數值模擬在復合土釘支護工程中的應用★

謝文東 葛燕鋒

(北方工業大學土木工程學院，北京 100144)

數值模擬在復合土釘支護工程中的應用★

謝文東 葛燕鋒

(北方工業大學土木工程學院，北京 100144)

以北京某土釘與錨桿復合支護的基坑工程為例，采用FLAC3D軟件進行數值模擬，并以模擬結果來指導復合土釘支護的設計與施工，為以后數值模擬在實際工程中的應用提供借鑒作用。

復合土釘支護，預應力錨桿，FLAC3D，數值模擬

0 引言

復合土釘支護是我國20世紀90年代在土釘支護基礎上發展起來的一種新的支護方法。復合土釘支護具有適應性強、安全可靠、造價低、工期短等特點，使得其在深基坑工程中得到廣泛應用。深基坑工程是一個高難度的巖土工程技術課題，其影響因素較多，具有復雜性和不確定性。正因為如此，出現了復合土釘支護的應用實踐先于理論的現象。圍繞復合土釘支護的大量工程問題，我國技術和科研人員開展了許多卓有成效的研究工作。但是仍然存在理論不成熟，工程技術人員主要以經驗以及軟件進行基坑的設計與施工，軟件的方便快捷設計使得設計人員過度依賴于設計軟件，缺乏扎實的理論知識，不能夠對設計結果進行有效的分析以及優化設計，導致設計考慮不周引起的基坑事故時有發生。

我國地質條件復雜，復合土釘支護形式多樣且應用廣泛，室內外試驗條件的代表性和試驗周期等因素限制了其在工程中的應用。然而數值分析法在我國技術人員的努力下，使其在研究復合土釘支護方面取得了很多有價值的成果。雖然數值模擬只能做到定性分析，很難做到準確的定量分析，但是數值分析結果可以作為設計時重要的判斷依據之一。

為此，本文以北京某基坑工程為例，利用FLAC3D軟件進行數值模擬，通過模擬結果指導設計與施工，為數值分析法在實際工程中的應用提供參考。

1 工程概況

本工程為北京某建設項目，擬建建筑物為A1號～A5號樓及地下車庫，本基坑支護設計范圍為A區地下車庫，A區地下車庫范圍內含A4號和A5號樓，地下2層，基底埋深與地下車庫一致，地下車庫無地上結構，A4號樓地面以上26層，A5號樓地面以上3層，A區地下車庫基坑絕對開挖深度為11.60 m。土層物理力學參數如表1所示。

表1 土層物理力學參數

根據工程地質條件及場地周邊環境條件，依據規范判定本工程基坑側壁安全等級為二級。基坑采用復合土釘墻支護形式，1∶0.3放坡，2道預應力錨桿，6道土釘，土釘水平間距1.5 m，豎向間距1.3 m～1.4 m，土釘長度5.7m，6.7m，8.7m，土釘鋼筋采用HRB335鋼筋，直徑20 mm。預應力錨桿水平間距1.5 m，距離地面分別為2.8 m和5.6 m。錨桿總長度均為15 m，錨固段長10 m，采用1根7φ5，1860級鋼絞線，施加預應力120 kN。每次開挖深度為1.7 m，1.4 m，1.6 m，1.4 m，1.4 m，1.4 m，1.4 m，1.0 m，0.3 m。

基坑支護剖面如圖1所示。

圖1 基坑支護剖面

2 數值分析模型建立

本文采用FLAC3D軟件建立三維模型模擬實際工程，并對模擬結果進行分析。建立的模型尺寸為35 m×3 m×21 m，從上到下分為9個土層(見表1)，土體采用理想彈塑性模型，即Mohr-Coulomb本構模型。模型的左右及前后邊界分別固定法向位移，下部邊界固定x，y，z方向位移，上部為自由邊界。上部距離基坑邊壁2 m設置6 m長的20 kPa均布荷載。土釘及錨桿采用軟件中的Cable單元來模擬，考慮水平間距的影響，每排設置2根土釘或錨桿，左右間距0.75 m，中間間距1.5 m。混凝土面層在支護結構中并不是主要受力構件，對位移約束作用也有限，因此，本文數值模擬中不考慮面層的約束作用。

計算模型如圖2所示。

圖2 計算模型

3 模擬結果與分析

1)該支護結構中，土釘與錨桿所受軸力皆為拉應力，土釘軸力出現中間大兩頭小的現象，第1，2排土釘由于預應力錨桿的作用導致軸力較小，中下排土釘軸力相對于較大。第4排土釘所受軸力最大，達到66.92 kN。錨桿最大軸力出現在自由端，且在自由段相同，并在錨固段逐漸減小。第2排錨桿軸力最大，達到94.05 kN。如圖3所示。根據理論研究可知，土釘與錨桿軸力最大點的連線即為基坑內部土體的潛在失穩破壞面，連接圖3中最大軸力點，我們可以發現一個圓弧形線條，一般便認為該弧線所在平面為潛在滑移面。確認滑移面后，可以合理設計土釘長度，長度應超過滑移面，并在滑移面所在地面位置設置重點監測點，觀察地面是否出現土體裂縫。

