路基土钉支护加固的数值分析

第２６卷第３期　黑龙江工程学院学报（自然科学版）　Ｖｏ１．２６　Ｎｏ．３　２０１２年９月‘　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｓｅｐ．，２０１２　路基土钉支护加固的数值分析　何承义　，连欣。，王景波　（１．黑龙江工程学院土木与建筑工程学院，黑龙江哈尔滨１５００５０；２．黑龙江省饮食服务贸易（集团）公司，黑龙江哈尔滨　１５ＯＯ５Ｏ）　摘要：建立路基土钉支护加固的数值分析计算模型，对边坡土体的变形及土钉的受力进行分析，数值结果表明：随　着边坡开挖深度增加面板位移加大，土钉轴力增加。基于此数值分析建议在工程实际中土钉不等长布置会得到更　好的支护效果与经济性。　关键词：路基；土钉支护；边坡；数值分析　中图分类号：Ｕ４１６　文献标志码：Ａ　文章编号：１６７１—４６７９（２０１２）０３—０００１—０３　Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｕｂｇｒａｄｅ　ｓｌｏｐｅ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　ｂｙ　ｓｏｉｌ　ｎａｉｌｉｎｇ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ＨＥ　Ｃｈｅｎｇ—ｙｉ，ＬＩＡＮ　Ｘｉｎ，ＷＡＮＧ　Ｊｉｎｇ—ｂｏ　（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　ａｎｄ　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ　１５００５０，Ｃｈｉｎａ，２．Ｔｈｅ　Ｆｏｏｄ　Ｓｅｒｖｉｃｅ　Ｔｒａｄｅ（Ｇｒｏｕｐ）Ｃｏｍｐａｎｙ　ｏｆ　Ｈｅｉｌｏｎｇｉｉａｎｇ　Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，Ｈａｒｂｉｎ　１５００５０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ，ｅｓｔａｂｌｉｓｈｉｎｇ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｓｕｂｇｒａｄｅ　ｓｏｉｌ　ｎａｉｌｉｎｇ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｅ—　ｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｌｏｐｅ　ｓｏｉｌ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｆｏｒｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｏｉｌ　ｎａｉｌｓ　ｉｓ　ａｎａｌｙｓｅｄ　ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃａｌｌｙ．