土钉与复合土钉支护结构数值模拟对比分析

近几年来,复合土钉支护结构广泛应用于深基坑支护中。本文对一工程实例用SnEpFem土钉墙有限元数值分析软件,对土钉和预应力锚杆+土钉、微型桩+土钉、微型桩+预应力锚杆+土钉3种复合土钉支护结构的工作机制进行数值模拟,对比分析4种支护结构的坡面水平位移、坡顶沉降和沉降范围、坑底隆起、张拉区和塑性区范围等特点,发现:(1)与单纯土钉支护相比,复合土钉支护可以有效控制边坡变形,缩小边坡张拉区和塑性区范围,对提高边坡的稳定有利。(2)设置微型桩对坡面水平位移的控制比施加预应力的效果更好。(3)设置微型桩可以有效控制坡顶沉降,而施加预应力对坡顶沉降的影响很小。(4)4种支护结构对坑底隆起的影响趋势是一致的,量值变化很小。经过对比分析,在这一工程地质和水文地质条件下,最可靠的复合土钉支护结构是微型桩+预应力锚杆+土钉支护结构,该支护结构的变形、沉降以及张拉区和塑性区范围都是最小的,是最优的设计结构。     

土钉墙变形规律及其相关性的实测研究

根据基坑坡顶水平位移与沉降的实测数据,讨论了土钉墙坡顶水平位移和沉降以及水平位移与沉降之比的规律,并利用统计方法对其相关性进行了分析,根据实际施工工况与实测数据对比,指出影响土钉墙变形的关键因素及控制土钉墙变形的有效措施。实测数据分析结果表明：基坑坡顶变形的空间效应明显;采用放坡或坡顶卸载可以有效地控制土钉墙的变形;在基坑上部设置预应力锚杆对基坑变形控制具有明显的效果;基坑坡顶的沉降随其水平位移呈非线性增加,沉降与水平位移比与其水平位移基本呈线性增加;土钉基坑发生破坏时的坡顶水平位移的警戒值为0.8 %～1.0 %H。     

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     

深基坑土钉和预应力锚杆复合支护方式的探讨

土钉与预应力锚杆的复合支护方式是当前基坑工程中经常采用的支护方式。结合工程实例,利用有限元软件PLAXIS,合理选择本构模型,对土钉和预应力锚杆复合支护方式和土钉墙两种支护方式的基坑边坡稳定系数和边坡变形进行了分析。分析结果表明,在土钉和预应力锚杆的复合支护方式中,预应力锚杆的位置比较重要,通常锚杆的位置越靠近坡顶,则锚杆发挥的作用越大,效果越理想;土钉和预应力锚杆的复合支护方式与土钉支护相比,位移有所减小,但合理选择锚杆的数量和预应力值对最终效果有一定影响;基坑边坡的局部放坡有利于控制基坑坑口的最大水平位移。     

基于FLAC-3D黄土边坡地震作用下动力响应数值分析

基于FLAC-3D有限差分软件建立一个典型的黄土边坡模型,分析地震动荷载作用下边坡的动力响应特性和动力失稳机制。边坡的水平位移图表明,地震作用下边坡坡脚位移向下,发生剪出变形,坡脚为薄弱部位;剪应变增量由坡脚逐渐向坡内、坡顶扩展,中部位置剪应变较静力作用下发生较大变化,塑性区从坡脚稍向上部位向坡体内部发展,范围增大;坡脚、坡面、坡顶和坡内等监测点的速度时程曲线表明,地震波在坡体内传播过程中具有滞后效应,同时,坡体对地震波具有临空面放大效应。     

地震作用下黄土边坡动力响应数值分析

利用FLAC3D软件对某三级黄土边坡进行了动力反应分析。首先分析了静力作用下该黄土边坡剪应变增量和坡面、坡内、坡顶不同监测点的位移;在此基础上进行动力分析,得出黄土边坡地震动力响应规律。研究结果表明,静力作用下坡面上水平向位移明显大于垂直向位移,水平向位移从坡底向上逐渐减小;坡面处位移较大,位移在每级坡坡脚稍向上一定范围内达到最大值;地震作用下黄土边坡剪应变增量由坡脚稍向上部位开始向周围扩展,范围明显增大,且随地震持时的增加剪应变增量增幅较大;塑性区变化显示该黄土边坡坡顶以拉破坏为主,坡脚稍向上开始以剪破坏为主并伴有拉破坏。黄土边坡对地震波具有临空面放大效应,地震波在坡体内传播过程中还具有滞后效应     

