土釘墻在深基坑工程中的應用分析

賀永俊 卜飛

(1.山西省勘察設計研究院,山西太原 030013;2.太原理工大學,山西太原 030013)

土釘墻在深基坑工程中的應用分析

賀永俊1卜飛2

(1.山西省勘察設計研究院,山西太原 030013;2.太原理工大學,山西太原 030013)

隨著城市建設的日益加快及城市建筑密集程度的加大，深基坑支護面臨著巨大的挑戰，一系列的問題正在探索中，如支護結構在安全的前提下是否經濟合理，對周邊建筑的影響是否減小到最小。本文就太原市的某深基坑中的局部采用土釘墻進行分析與檢測，并采用FLAC3D進行數值模擬對土釘墻在深基坑中的使用安全度進行分析評價。由分析及實測結果得出：在土體參數較好的情況下，12米深的基坑從經濟的角度考慮，采用土釘墻支護是相對合理安全的。

土釘墻 深基坑 位移 沉降

土釘支護技術與傳統的支護技術相比，具有工期短、造價低、施工簡便等特點，因而在工程中得到了廣泛的應用。根據《建筑基坑支護技術規程》(JGJ120-2012)土釘墻的適用范圍一般是基坑側壁安全等級為二、三級的排軟土場地，且基坑深度不宜大于12米。且由于單純的土釘支護不能控制支護結構的變形以及周圍構筑物的沉降，因此，在實際工程中往往采用預應力錨桿、微型樁等支護技術(簡稱“復合土釘支護”)控制支護結構的變形。本文對水泥土墻與土釘墻結合的基坑支護方案的模擬效果進行了有關的模擬與分析[4]。

1 基坑支護的原理

基坑的變形或應力應變狀態是支護結構與土體的共同作用的問題，隨著基坑開挖的逐步進行，支護結構與土體的相互作用是一個漸變的過程。在深基坑的土釘墻支護結構設計中，要保持邊坡的穩定，土釘的長度至少要穿過最危險滑動面[5]。否則，土釘支護起不到加固的作用。而最危險滑動面的位置會隨著土釘長度有一個動態變化過程。因此需要根據土釘的長度變化來搜索最危險滑動面，固定的土釘長度，搜索出的最危險滑動面安全系數稍大于規定值，土釘長度達到優化效果[8]。計算中把最危險滑動面靠近開挖面一側土釘墻部分叫做被動區，最危險滑動面另一側叫做主動區，土釘墻被動區段土體對土釘的側阻力指向開挖面，主動區段土體對土釘的側阻力遠離開挖面[9](如圖1)。

圖1 土釘支護及受力簡圖

圖2 基坑北側的監測點布置圖

2 工程概況

擬建建筑含有地下車庫工程，建筑場地位于太原市并州路與并州東街交匯處東南角，場地原為一廠房，建筑總面積約10萬m2。

2.1 場地工程地質條件

場地地貌單元屬汾河東岸Ⅱ級階地與東山山前洪積扇前緣交界地帶(如表1)。

2.2 地下水

勘察期間為豐水期，實測地下穩定水位位于自然地表下13.40～14.50m間,相應高程785.02～785.21m，地下水類型為潛水，水位隨季節性變化，變化幅度在1.00m左右，水流流向由東向西，受大氣降水及側向逕流補給。

2.3 基坑支護結構

根據現有的監測資料對北邊的基坑側壁的沉降數據進行整理得出：如圖2為基坑北側的監測點的布置。

根據相關的監測數據的處基坑側壁的沉降圖如圖3。

由圖3可以看出基坑的側壁的土體的沉降除了受本身的支護結構的影響之外，還隨著距基坑邊角的距離越遠，相應的沉降增大，這是由于基坑的邊角效應所致。所以在本次模擬的建模是采用基坑側壁中心的最危險截面截取了寬度為1.2米的寬度建立了單元體模型。

圖3 基坑側壁的沉降規律

表1 基坑范圍內土層的相關參數

圖4 基坑支護的剖面圖

圖5 基坑土層的分層示意圖

將上述截面作為基坑支護的一個典型剖面作為分析。此剖面的基坑深度為12m，采用土釘墻支護及水泥土墻支護相互結合的支護方式，支護剖面如圖4，上部9m按1:0.6進行放坡，豎向方向每隔1.5m設置一道土釘，長度從上往下依次為9m、9m、9m、15m、9m、15m。在9m深的地方設置3m寬的平臺，然后進行水泥土攪拌樁的施工，水泥土攪拌樁長8m,然后是下部的3m開挖，每隔1.2m設置一排土釘，土釘的長度為9m。其中土釘均采用的是直徑22mm的二級鋼筋，預應力錨索則采用了3根7束的直徑15.2mm的1860級鋼絞線。土釘在施工過程中一定要嚴格按照分步分層進行施工。