Ｔｈｅ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｗｉｔｈ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｄｅｐｔｈ　ｏｆ　ｓｌｏｐｅ　ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ａｕｇｍｅｎｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｐａｎｅｌ，ｔｈｅ　ｆｏｒｃｅ　ｏｆ　ｓｏｉｌ　ｎａｉｌ　ａｘｉａｌ　ｗｉｌｌ　ｂｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅｄ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｍｏｄｅｌ，ａ　ｒｅｃｏｍｍｅｎｄａｔｉｏｎ　ｔｈａｔ　ｕｓｉｎｇ　ｕｎｅ—　ｑｕａｌ　ｌｅｎｇｔｈ　ｓｏｉｌ　ｎａｉｌｉｎｇ　ｉｎ　ｔｈｅ　ａｃｔｕａｌ　ｗｉｌｌ　ｇｅｔ　ａ　ｂｅｔｔｅｒ　ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ　ｅｆｆｅｃｔ　ａｎｄ　ｂｅｎｅｆｉｔｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｕｂｇｒａｄｅ；ｓｏｉｌ　ｎａｉｌｉｎｇ；ｓｌｏｐｅ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　土钉支护是一种原位加筋加固技术，其充分发　兀法。　挥原有土体强度，针对可能出现的土体扰动事先加　１．１材料的本构模型　固，是一种经济、适用且性能可靠的防护形式。目　本文土钉的本构模型采用Ｄｒｕｃｋｅｒ－Ｐｒａｇｅｒ模型。　前，土钉支护技术设计理论和方法已相当成熟，但将　模型屈服函数表达式为　土钉支护技术应用到路基边坡支护工程当中，还需　ｆ一￣／Ｊ２一ａＩ１一ｋ．　（１）　进行大量的研究工作，土钉支护理论还不完善，《规　式中：　为第一应力不变量；Ｊｚ为第二偏应力不变　范》中的计算是基于简单的经验近似解，计算结果还　量；ａ、ｋ为试验常数。　有很多缺陷，对土钉支护的复杂受力机理还有待进　Ｉ１一　１＋０．Ｚ＋０＂３，　（２）　一步探索，因此，提出一种新的处理土钉与周围土体　相互作用的分析方法是一个非常值得探讨的课题。　Ｊ２一÷［（　１一　２）。＋（　２一　３）。＋（　１一　３）　］．　Ｕ　（３）　１　土钉支护计算的数值分析法　针对土钉支护中土体的三维应力条件，材料常　目前，数值计算方法有半解析法、有限差分法、　数ａ．ｋ值采用　有限元法、边界单元法、离散单元法和流形元法等，　Ｏｔ　一—　＝——＿＝二＝＝＝±＝＝一’一，ｋ　＝一—■＝＝＝＝＝兰＝＿．＿　一．　（４）　其中尤以有限元法应用最为广泛，本研究采用有限　３Ｊ３＋ｓｉｎ　，／３＋ｓｉｎ２　根据Ｍｉｓｅｓ在１９８２年提出的塑性位势理论，材　收稿日期：２０１２—０３—２７　基金项目：黑龙江省教育厅科学技术研究资助项目（１１５３１３０２）　料中任一点的塑性应变增量方向总是与塑性势面正　作者简介：何承义（１９６２一），男，教授，研究方向：道路桥梁．　交。在Ｄｒｕｏｋｅｒ假设成立的条件下，按照相关联流　黑龙江工程学院学报（自然科学版）　第２６卷　动规则　１　ＯＦ　一　．　（５）　式中：　为确定塑性应变增量大小的函数，Ｆ为屈　服函数，Ａ为硬化参数Ｈ的函数。　Ｄｒｕｏｋｅｒ—Ｐｒａｇｅｒ模型为理想弹塑性本构模型，　即初始屈服时就认为已经破坏，故并无硬化规律，此　时Ａ一０。　１．２有限元模型　建立有限元模型时，对于土钉的３个组成部分　分别采用不同单元形式。对于土体和面层采用实体　单元模拟，为了保持必要的计算精度和节约计算时　间与存储空间，当分析的结构比较简单，可以很方便　地全部划分为六面体单元，或者绝大部分是六面体，　只含有少量四面体和棱柱体时采用ｓｏｌｉｄ４５单元，否　则采用ｓｏｌｉｄ９２单元。土钉采用三维空间梁单元　ｂｅａｍ４模拟。