,得到钉土相对位移在潜在滑动面位置为0的结论,结合潜在滑动面位置两侧土钉轴力大小、相等方向相反,可以得到钉土剪应力计算公式中未知系数,从而得到土钉轴力和钉土剪力。通过与法国CEBTP大型试验1号墙实测数据的对比分析,初步验证了基于Mindlin解的土钉内力计算方法的合理性和可行性。     

深基坑土钉支护现场测试分析研究

土钉支护技术在我国深基坑开挖和支护中己得到了广泛的应用,但对其工作机理和计算方法的研究尚不完善。以一个基坑土钉支护工程为实例,对基坑水平位移、土钉拉力进行现场测试,得出了土钉水平位移和拉力的分布规律:(1)基坑最大位移发生在基坑顶部;(2)沿基坑深度范围受力最大的土钉在中部;(3)单根土钉最大拉力作用点在其长度的中部,沿基坑深度方向土钉最大拉力作用点的连线形成的曲线是潜在最危险滑动面的位置。     

土钉支护施工阶段土钉轴力的计算分析

土钉支护的形成过程对其受力和变形有直接影响。结合土钉支护边开挖、边支护且开挖在前的施工特点,定义开挖影响面以反映土体开挖时边坡滑动趋势的变化,与开挖影响面相交处的土钉在土体开挖时轴力增加最多。开挖土压力表示以开挖影响面为边界的土块体产生的土压力,由相邻两步开挖土压力之差求得挖土引起的不平衡力。增加的土钉轴力在平衡此不平衡力的同时,维持着边坡稳定。据此,以开挖影响面及其土钉轴力增量为主要研究对象,提出了施工阶段土钉轴力的分析方法。该方法在求得土钉轴力最大值及其作用位置的同时,还给出了土钉轴力沿钉长方向的分布。应用此方法对法国CLOUTERRE项目1号墙足尺试验进行了计算,结果表明：计算与测试结果吻合良好。     

土钉支护中土钉力和位移的计算问题

土钉支护是一种比较经济的支护方式,工程实践中已广泛应用,但其设计理论则相对缺乏。针对目前土钉支护设计中存在的主要问题,即土钉力和土钉支护位移的计算分析,以工程实测资料为背景,根据侧壁主动土压力与总土钉力相等的原则,考虑施工过程的影响和增量法的思想,提出了基于经验和理论相结合的土钉力计算公式。按照弹性力学理论,对由于土的开挖引起支护的土体侧移提出了简易的位移计算公式。通过工程实测检验了公式的正确性。这些计算公式简便,其结果较符合实际,较好地解决了土钉支护设计的主要问题,可为工程设计提供参考。     

既有桩基荷载对邻近浅埋隧道开挖效应及支护内力影响的研究

建立了包括地层模型、桩基荷载模型、浅埋隧道开挖模型和支护模型以及桩基荷载、地层压力、地层沉降、支护应变量测装置的平面应变模型试验系统;通过模型试验,研究了不同水平、竖向相对位置处的既有桩基荷载对附近浅埋隧道开挖引起的地层压力重分布、地层沉降及隧道支护内力的影响特征。另外,采用FLAC3D软件,对模型试验及不同工况进行了数值模拟。结果表明：（1）与没有桩基荷载的自由地层中的隧道开挖试验相比较,地层中的既有桩基荷载会明显地改变邻近浅埋隧道开挖引起的地层压力重分布、地层沉降及隧道支护内力;（2）对于桩径和水平相对距离都相同,但桩长不同的桩基荷载,桩长与隧道埋深比值为1.0时,对隧道开挖效应影响最大,二者比值小于1.0时,其影响程度随着比值的减小而减小,二者比值大于1.0时,桩长的改变对隧道开挖效应影响较小;（3）对于桩径和桩长都相同的桩基荷载,对地层压力、地层沉降及支护内力的影响随桩基荷载与隧道的水平距离的减小而增大,桩基荷载距隧道的水平距离与隧道直径比值介于0.5～4.0时,桩基荷载对隧道开挖效应影响较大,隧道较危险,比值介于4.0～6.0时,影响较小,比值＞6.0时,影响可以忽略不计。     

