第２２卷第３期 ２０１０年９月 甘肃科学学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｇａｎｓｕ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ ＶｏＬ ２２ Ｎｏ．３ Ｓｅｐ．２０１０ 基于ＡＤＩＮＡ的纯土钉支护弹塑性 三维有限元分析 谢 强 ，刘海阳 ’ 张丹丽。 （１．河南财经大学工程管理与房地产学院，河南郑州２．河南省郑州水利学校土木工程系，河南郑州４５０００２； ４５０００８） 摘要： 从特定的工程背景出发，通过建立有限元模型、数值计算和对比分析对基坑纯土钉支护结 构进行较为全面的分析与测试，拟进一步揭示基坑纯土钉支护全过程的内力与变形特征，试图为纯 土钉支护技术在国内更广泛的应用提供较为科学的依据．提出了设计建议及注意事项，并讨论了进 一步的研究工作． 文献标志码： Ａ 文章编号：１００４—０３６６（２０１０）０３—０１３９—０４ 关键词： 深基坑；复合土钉；弹塑性分析；有限元；ＡＤＩＮＡ 中图分类号：ＴＵ ３１１ ３－Ｄ Ｅｌａｓｔｉｃ—Ｐｌａｓｔｉｃ Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｓｏｉｌ－Ｎａｉｌｉｎｇ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＤＩＮＡ ＸＩＥ Ｑｉａｎｇ ，ＬＩＵ Ｈａｉ—ｙａｎｇ ，ＺＨＡＮＧ Ｄａｎ－ｌｉ （１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｐｒｏｊｅｃｔ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ａｎｄ Ｒｅａｌ Ｅｓｔａｔｅ，Ｈｅｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｅｃｏｎｏｍｉｃｓ ａｎｄ Ｌａｗ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ ４５０００２，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｗａｔｅｒ Ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ ４５０００８。Ｃｈｉａ） ｎＡｂｓｔｒａｃｔ： Ｓｔａｒｔｉｎｇ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ ｏｆ ａ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ａ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｔｅｓｔｉｎｇ ａｒｅ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｓｏｉｌ ｎａｉｌｉｎｇ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｂｙ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｉｎｇ ａ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ，ｂｙ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｓ ａｎｄ ａ ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ ａｎａｌｙｓｉｓ．Ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｆｏｒｃｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｉｎ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｅｘｃａｖａｔｉｎｇ ａｎｄ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ａｒｅ ｆｕｒｔｈｅｒ ｅｘｐｌｏｒｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｐｒｏｖｉｄｅ ａ ｂｅｔｔｅｒ ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｗｉｄｅｒ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｉｓ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｔ ｈｏｍｅ ａｎｄ ａｂｒｏａｄ．