模拟土钉与土体间的粘结作用采用接　触面单元ｃｏｎｔａｃｔ１７　系列模拟。土钉和土体之间接　触，ＡＮＳＹＳ程序提供光滑接触模式、粗糙接触模式、　库仑摩擦模式以供选择，本文采用库仑摩擦模式，在　实际工程中，钉与土间的摩擦符合此模式。　１．３土钉支护边坡施工过程模拟　有限元分析在建模时把所有的结构（包括面层和　土钉）都建在计算模型里，将所有单元的材料属性全　部定义为成土体，模拟未开挖的初始状态；将模型施　加约束，施加重力荷载，计算土体的初始应力；进行第　一步开挖，即“杀死”被开挖部分的土体单元，计算当　前开挖步的应力和变形；建造土钉和面层，即将土钉　单元的材料属性由土体改为土钉属性，将面层单元的　材料属性由土体改为面层属性，计算此时支护体系的　应力和变形；进行下一步开挖并重复前面工作直至最　后一步开挖结束。死单元的单元荷载将为０，从而不　对荷载向量生效。同样死单元的质量、应变、阻尼、比　热和其他类似效果也设为零值。当单元被激活时，其　刚度、质量载荷等将恢复其原始的数值。　２路基边坡土钉支护加固分析　某高速公路路基边坡路线为隧道口路堑段，数　值分析所选择的断面垂直开挖深度１６．２　ｍ，开挖按　１：１Ｏ．７５放坡，模型按开挖断面对称去一半计算，　取竖向１列土钉及其周围土体进行分析，模型范围　以计算结果最大限度接近现场施工情况为准，高为　３５　ｍ、宽４０　ｒｎ。开挖模拟从上至下分８级进行，每　级标准开挖深度２　ｍ，第１级开挖深度２．２　ｍ，土钉　水平与竖直间距采用１．４　ｍ，土钉倾角（与水平线夹　角）１０。。土钉为钻孔注浆钉，直径０．１　ｍ，面板为　１０　ｃｍ厚。开挖按不排水考虑，建立土体自然状态　模型进行初始平衡，形成开挖前土体在自重作用下　的初始应力状态。　土体参数：内聚力Ｃ一２７．６　ｋＰａ，内摩擦角　一　２Ｏ．２。，１０—１９．８　ｋＮ／ｍ。，泊松比　一０．３８；　土钉参数：等效模量Ｅｅ。一３．８２５×１０　ＭＰａ，密　度ｆＤ一２５　ｋＮ／ｍ。，泊松比　一Ｏ．３；　面板参数：等效模量Ｅ　一２．６×１０　ＭＰａ，密度　ｆ０—２５　ｋＮ／ｍ。，泊松比　一０．３８。　２．１　等长土钉时面板后土体的水平位移　路基开挖边坡面板的水平位移在各开挖阶段的　变形均为顶部最大，且基本上随开挖深度增大，水平　位移逐渐增大，到最后一步开挖时，坑顶水平位移为　最大。图１为各开挖阶段距离面板不同距离土体水　平位移。从图中可发现，最后一步开挖时，距面层不　同距离土体的水平位移总的变形趋势为距面板越近　的土体水平位移越大。距面板３０　ｍ处的水平位移　基本上接近于０；随着开挖的进行，在距面板相同距　离处的土体水平位移逐渐增大，开挖完成时土体水　平位移最大。　ｌ＼　＊　６　４　２　Ｏ　８　６　４　２　Ｏ　一２　第１步开挖　—，卜＿第２步开挖　——一第３步开挖　＋第４步开挖　——一第５步开挖　——第６步开挖　——第７步开挖　＋第８步开挖　５　ｌ０　ｌ５　２０　２５　３Ｏ　３５　４０　４５　５Ｏ　距离面板水平距离／ｍ　图１各开挖阶段面板后不同距离土体水平位移　２．２等长土钉时土钉的轴力　各开挖阶段的土钉轴力如图２所示。土钉轴力　沿长度方向分布均为两端小中间大，虽然土钉轴力　分布沿土钉长度方形基本呈枣核形，但土钉前部的　轴力明显大于土钉尾部轴力。随着开挖深度的增　加，土钉的轴力随着开挖深度的增加而增大，这是由　于随着开挖的进行，土体卸载引起的水平荷载将逐　渐增长，土钉更多地参加了支护工作，一起分担大部　分荷载。　通过比较图２～图４可发现，随着开挖的进行，　土钉轴力点有向面板靠近的趋势，各开挖阶段中，各　层土钉轴力的最大点也有向面板靠近的趋势（图４　的第１２层开挖已经较图３的第８步开挖的最大轴　力有明显向面板靠近的趋势），这就是边坡潜在滑移　面的位置，即土钉的最大轴力发生在破裂面，这一点　第３期　何承义，等：路基土钉支护加固的数值分析　５０　＋第１级开挖　。