土钉支护工作性能的三维数值分析
土钉支护技术是暨支撑式支护、排式支护、连续墙支护、锚杆支护之后的又一种有效的支护技术，因其经济性、稳固性以及灵活性等方面的突出优点，在深基坑支护中有着广泛地应用。迄今为止，尽管不少学者对该项技术进行过大量的理论研究，也取得了许多极有价值的研究成果，并积累了丰富的工程实践经验，但仍存在一些亟待解决的问题，如土钉支护结构的变形、面层土压力与土钉密度、长度间的关系，最佳土钉间距的确定等。以往的数值分析，多将此类问题简化为平面应变问题，不能反映土钉支护在三维状态下的真实工作性状。
FLAC3D是三维显式有限差分程序，由美国ITASCA公司开发。FLAC3D程序可以模拟岩土或其他材料的三维力学行为，尤其在材料的弹塑性分析、大变形分析、以及模拟施工过程方面有其独到的优点。其内置的十种本构模型，足以模拟各种岩土材料的屈服、塑性流动、软化直至大变形，并且能够得到较为实用、准确的数值结果。FLAC3D所依据的算法是拉格朗日算法，非常适合于模拟大变形问题。本文的数值分析中采用FLAC3D程序中的Cable等单元模拟土钉。
本文主要结合工程实例，并辅以数值分析，详细研究了基坑土钉支护的变形和强度等工作性能。现将所做的工作介绍如下：
(1)首先在参阅大量文献资料的基础上对土钉支护的形成发展、研究现状以及理论成果作了较全面的论述。
(2)简述了土钉支护的工作机理、破坏模式以及设计方法，为下一步进行数值分析提供了理论基础。
(3)数值分析中，计算模型建立的合适与否、实测数据是否可靠直接关系着模拟结果的准确程度和可信程度。因此在建立模型初期，本文对各个参数进行了详尽的分析整理，参考了大量相关文献以获得理论支持。对似粘聚力、钉土界面粘结力等参数的选取作了较为详细的分析。
(4)利用FLAC3D程序模拟工程的逐步开挖支护过程，计算得到每步开挖与支护的水平位移、垂直位移与土钉拉力的数值，并对其进行分析。研究结果表明：最大水平位移发生在基坑坡顶，最大垂直位移发生在开挖面靠近坡顶处；下层土体的开挖对上层临空面有较大影响，临空面上的水平位移与垂直位移会同时发生突变；每一步开挖造成的水平位移与垂直位移的变化大致相同；背离开挖面的距离达到开挖深度的两倍时，基坑的水平位移与垂直位移基本减至接近于零。
(5)各步开挖中土钉拉力的变化基本一致，支护面中部土钉拉力较大，上下部位的土钉拉力较小；每一步开挖时，其上一排的土钉拉力增幅最大，而后会逐渐趋于稳定；当基坑开挖、支护到临界直立高度以下时，如遇软弱夹层，分布开挖过程中应及时设置土钉，否则会因基坑暴露时间过长导致坑壁位移随时间而增大，使基坑存有可能失稳的隐患；各排土钉最大拉力的连线与潜在最危险滑移面相近。
深基坑;土钉支护;三维数值分析
河北农业大学
硕士
结构工程
王士杰
2006
中文
TU311;TB115
71
2007-05-23（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）