Ａｔ ｌａｓｔ，ｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｗａｒｎｉｎｇｓ ａｒｅ ｇｉｖｅｎ，ａｎｄ ｆｕｒｔｈｅｒ ｗｏｒｋ ｃｏｎｃｅｒｎｉｎｇ ｔｈｉｓ ｐｒｏｂｌｅｍ ｉｓ ａｌｓｏ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄｅｅｐ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ；ｓｏｉｌ ｎａｉｌｉｎｇ；ｅｌａｓｔｉｃ－ｐｌａｓｔｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ；ＡＤＩＮＡ 伴随着经济的高速发展，城市建设亦不断高速 发展．高层、超高层建筑项目日益增多，建筑规模越 来越大，尤其是近十年，高层、超高层建筑层出不穷． 由于建筑结构和使用功能上的要求，由此产生了大 量的深基坑工程，并逐渐向深度和广度二方面发展． 使用．这就需要采用可靠的围护结构和施工方法．深 基坑围护技术已成为高层建筑等工程建设中的难点 和热点，越来越受到工程界和学术界的重视 卜 ． １基坑纯土钉支护的基本理论 选用以Ｍｏｈｒ－Ｃｏｕｌｏｍｂ破坏准则（摩尔一库仑准 则）为基础的弹塑性模型．Ｍｏｈｒ－Ｃｏｕｌｏｍｂ条件可写 成下列形式 而多数基坑又位于人口稠密、建筑物密集、地下和地 上管线密集的城区，要求深基坑工程有很高的可靠 性，不仅要保证深基坑开挖及地下结构施工能安全、 顺利进行，而且要保证周围设施的稳定安全和正常 收稿日期：２０１０－０４—１６ 丢（ 一 。）一ｃｃ。ｓ ＋丢（ ＋ 。）ｓｉｎ ． （１） １４０ 甘肃科学学报 ２０１０年第３期 在三维情况下，Ｍｏｈｒ－Ｃｏｕｌｏｍｂ条件在７ｃ平面上 是一个不等角六边形，表达式为 号ｆ ｓｉｎ ＋ ｓｉｎ（ ＋詈）＋ 等ｃ．厅 ＼０ｓ（ 卧 ３）， ｓｉｎ ｃ０ －０ ２） 式中 为ｃｏｓ３０一√２Ｊ。／ｒ；定义，Ｉ 为应力张量第１ 不变量， ： 和Ｊ。为应力偏张量第３不变量， 为八 图２土钉侧面 面体剪应力． Ｍｏｈｒ－Ｃｏｕｌｏｍｂ屈服条件偏向于安全，因而在 工程中应用的比较多． ２有限元模型的建立 ２．１参考算例的描述 项目位于广州市广州大道与金穗路交界处，广 州大道东侧，金穗路南侧，占地面积８ ０６９．７５ ｍ。，拟 建建筑物地上２６～３０层，地下２层，基坑开挖周长 约３２０ １２１，开挖深度７ｒ．５４～８．１５ ｍ【６］． ２．２参考模型的计算参数 该实例采用的计算参数如下： （１）基坑开挖深８．１０ ｍ，坡面垂直； （２）在有限元分析中，土体全部采用Ｍｏｈｒ－ Ｃｏｕｌｏｍｂ模型，各参数见表１． 裹１基坑土体参数 ２．３有限元模型图形示例 基坑的总体模型及每一层土钉的布置见图１、 图２，模型为三维模型，便于更加真实地模拟土体开 挖的实际过程． 图１有限元模型 ３计算结果分析 ３．１基坑分步整体位移 １～６层每层开挖结束时基坑的整体位移场见 图３、图４． 基 一图４蚕坑第４～６层开挖整俸位移场 一 由图３、图４可见，随着开挖的进行，基坑位移 的影响范围不断扩大，坑后侧移和坑底隆起不断增 大．若考虑基坑的整体效应，靠近中心线（对称面）处 的侧移量明显大于基坑角点处的侧移量［７］． ３．２坑后土体的水平位移 坑后沿深度方向的Ｘ向水平位移见图５～图７． 图５和图６为坑后土体的水平位移云图，更加直观 地反映了坑后土体的位移情况． 图５基坑第１～３层开挖土体的水平位移 ｍ ５ Ｏ 第２２卷 谢强等：基于ＡＤＩＮＡ的纯土钉支护弹塑性三维有限元分析 １４１ 图６基坑第３～６层开挖土体的水平位移 乓 宝 × 簿 ＊ ０ ５ １Ｏ １５ ２Ｏ ２５ 距基坑边距离，ｍ 图７ 各开挖步坑后土体的水平位移（坑后地面土体） ・第ｌ步开挖 ａ第２步开挖 ・第３步开挖 ｔ第４步开挖・第ｓ步开挖。第６步开挖 随着逐步开挖的进行，水平位移不断增长，且各 步开挖后最大水平位移点总是发生在坡顶附近，最 终水平位移为１４．９ ｌｌｔｍ，与基坑深度的比值为 ０．１９ ，见图７．另外也可以看出，侧移曲线在坑底 处距坑底范围内出现了拐点，而此处正好是粉质粘 土层与砂岩层的交界处，随后在坑下无土钉加固处 侧移又短暂增大，到达坑底以下２１．９ Ｉｎ处为０． ３．３坑后土体的竖向位移 随着基坑土体的开挖，开挖面后土体会产生滑 动，从而产生竖直方向的位移．我们计算出的最大沉 降发生在开挖面附近．各开挖步开挖面后面层土体 沉降曲线见图８． 耋 藿叠 ０ ５ １０ １５ ２ｏ ２５ 距基坑边距离，ｍ 图８各开挖步坑后沉降 ・第１步开挖 第２步开挖 ・第３步开挖 第４步开挖 ・第５步开挖 。