互　＋第２级开挖　＋—一第４级开挖　第３级开挖　３０　—一第５级开挖　辱　＋第６级开挖　２０妄　一第７级开挖　一第８级开挖　１Ｏ　Ｏ　Ｏ　ｌ　２　３　４　５　６　７　８　土钉长度，ｍ　图２第１层土钉各开挖阶段的轴力　与实际一致；不同深度位置上的土钉，其受到的最大　拉力有很大的区别，顶部和底部的土钉受力较小，较　大的土钉拉力出现在位于开挖深度一半前后的几排　土钉上。　６０　５Ｏ　至　４０　暴　３０　２０　３Ｏ　２０堇　辑　ｌＯ妄　０　ｌ　２　３　４　５　６　７　８　土钉长度／ｍ　图４第１２层土钉各开挖阶段的轴力　３　结　论　１）建立了路基边坡开挖土钉支护的数值模型，　土钉和土体之间接触采用库仑摩擦模式模拟土钉与　边坡土体变形协调情况，分析计算并评价等长土钉　支护加固的效果与可行性。　２）路基开挖边坡水平位移随路基开挖深度的增　加而增大，土钉支护最大水平位移发生在路基开挖　边坡顶部；土钉系统发挥了整体加固土体和增强土　体刚度的作用，并抑制了土体位移的发展。　３）土钉轴力随路基开挖边坡深度的增加而增　大，轴力沿土钉长度方向分布不均匀，分布形状为沿　土钉长度呈中间大两端小的枣核形。沿长度方向，　越靠近土钉尾部，土钉轴力越小。就各层土钉的最　大轴力而言，土钉支护上部最大，向下逐渐减小。　４）在满足开挖边坡面顶部最大位移限制和下部　土体稳定的条件下，等长土钉的布置方式虽然具有　计算简单、施工方便的优点，但是依据各排土钉受力　特点，土钉长度采用中部较长或者上部长下部短的　不等长布置方式，会比等长度土钉得到更好的支护　效果与经济性。　参考文献　［１］贺若兰，张平，李宁．土钉支护加固机理的数值分析［Ｊ］．　湖南大学学报：自然科学版，２００７（１）：５３—５５．　Ｅ２］陈进杰，贾金青，张明聚．土钉支护工作性能参数分析　［Ｊ］．岩土工程学报，２００１，２３（５）：６１８—６２２．　［３］丁勇春，王建华，徐斌．基于ＦＬＡＣ３Ｄ的基坑开挖与支护　三维数值分析ＥＪ］．上海交通大学学报，２００９，４３（６）：９７６—　８００．　［４３徐中华，王卫东．敏感环境下基坑数值分析中土体本构　模型的选择［Ｊ］．岩土力学，２０１０，３１（１）：２５８—２６４．　［５３勇春，周顺新，王建华．深基坑开挖与土钉支护三维数值　分析［Ｊ］．上海交通大学学报：自然科学版，２０１１，Ｖ４５　（４）：５４７—５５２．　［６］崔岩，张鑫．深基坑土钉支护的有限元分析［Ｊ］．工程力　学，１９９６（２）：３３—３５．　［７］朱彦鹏，李忠．边坡土钉墙支护稳定性分析方法的改进及　软件开发［Ｊ］．岩土工程学报，２００５，２６（８）：９３９—９４３．　［８］宋二祥．土钉支护及其有限元分析［Ｊ］．工程勘察，１９９６　（２）：１９—２３．　［９］朱彦鹏，王秀丽，于劲，等．有限元法在深基坑支护中的应　用［Ｊ］．甘肃工业大学学报，２００２，２８（３）：８６—８８．　［１０］Ｓｃｈｌｏｓｓｅｒ，Ｆ，Ｕｎｅｒｒｅｉｎｅｒ，Ｐ．Ｆｒｅｎｃｈ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｐｒｏｇｒａｍ　ｃｌｏｕｔｅｒｒｅ　ｏｎ　ｓｏｉｌ　ｎａｉｌｉｎｇ［Ｊ］．Ｇｅｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｓｐｅｃｉａｌ　Ｐｕｂｌｉ—　ｃａｔｉｏｎ，ＡＳＣＥ，１９９２，３０（２）：７３９—７４９．　［责任编辑：郝丽英］