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土钉支护结构的极限分析法及大变形固结有限元分析

梁仕华  
【摘要】:近年来土钉支护结构得到了广泛的应用,不仅在北方等土层性质较好的地区,在沿海等软土地区也得到了越来越多的应用,但相关的理论研究目前均落后于工程实践。例如,对于土钉支护结构的有限元分析,无论作为平面问题还是局部或整体三维问题,均是在小变形的假定下进行且没有考虑土体的固结作用,而实际的土钉支护结构,特别是在饱和软土地区时,其变形往往较大,且由于基坑开挖及地下结构的施工有一个过程,因此,土体固结、渗流作用难免会对土钉支护结构的受力及变形有所影响,理应加以考虑,而在这方面的研究对于土钉支护结构而言目前尚属空白。 本文鉴于软土地区深基坑工程土钉支护结构的研究及设计现状,在前人研究的基础上,主要完成了以下几个方面的工作: 1.依据功率平衡原理,从能量角度出发,对土钉支护结构的受力机理进行了极限分析。给出了整体支护情况下,考虑土钉抗拉、抗剪作用时,竖直边坡的土钉支护结构的极限开挖深度H_μ以及似粘聚力△C公式;推导了考虑土钉抗拉作用、坡面倾斜及坡顶有附加荷载作用时,土钉支护结构每一步的极限开挖深度H_μ~i,得到了每步开挖下的似粘聚力△C_i公式及每步的安全系数K_i,以及每步的开挖深度△h_i;分析了整体支护结束极限情况下和逐步开挖情况下土钉支护结构主要设计参数对极限开挖深度H_u、安全系数k、每步的开挖深度△h_i、似粘聚力△C的影响规律。 2.推导了饱和土体三维大变形固结问题U.L.法描述下的有限元格式以及空间土钉单元分别在T.L.法描述和U.L.法描述下的有限元格式,进一步完善了岩土工程大变形有限元分析理论。 3.在大变形有限元理论的基础上,利用ABAQUS通用有限元分析软件,对土钉支护结构进行了考虑固结、渗流与变形耦合作用的大变形有限元分析,研究了大变形情况下,考虑固结、渗流及变形耦合作用时,土钉支护结构面层处的水平位移、坑后土体的侧向位移、地表沉降、坑内土体隆起、土钉内力、孔压等随开挖过程的变化规律;探讨了土钉支护基坑工程中的时间效应及渗流影响;分析了土钉长度、土钉竖向间距、土层性质、渗透系数等参数对土钉支扩结构性状的影响,并同小变形假定下的分析结果进行了比较。 4.对一实际土钉支护工程进行了有限元分析,并与实测水平位移进行了比较,进一步验证了大变形固结耦合分析的合理性。


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