第６步开挖 由图８可以看出在前３步开挖时开挖面处土体 产生微量的隆起，随着距开挖面的距离的增加，隆起 量不断减小．在后２步开挖时，沉降量急剧增加，在 开挖结束时，最大沉降量为５ ｍｍ，随着距开挖面的 距离的增加，沉降量在不断减小，在距开挖面５５ ｍ 处，沉降量接近０，这说明基坑开挖对土体沉降的影 响范围为５５ ｍ，大约为开挖深度的６．８倍（另建模 型计算得知，这与２～４倍以外沉降量趋于０的结 论［日 有所不同，至于经验开挖影响范围值得商榷）． ３．４土钉轴力 以各排土钉头为坐标原点，以土钉长度方向为 轴正方向，土钉拉力为Ｙ轴正方向建立直角坐标系． 各排土钉的轴力随开挖深度的变化曲线见图９～ 图１１． １０ ８ 鱼６ ４ 暴 ｚ ０ ｌ＿０ ２．０ ３．０ ４．０ ５．０ ６．０ ７．０ ８．０ 土钉长度，ｍ 图９ 第１排土钉轴力变化 ・第２步开挖・第３±妍挖。第４±妍挖・第５ 陇・躺 ２０ ｌ５ 莹 娄１０ 暴 妄ｓ ０ ｌ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ １Ｏ １１ 土钉－Ｉ￣／ｍ 图１Ｏ第３排土钉轴力变化 ・第４步开挖 ・第５步开挖 ・第６步开挖 ３Ｏ ２５ ２０ × ｌ５ 誊１０ －Ｈ ５ ０ ０．５ １．０ １．５ ２．０ ２．５ ３．０ ３．５ ４．０ ４．５ ５．０ ５．５ ６．０ 土钉长度，ｎ１ 图１１ 第５排土钉轴力变化 ・第６步开挖 从中可以发现土钉的轴力有以下规律： （１）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，土体卸载引起的水平荷载逐渐 增长，通过钉一土之间的应力转移，土钉更多地参于 工作，分担大部分的水平荷载； （２）土钉轴力沿全长分布并不是均匀的，从第１ １４２ 甘肃科学学报 ２０１０年第３期 排到最后一排，轴力最大点逐渐从土钉后部转移到 前部，最大点连线近似于支护结构潜在的滑移面； （３）各层土钉轴力的大小不同，１、２排的轴力 较小，３、４、５排轴力较大，其中第５排轴力最大，而 最后一排轴力又小于中间各排．这些结果同前人所 得出的“纯土钉支护结构中，中间各排土钉轴力较 大，上下各排轴力较小”［妇的结论相一致．据此，我们 在土钉墙设计中，就可以有目的的在中间各排设置 直径较大的钢筋，而上下各排钢筋的直径可以稍小． 一增加了支护结构的延性． （４）土钉在土钉支护体系中起骨架作用．该作 用是由土钉本身的刚度和强度以及它在土体内的空 间分布所决定的，主要体现在适宜的土钉问距和土 质情况下，钉问土形成的土拱效应，约束钉问土的侧 向变形． 参考文献： ［１］赵志缗，应惠清．简明深基坑工程设计施工手册［Ｍ］．北京：中 国建筑工业出版社，２０００． 味的设置直径相同的钢筋，会造成浪费． ［２］周勇，朱彦鹏．框架预应力锚杆支挡结构的分部优化设计策略 ４ 结论 （１）基坑壁水平位移随基坑开挖深度的增加而 ［Ｊ］．甘肃科学学报，２００６，１８（３）：９７—１００． ［３］益德清．深基坑支护工程实例［Ｍ］．北京ｔ中国建筑工业出版 社，１９９６． 增大，纯土钉支护最大水平位移发生在基坑顶部；地 面沉降量随开挖深度的增加而增大，沉降最大点的 位置位于基坑坡顶附近，且随着开挖深度的增加，向 坑外移动． ［４］杨文侠，壬松泉，朱彦鹛．土钉支护技术在黄土地区深基坑支护 中的应用［Ｊ］．甘肃科学学报，２００３，ｌ５（４） ９３－９７。 ［５］戴自航，沈蒲生．莫尔～库仑等面积圆屈服准则的简化形式及 应用ＦＪ］．福州大学学报（自然科学舨）．２００３，３１（４）ｔ４５５－４５９． ［６］林希强，刘晓阳，蒋国盛，等．广州珠江新城Ｅｌ－１地块项目土钉 支护型式的变形性状分析［Ｊ］．探矿工程（岩土钻掘工程）。 ２００２，（增刊）：１８９—１９１． （２）土钉轴力随基坑开挖深度的增大而增大， 轴力沿土钉长度方向分布不均匀，普通土钉支护为 中间大，两端小，基本呈枣核形． Ｃ７］李恩平，周辉，李川．基坑水平位移与土钉拉力的现场滔试分析 ［Ｊ］．岩土工程技术，２００３，３１（４）：３０５・３１１． ［８］王光彬．深基坑土钉支护施工过程及地震荷载作用下的有限元 （３）土钉支护中，由于土钉有很高的抗拉、抗剪 和土体无法比拟的抗弯刚度，因变形协调，土钉中产 生应力集中，土钉起着分担外荷载和土体自质量的 作用，从而提高了支护结构的承载力，更为重要的是 分析［Ｄ］．兰州：兰州理工大学．２００６． ［９］固丽，李日润．不同地层条件下复合土钉墙轴力的研究［刀．煤 田地质与勘探，２００３．３１（５）Ｉ４３—４５． 作者简介： 谢强（１９７９一）男，河南省信阳人，２００７年毕业于兰州理工大学结构工程专业工学硕士．现任河南财经大学工程管 理与房地产学院教师．