地铁车站深基坑桩锚支护结构内力试验研究

为研究深大复杂基坑桩锚支护结构内力演化规律和受荷特性,以总面积约为16×104 m2、最大开挖深度为26 m的基坑工程为依托,在支护桩和锚杆钢筋上预埋钢筋计,分别对基坑开挖过程中和桩头侧向加载、不同工况锚杆拉拔过程中桩的内力和锚杆内力进行监测。结果表明：（1）随着基坑的开挖,悬臂阶段3根支护桩外侧桩身应力呈拉-压-拉变化,内侧桩身应力呈压-拉变化;同一测点钢筋应力逐渐增大,最大值位置略微下移,应力零点出现的位置随桩长的不同而不同。单支点阶段随着基坑暴露时间的增加,外露桩身应力增大,桩身钢筋应力峰值出现在开挖面附近区域,嵌固段桩身应力变化复杂且应力零点比悬臂阶段出现的早。两支点阶段桩身钢筋应力变化更复杂,主要受基坑开挖时间和预应力锚杆的张拉锁定等因素的影响。（2）支护桩、锚杆支护结构设计需考虑其最大允许变形量;满足锚固长度临界值要求后,自由段越长,锚固效果越好,锚固段越短越经济。（3）在未施加拉力和不同拉力作用过程中,锚杆受力发生重分布,与以往土质或岩质基坑认识不同。（4）锚杆侧摩阻力中性点和潜在滑移面的出现与移动是一致的,可用于确定基坑潜在滑移面位置和锚杆临界长度。     

Calculation of the Internal Forces and Numerical Simulation of the Anchor Frame Beam Strengthening Expansive Soil Slope

Anchor frame beam is an excellent method for strengthening the expansive soil cut slope. It can effectively prevent cracks and fissures of expansive soil slope from expanding. There are plentiful engineering experiences that are important for the design of anchor frame beam. However its design theory is still not uniform and there is not any code to be followed. The assumption of Winkler foundation beam and semi-infinite elastic theory are used for calculating the internal forces of the frame beams. At the meantime FLAC^3D software is used for simulating anchor frame beam strengthening expansive soil cut slope. Main parameters, such as length, range interval and angle of the anchor, are researched so as to acquire how to influence slope deformation. The internal force distributing of different length beams is analyzed. The results indicate that it is absurd to design frame beams just by expansive force. It is suggested that the internal forces of pre-cast and cast-in-place beams be calculated with Winkler foundation beam and semi-infinite elastic theory. The numerical results show that ratio of slope has an impact on the slope deformation, and that the angle and the range interval of the two neighboring anchors influence the slope deformation. The pertinent proposal for designing frame beam is offered based on an actual project so as to optimize the design.     

深厚软土地区基坑墙底抗隆起稳定性Prandlt计算式的讨论

深厚软土地区采用Prandlt公式计算基坑抗隆起稳定性常常不满足规范要求,给基坑支护设计带来较大困惑。本文在分析基坑开挖与Prandlt公式计算地基极限承载力的力学边界条件差异的基础上,指出采用Prandlt计算式、临界宽度法和计入基坑内侧土体抗剪强度等改进计算方法的不足,提出同时考虑基坑支护体内外两侧土体抗剪作用的改进计算公式。通过对4个计算公式各参数的敏感度分析,发现内摩擦角是影响基坑墙底抗隆起稳定性的首要因素,基坑挖深和支护体插入深度是主要影响因素,土体黏聚力是次要影响因素,土体重度的影响可以忽略。软土内摩擦角较小,在基坑挖深一定的条件下,只有通过加大支护体插入深度才能保证基坑墙底抗隆起稳定性,因此,考虑基坑支护体内外两侧土体抗剪强度的有利作用可合理优化基坑支护设计。本文通过工程实例研究,验证了计入基坑支护体内外两侧土体抗剪强度作用的合理性;同时,根据浙江软土地区多项工程墙底抗隆起稳定安全系数计算结果的统计分析,指出目前规范取值标准偏高,在软土地区不尽合理,建议在积累工程经验的基础上,适当降低规范计算方法的标准限值。     

深大基坑两级复合土钉支护现场测试研究

结合北京国美商都深大基坑支护工程实践,介绍了砂卵石层中花管式土钉、普通土钉与预应力锚杆相结合的两级复合土钉支护技术的设计与施工方法.通过现场对土钉拉力、基坑位移和锚杆应力的测试与分析,较全面地研究了在砂卵石层中基坑两级复合土钉支护的工作性能.研究结果表明:坡面设置一定宽度的退台会引起"退台效应",进而导致土钉墙受力特征的改变;复合土钉支护中设置预应力锚杆可以很好地控制基坑水平变形,但受土钉墙面层刚度限制和锚杆承压板厚度偏小等因素影响,锚杆锁定后预应力损失很大;土钉的最大拉力作用点连线向上向下延伸后,与边坡的最危险滑动面接近.