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土釘支護是近年來基坑工程中廣泛應(yīng)用的一種用于土體開挖和邊坡穩(wěn)定的擋土技術(shù)，由被加固土體、深入土體的鋼管或鋼筋(土釘)、鋼筋混凝土面層組成，形成一個類似重力式擋墻的結(jié)構(gòu)，以此來抵抗開挖面后土體的壓力和地面超載等，從而保持開挖面的穩(wěn)定。其工作機理是在土體中放入一定長度和密度的土釘，這種加筋土較原狀土的強度和剛度大大提高，從而顯著提高開挖面的穩(wěn)定。土釘支護結(jié)構(gòu)的施工過程包括定位、成孔、置筋、注漿等工序。
雖然土釘支護具有安全可靠、施工便捷、成本較低等優(yōu)點，在巖土工程界深受青睞。但目前對其理論研究遠滯后于工程實踐，很多土釘支護結(jié)構(gòu)僅憑經(jīng)驗設(shè)計，工程事故時有發(fā)生，尤其在坑后地表存在地面超載的情況下，開挖面水平位移顯著增大，更容易發(fā)生強度和穩(wěn)定破壞。因此，研究在地面超載作用下土釘墻的受力和變形機理很有必要。有限元分析法是對土釘支護結(jié)構(gòu)進行理論分析較為流行的一種方法，不僅能分析支護結(jié)構(gòu)的變形及受力，也能模擬基坑開挖、支護的施工過程。本文以某深基坑土釘支護結(jié)構(gòu)為例，運用非線性有限元軟件ADINA模擬了基坑開挖與支護的施工過程，分析了地面超載對土釘支護結(jié)構(gòu)工作性能的影響。
某高層建筑深基坑，東西長約60m，南北寬約30m，開挖深度9m。從上到下基坑各層土體參數(shù)見表，根據(jù)基坑周邊的環(huán)境和土質(zhì)情況，結(jié)合以往的施工經(jīng)驗，垂直開挖并采取了土釘支護方案，設(shè)置了6排土釘，土釘傾角均為10°，采用梅花形布置，豎向間距1.5m，水平間距1.3m，鋼筋直徑均為22mm，第一排距坑頂0.8m，最后一排距坑底0.7m，其中第一、二、三排的釘長為16m，第四、五排的釘長為12m，第六排的釘長為9m。在坑壁鉆直徑為120mm的孔，鋼筋網(wǎng)采用10@250×250的鋼筋，土釘之間采用14@1200×1200的加強鋼筋縱橫雙向焊接，土釘端頭采用鋼板螺母加固，最后噴射100mm厚的混凝土面層。
基于基坑的對稱性，有限元分析時取整個基坑的1/4，根據(jù)文獻的結(jié)論并考慮以往的工程經(jīng)驗，基坑開挖對寬度的影響為3～4.5倍的挖深，對深度的影響為2～4倍的挖深，最終的整體三維有限元模型尺寸取70m×55m×36m，如圖所示。
在模型中，土體選用3D-solid8節(jié)點實體單元，被土釘加固的土體的力學(xué)行為極為復(fù)雜，采用Mohr-coulomb屈服準(zhǔn)則描述其受荷后由彈性狀態(tài)向塑性狀態(tài)轉(zhuǎn)變時的材料特性，其表達式為：σ1-σ32=σ1+σ32sinφ-c·cosφ，其中：σ1，σ3分別為最大和最小主應(yīng)力；c、φ分別為土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角；土釘采用桿單元(rebar單元)，按彈性材料考慮，其彈性模量按混凝土和鋼筋的截面積進行加權(quán)計算，同時考慮釘、土間的極限摩阻力進行修正；鋼筋混凝土面層按彈性材料考慮，3D-solid8節(jié)點實體單元。
施工過程的模擬是利用了ADINA中的單元“生死”功能，“殺死”即把土體開挖掉，剛度、質(zhì)量為零；“出生”即支護，剛度、質(zhì)量荷載等將恢復(fù)其原始的數(shù)值。基坑施工工程采取分步開挖和支護，共分6步，每步挖深均為1.5m。為了使有限元分析結(jié)果能反映真實的施工情況，模擬的開挖和支護步數(shù)、每步的挖深均與實際施工過程相同。
為了研究坑后地面超載對土釘支護結(jié)構(gòu)受力和變形的影響，從開挖面到坑后20m的范圍內(nèi)施加水平均布荷載q，分別取q=0、15、30kPa時分析其對開挖面水平位移、坑后地面沉降、坑底隆起以及各排土釘軸力的影響。
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