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土钉支护是近年来基坑工程中广泛应用的一种用于土体开挖和边坡稳定的挡土技术，由被加固土体、深入土体的钢管或钢筋(土钉)、钢筋混凝土面层组成，形成一个类似重力式挡墙的结构，以此来抵抗开挖面后土体的压力和地面超载等，从而保持开挖面的稳定。其工作机理是在土体中放入一定长度和密度的土钉，这种加筋土较原状土的强度和刚度大大提高，从而显著提高开挖面的稳定。土钉支护结构的施工过程包括定位、成孔、置筋、注浆等工序。
虽然土钉支护具有安全可靠、施工便捷、成本较低等优点，在岩土工程界深受青睐。但目前对其理论研究远滞后于工程实践，很多土钉支护结构仅凭经验设计，工程事故时有发生，尤其在坑后地表存在地面超载的情况下，开挖面水平位移显著增大，更容易发生强度和稳定破坏。因此，研究在地面超载作用下土钉墙的受力和变形机理很有必要。有限元分析法是对土钉支护结构进行理论分析较为流行的一种方法，不仅能分析支护结构的变形及受力，也能模拟基坑开挖、支护的施工过程。本文以某深基坑土钉支护结构为例，运用非线性有限元软件ADINA模拟了基坑开挖与支护的施工过程，分析了地面超载对土钉支护结构工作性能的影响。
某高层建筑深基坑，东西长约60m，南北宽约30m，开挖深度9m。从上到下基坑各层土体参数见表，根据基坑周边的环境和土质情况，结合以往的施工经验，垂直开挖并采取了土钉支护方案，设置了6排土钉，土钉倾角均为10°，采用梅花形布置，竖向间距1.5m，水平间距1.3m，钢筋直径均为22mm，第一排距坑顶0.8m，最后一排距坑底0.7m，其中第一、二、三排的钉长为16m，第四、五排的钉长为12m，第六排的钉长为9m。在坑壁钻直径为120mm的孔，钢筋网采用10@250×250的钢筋，土钉之间采用14@1200×1200的加强钢筋纵横双向焊接，土钉端头采用钢板螺母加固，最后喷射100mm厚的混凝土面层。
基于基坑的对称性，有限元分析时取整个基坑的1/4，根据文献的结论并考虑以往的工程经验，基坑开挖对宽度的影响为3～4.5倍的挖深，对深度的影响为2～4倍的挖深，最终的整体三维有限元模型尺寸取70m×55m×36m，如图所示。
在模型中，土体选用3D-solid8节点实体单元，被土钉加固的土体的力学行为极为复杂，采用Mohr-coulomb屈服准则描述其受荷后由弹性状态向塑性状态转变时的材料特性，其表达式为：σ1-σ32=σ1+σ32sinφ-c·cosφ，其中：σ1，σ3分别为最大和最小主应力；c、φ分别为土体的黏聚力和内摩擦角；土钉采用杆单元(rebar单元)，按弹性材料考虑，其弹性模量按混凝土和钢筋的截面积进行加权计算，同时考虑钉、土间的极限摩阻力进行修正；钢筋混凝土面层按弹性材料考虑，3D-solid8节点实体单元。
施工过程的模拟是利用了ADINA中的单元“生死”功能，“杀死”即把土体开挖掉，刚度、质量为零；“出生”即支护，刚度、质量荷载等将恢复其原始的数值。基坑施工工程采取分步开挖和支护，共分6步，每步挖深均为1.5m。为了使有限元分析结果能反映真实的施工情况，模拟的开挖和支护步数、每步的挖深均与实际施工过程相同。
为了研究坑后地面超载对土钉支护结构受力和变形的影响，从开挖面到坑后20m的范围内施加水平均布荷载q，分别取q=0、15、30kPa时分析其对开挖面水平位移、坑后地面沉降、坑底隆起以及各排土钉轴力的影响。
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