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土钉抗拔承载力或土钉极限侧摩阻力是进行土钉长度设计时的重要参数,它受上覆压力、注浆压力、土体饱和度等多种因素的共同影响,目前关于各因素对土钉抗拔承载力的影响缺乏细致全面的理论揭示,有限元模拟是计算土钉抗拔承载力和揭示土钉抗拔承载力影响因素的有效手段,然而当前国内外关于土钉拉拔有限元模拟的研究尚相对缺乏;土体剪胀性能够显著提升土钉抗拔承载力,过往土钉抗拔承载力计算方法存在一定不足,它们或忽略土体剪胀性对土钉抗拔承载力的影响或在考虑土体剪胀性时忽略土体塑性变形等诸多问题。为此本文初步探究了适用于非剪胀土体的土钉拉拔有限元模拟方式,探索了柱形孔扩张方法计算剪胀性土体中土钉抗拔承载力的适用性,最后通过一个设计案例为土钉抗拔承载力计算方法的应用提供了经验。
土钉拉拔有限元模拟:通过在钉-土间建立与周围土体具有相同本构关系的薄层实体单元模拟钉-土接触,使用ABAQUS有限元模型有效模拟了非剪胀性土体中土钉拉拔过程,得到了与室内拉拔结果一致的土钉极限侧摩阻力;通过有限元模拟充分说明了水平向应力对土钉抗拔承载力的贡献,并验证了半经验公式在计算非剪胀土体中土钉抗拔承载力的合理性;探索了将土钉模拟为刚体与模拟为可变性实体时土钉拉拔模拟结果的差异性,结果表明对于工程常用的注浆土钉,由于刚度远大于周围土体,在土钉拉拔模拟过程中将其简化为刚体模拟得到的拉拔曲线与将其视作可变形实体模拟得到的拉拔曲线基本相同;通过对土钉拉拔过程周围土体的应力分析,发现土钉的上、下方表面相对于左、右两侧表面贡献的侧摩阻力起主导作用,但左、右两侧土体先于上、下两侧土体达到屈服条件。
根据钉-土界面粗糙度的不同,本文提出了土钉拉拔破坏模式的判定准则,并针对不同的破坏模式探索了使用柱形孔扩张方法计算土钉抗拔承载力的公式。通过案例验证,发现使用柱形孔扩张弹塑性边界处径向应力估算的土钉极限侧摩阻力与实际结果较为接近,而使用柱形孔壁极限压力则会过大估算土钉极限侧摩阻力。
在使用土钉抗拔承载力计算方法进行土钉长度设计时,通过设计案例表明,充分考虑土体剪胀效应后计算的土钉有效锚固长度更具经济性;此外,对土钉支护对象的稳定性验算表明采用单个楔形体破坏形式初步设计的土钉全长可能无法满足整体稳定性要求,采用圆弧滑裂面设计土钉全长更加合理。
土钉拉拔有限元模拟:通过在钉-土间建立与周围土体具有相同本构关系的薄层实体单元模拟钉-土接触,使用ABAQUS有限元模型有效模拟了非剪胀性土体中土钉拉拔过程,得到了与室内拉拔结果一致的土钉极限侧摩阻力;通过有限元模拟充分说明了水平向应力对土钉抗拔承载力的贡献,并验证了半经验公式在计算非剪胀土体中土钉抗拔承载力的合理性;探索了将土钉模拟为刚体与模拟为可变性实体时土钉拉拔模拟结果的差异性,结果表明对于工程常用的注浆土钉,由于刚度远大于周围土体,在土钉拉拔模拟过程中将其简化为刚体模拟得到的拉拔曲线与将其视作可变形实体模拟得到的拉拔曲线基本相同;通过对土钉拉拔过程周围土体的应力分析,发现土钉的上、下方表面相对于左、右两侧表面贡献的侧摩阻力起主导作用,但左、右两侧土体先于上、下两侧土体达到屈服条件。
根据钉-土界面粗糙度的不同,本文提出了土钉拉拔破坏模式的判定准则,并针对不同的破坏模式探索了使用柱形孔扩张方法计算土钉抗拔承载力的公式。通过案例验证,发现使用柱形孔扩张弹塑性边界处径向应力估算的土钉极限侧摩阻力与实际结果较为接近,而使用柱形孔壁极限压力则会过大估算土钉极限侧摩阻力。
在使用土钉抗拔承载力计算方法进行土钉长度设计时,通过设计案例表明,充分考虑土体剪胀效应后计算的土钉有效锚固长度更具经济性;此外,对土钉支护对象的稳定性验算表明采用单个楔形体破坏形式初步设计的土钉全长可能无法满足整体稳定性要求,采用圆弧滑裂面设计土钉全长更加合理。