土钉墙面层位移和内力的计算分析

面层对于土钉墙的稳定以及通过土钉把土压力传递到稳定的土体中去具有非常重要的意义。土钉墙面层承受一定比例的水土压力已是不争的事实,然而,在目前的土钉墙设计中往往把面层按照构造进行配筋而不作计算,因此设计中没有体现到面层应有的作用。对土钉墙面层的受力情况进行了简化分析,把面层看作是文克尔地基上的有限长梁,将土钉作为作用在面层上的集中力系,得到了土钉墙面层位移和内力的解析解。计算结果表明,面层位移的最大值不在坡顶,而是在坡顶靠下的位置,其位置随着基坑开挖深度的增加而下移,呈现出中间大两头小的变化规律,与实测结果较为相近;位移的大小对土体的内摩擦角和黏聚力较为敏感,因此在基坑开挖过程中应做好降水工作,以防止水渗透到土体中,降低土体的物理力学性质指标。解析解也揭示了土钉墙面层内的弯矩和土压力的分布特征：面层内的弯矩随着基坑深度的增加而增加,但靠坡顶增加平缓,而在坑底稍上弯矩曲线斜率增大,同时达到最大值,且呈现出中间大两边小的现象,而靠近坑底的位置渐渐演变成为负弯矩,其原因是坑底被动区面层上作用有较大的被动土压力;而面层内的土压力分布性状与位移具有相似的分布规律和性状特征。以严谨的弹性力学理论为基础提供了研究土钉墙的实用方法,得到的结论为土钉墙的设计提供参考,并加深对土钉墙支护结构的理解和认识。     

复合土钉墙支护FLAC3D数值模拟与实测结果对比

针对深基坑复合土钉墙支护的特点,运用FLAC3D软件进行深基坑开挖与土钉支护过程的数值模拟,计算中采用摩尔-库仑弹塑性模型,接触面运用接触单元来模拟土体与土钉之间的相互作用。通过计算得到了基坑不同开挖及土钉支护过程中土钉轴力沿钉长分布、墙后土体深层水平位移、周围地表沉降、坑底隆起及潜在滑动面等变化情况,并与实测结果比较发现二者吻合较好,计算结果对工程施工和设计具有一定的指导意义。同时说明所采用的FLAC3D计算模型和分析方法是可靠的,能够满足工程的精度要求,能够较好地运用于实际工程中的分析与预测。     

土钉加固黏性土坡加载的离心模型试验研究

进行了不同坡度土钉加固边坡坡顶加载的离心模型试验,观测了土坡的破坏过程并测量土坡的位移场,研究了土钉加固黏性土坡的承载力、变形和破坏规律以及坡角对其破坏规律的影响。试验结果表明,坡顶荷载的增加引起土坡变形的增加,变形的集中产生和发展导致滑裂面的形成并使土坡发生破坏。土钉变形规律受加载阶段和加载底板的综合影响,坡顶荷载越大,接近坡顶的土钉弯曲挠度越大,钉土间的相互作用越强。土坡的坡角越大,承载力越低,土体呈现出更显著的向坡面位移的趋势。     

三向地震作用下错距岩质边坡共振特性研究

地震引发的共振往往会对边坡造成严重的破坏,直接影响边坡的抗震性能。为研究错距岩质边坡的共振特性,通过有限元软件ANSYS建立三维边坡数值模型,分析错距对边坡固有频率的影响,并使用谐响应分析对坡面各点的共振响应规律及地震作用频率对边坡应力的影响进行探讨。结果表明：（1）在不同错距条件下均有可能出现共振现象,边坡错距越大,基频越小,坡面的水平共振位移大于竖向共振位移,前坡坡面位移峰值较大,发生共振的频率比后坡小;（2）低阶和高阶固有频率被激发都可引发共振,但高阶共振位移相对较小,前坡和后坡坡面水平位移峰值表现为：坡顶>坡中>坡脚,侧坡则是：坡中>坡顶>坡脚,在高频加载条件下,边坡会出现下部动力响应大于上部的现象;（3）坡体共振时发生的破坏主要以坡脚剪切破坏为主,最大剪切应力和最大拉应力出现的位置与加载频率范围有关,前坡更容易遭受破坏,低频地震动对前坡影响较大,而高频地震动则相反。所得结论可为错距边坡进行抗震设防时确定重点加固部位提供参考。     

Numerical modelling of installation effects for diaphragm walls in sand

The scopes of this work are to study the mechanisms of load transfer and the deformations of the ground during slurry trenching and concreting in dry sand and to evaluate their effects on service structural loads, wall deflections and ground displacements behind the wall caused by subsequent excavation. A series of three-dimensional finite element analyses was carried out modelling the installation of diaphragm walls consisting of panels of different length. The soil was modelled as either linearly elastic-perfectly plastic or incrementally non-linear (hypoplastic) with elastic strain range. Plane strain analyses of diaphragm walls of identical cross section were also carried out in which wall installation was either modelled or the wall was wished in place (WIP). The analyses predict ground movements consistent with the experimental observations both in magnitude and trend. The results also show that the maximum horizontal wall deflections and structural loads reduce with increasing panel aspect ratio towards a minimum which is about twice the value computed for WIP analyses. Panel aspect ratios should be larger than about three to take advantage of the three-dimensional effects. The pattern and magnitude of surface vertical displacements obtained from linearly elastic-perfectly plastic analyses, no matter whether three- or two-dimensional, are unrealistic.     

