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土釘支護是近年來基坑工程中廣泛應用的一種用于土體開挖和邊坡穩(wěn)定的擋土技術，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構，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。土釘支護結構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，很多土釘支護結構僅憑經(jīng)驗設計，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構進行理論分析較為流行的一種方法，不僅能分析支護結構的變形及受力，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構為例，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構工作性能的影響。
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)境和土質情況，結合以往的施工經(jīng)驗，垂直開挖并采取了土釘支護方案，設置了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行為極為復雜，采用Mohr-coulomb屈服準則描述其受荷后由彈性狀態(tài)向塑性狀態(tài)轉變時的材料特性，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、質量為零；“出生”即支護，剛度、質量荷載等將恢復其原始的數(shù)值�；邮┕すこ滩扇》植介_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構受力和變形的影響，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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