3 FLAC3D的建模過程

3.1 FLAC3D簡介

FLAC3D軟件是由美國ITASCA國際咨詢與軟件開發公司在FLAC基礎上開發的三維數值分析軟件，可用于模擬三維土體、巖體或其他材料體力學特性，尤其是達到屈服極限的塑性流變特性，是一種強大的巖土分析軟件[2]。FLAC3D包括11中材料本構模型及5種計算模式，模型有空單元模型、三種彈性模型(各向同性、正交各向異性和橫向各向同性)、七種塑性模型(摩爾-庫侖模型、應變硬化/軟化模型、Drucker-Prager模型、多節理模型、雙線應變硬化/軟化多節理模型、D-Y模型、修正的劍橋模型)。計算模式有靜力模式、動力模式、蠕變模式、滲流模式、溫度模式[2]。計算模擬時根據情況選擇適合、合理的模型及合理的計算模式，以使得模擬結果與實際盡可能相符合。

3.2 建模過程

文中以上述的太原市某基坑為原模型進行了模擬，模擬中建模采用的是FLAC3D中的內置網格，土體的本構模型采用摩爾-庫侖模型[1]，按照實際基坑的開挖順序進行建模，其中土釘的模擬采用了FLAC3D的內置模擬單元——錨索單元[2]。另水泥土攪拌樁采用了實體單元進行模擬，對水泥土攪拌樁范圍內的實體單元設置與實際工程中相近的參數進行模擬，土體的相關參數參考勘察報告及有關經驗取值，如表1。土釘所采用的相關參數如表2。根據上述表格賦予相應的土體參數，并根據設計當中的土釘、錨索的長度及位置設置相應的錨索單元。因地下水位處于地表以下13.40～14.50m的位置，而基坑深度為12m，因此在建模過程中未考慮地下水的影響，采用的是FLAC3D中的常規計算模式。為使模型的底部為更接近實際，進行了X、Y、Z三個方向的約束，而側向只約束X、Y兩個方向。上部只進行了Y方向的約束[3]。相關的參數設置如表2。從而得出相應的土體模型如圖5。

圖6 土釘墻計算土體變形圖

表2 土釘的參數

4 土釘墻的計算分析

根據上述支護方案采用flac3d軟件對本基坑進行模擬，得出土體的變形結果如圖6。

從圖6可以看出基坑周邊的最大沉降在2cm～4.0cm左右，與實際當中的監測結果(表2)相近，可見，從數值模擬和監測角度都得出土釘墻支護對于12m深的基坑在一定程度上是適用的。

5 結論與展望

5.1 結論

根據上述分析及比較可以得出，在土層參數較好的情況下，可以考慮采用土釘墻進行深基坑的支護，如果基坑的邊長比較長時，支護時應考慮基坑時空效應，在基坑邊的中心處應適當的加強支護。

5.2 展望

文章在計算時只考慮了土體的變形，沒有充分考慮土釘的受力過程，土釘的長度是否可以進行優化，受力是否可以更加合理。可以將計算結果與相應的檢測結果進行對比分析。

[1]孫書偉,林杭,任連偉.FLAC3D在巖土工程中的應用[M].中國水利水電出版社,2011.

[2]彭文斌.FLAC3D實用教程[M].機械工業出版社,2008.

[3]陳育民,徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎與工程實例[M].中國水利水電出版社,2009.

[4] 《建筑基坑支護技術規程》JGJ120-99,中華人民共和國建設部,1999.

[5]錢家歡,殷宗澤.土工原理與計算(第二版)[M].南京:中國水利水電出版社,1996.

[6]李愛民.深基坑土釘墻支護結構設計的優化研究[D].武漢科技大學,2006.

[7]吳忠誠,湯連生.深基坑復合土釘墻支護FLAC-3D模擬及大型現場原位測試研究[J].巖土工程學報,2006,S1:1460-1465.

[8]董誠,鄭穎人.深基坑土釘和預應力錨桿復合支護方式的探討[J].巖土力學,2009,12:3793-3796+3802.

[9]魏煥衛,韓學民.變形協調情況下土釘墻內力和位移的計算方法[J].巖石力學與工程學報,2013,01(增1)7:2758-2763.

賀永俊,山西省勘察設計研究院,副總工程師,高級工程師。