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。     

土钉支护现场测试及三维数值模拟分析

在进行土钉轴力和边坡位移测试的基础上 ,进行了土钉支护的三维数值模拟研究 ,对边坡位移、土钉轴力、塑性区分布等分别作了较为深入的探讨 ,认识到土钉与土体相互作用形成了一个完整的支护体系 ;基坑失稳破坏并非传统意义上的土体和土钉的破坏 ,而是土钉支护体系的整体性破坏 ;土钉支护体系的形成正是通过土钉的分担作用、应力传递与扩散作用来实现的 ,这是土钉支护作用的实质.     

Evaluation of buttress wall shapes to limit movements induced by deep excavation

Three-dimension finite element analyses of deep excavations with buttress walls were performed to evaluate the effect of buttress wall shapes on limiting movements induced by deep excavation. Results showed that a combination of the rectangular and the capital L-letter shapes (RL-shape) yielded the greatest performance in reducing wall deflections and ground surface settlements. The main deformation-control mechanism mainly came from the horizontal and vertical frictional resistances of buttress walls against adjacent soils which were pushed by wall deflections and the soil heave at the excavation bottom, respectively. Besides, the RL-shape buttress walls were successfully verified through a well-documented case history.     

龙滩水电站左岸边坡二维位移反分析

论述了考虑开挖卸荷效应的二维位移反分析方法。对龙滩水电站左岸岩质边坡1-1剖面进行地质概化、施工开挖分区和开挖扰动分区,建立有限元计算模型。根据试验和现场实测资料,确定待反演得参数和取值范围,通过二维弹塑性有限元方法与神经网络-遗传算法相结合反分析出岩体力学参数。基于该参数的正分析计算结果表明,计算位移与监测位移趋势一致,量值吻合。开挖面附近最大压应力约为1.0 MPa左右,开挖面附近基本上没有拉应力区。开挖完成后的塑性区主要分布在坡顶和开挖面及大断层附近,而且基本上发生在开挖损伤区和部分卸荷影响区。     

考虑剪切抗力的修正土钉单元及其应用

通常的有限元和有限差分分析方法都视土钉单元为只能承受单轴拉压的一维单元,不能承受弯矩。事实上大量土钉的剪切抗力对边坡稳定有着不可忽视的贡献。基于FLAC3D有限差分方法,提出了一种土钉单元剪切抗力的计算方法,并对某基坑土钉加固体系考虑和不考虑剪切抗力两种情况与实测值进行了对比分析,说明了土钉单元剪切抗力对边坡稳定的作用是不容忽视的,同时也说明提出的土钉单元的剪切抗力计算方法是合理的。     

交叉隧道塑性区分布规律、成因及支护探讨

在既有隧道区间上方近距离进行新车站的施工,是地下工程研究中难度较大的问题。本文运用数值模拟方法对北京市地铁五号线东单站上跨地铁一号线,采用浅埋暗挖法施工过程中隧道塑性区分布问题进行了研究,得出在杂填土、砂土、粘土互层条件下大跨度车站底板受既有线存在的影响其塑性区基本以车站轴线为对称轴的矩形分布、既有隧道区间塑性区不同部位的变化幅度,其中以两侧壁最大,并进行了锚杆支护模拟,保证了土体的稳定。     

盾构隧道施工土体扰动范围研究

盾构隧道施工,隧道周边土体应力场发生改变,临近隧道土体因应力扰动出现塑性区,塑性区的分布范围与注浆压力、注浆量等注浆参数密切相关。塑性区被认为是施工扰动比较严重的区域,为分析盾构施工扰动范围,基于小孔扩张理论研究了注浆压力、注浆量对土体扰动塑性区的影响,推导了塑性区与注浆压力和注浆量之间的函数关系。在定义扰动评价标准基础上,提出应用有限元计算盾构施工塑性区和扰动范围的一种简捷实用的数值方法。最后采用静力触探现场测试盾构施工扰动范围,并与理论公式及有限元方法进行比较,理论公式、有限元及现场测试三者取得了较为一致的结果,验证了推荐方法的有效性。其研究结果可对盾构施工注浆参数的正确选择提供理论支持。