2)如圖4所示，最大位移出現在基坑中下部位，開挖深度8 m左右，最大變形位移達到32.65 mm，而坡頂變形最小，為7.25 mm。因此，該基坑不會出現傾倒式破壞，潛在破壞形式應該為圓弧滑移式破壞。在設計與施工中，應加強中下部位的防護，做好開挖前的土體變形預防措施，防止出現局部破壞。

坡頂水平位移模擬值如圖5所示，實際施工監測值如圖6所示。由兩圖比較可知，實際工程中，變形會出現較大波動，而模擬結果波動較小，但是最終變形值較為相似，均為7 mm左右，有較高的參考價值。實際施工中，影響因素較多，如降水、降雨天氣及施工技術等因素都會影響變形。因此，如圖6所示，位移出現幾次較大波動，經過施工中采取有效措施，控制變形在較小范圍，約為-7 mm～5 mm。而數值模擬采用的是理想化模型分析，無法準確預測變形，但是總結大量文獻數據可知，如果取模擬值與報警值之間的一定數值可以更好的作為變形預警值，利于更早地發現可能的潛在危險，如本例中可取坡頂水平位移預警值為20 mm。

圖3 土釘與錨桿軸力分布

圖4 基坑邊坡水平位移

圖5 數值模擬的坡頂水平位移

圖6 實際監測的坡頂水平位移

3)另外，通過改變支護構件設計參數進行數值模擬，可以通過比較分析不同參數下對基坑變形的影響，從而優化設計結果。如表2所示，改變放坡坡比，通過數值模擬，我們可以發現坡比越小，坡頂水平位移越小，但是當坡比達到1∶0.3與1∶0.4時變形值減少幅度已經很小了，再綜合考慮造價因素，選擇1∶0.3的坡比是較合適的。

由表3可知，相對于放坡因素，錨桿施加預應力的大小對于坡頂水平位移的影響小很多，但是對于限制土體變形還是有很大作用，具體施加多大預應力應綜合考慮土質、造價等因素具體選擇。

4)除了以上所展示結果外，通過FLAC3D軟件進行的數值模擬，還可以查看每步開挖及支護后的土體變形云圖、應力云圖、支護構件受力圖等，這些可以供施工過程中進行參考。由于篇幅有限，構件設計參數對于土體變形的比較分析也只是舉出兩個例子，其他參數也可通過相同方法進行比較分析，以達到優化設計的目的。

表2 不同坡比下坡頂水平位移

表3 不同錨桿預應力下坡頂水平位移

4 結語

基坑支護工程作為巖土工程的一個重要領域，由于其自身的特殊性，在未來很長一段時間仍會是理論落后于實踐的現象，科研人員對支護結構作用機理的研究任重而道遠。數值分析法作為一種重要的分析問題的方法，不應只應用于學術研究中，而是應該將數值模擬結果作為巖土工程設計中的重要綜合判斷依據。

本文通過工程實例，對土釘與錨桿復合支護進行了數值模擬，研究表明:

1)通過數值模擬得到的土釘與錨桿軸力，可以清晰展示出支護構件受力情況，并大致顯示出潛在失穩破壞面，為土釘與錨桿的長度設計提供參考，還可在施工中設置重點監測土體裂縫可能出現的位置。

2)通過對基坑變形模擬分析，可以對基坑各部位變形情況有大致了解，并找到最大變形部位，提前做好減少變形措施，以及安排變形監測點;還可提供一個更加可靠的變形預警值，以便更早發現潛在危險，迅速采取應急措施。

3)通過對土釘與錨桿設計參數的比較分析，可以優化設計方案，使其滿足變形要求，支護構件受力更合理。

4)數值分析法在一定程度上，可以很好地指導設計與施工，但是想要在實際工程中得到普遍推廣還是存在一些阻礙。例如技術人員水平不一，無法快速掌握理論分析法，對基坑安全認識不足，過度信任工程經驗等。另外，數值模擬軟件也存在一些不足，無法充分分析各種因素，分析結果的可靠度還需要更多實際工程的檢驗。

［1］ 曾憲明，鄭志輝，戴瑞琪，等.復合土釘支護設計與施工［M］.北京:中國建筑工業出版社，2009.

［2］ 秦四清，王建黨，王 清，等.土釘支護機理與優化設計［M］.北京:地質出版社，1999.

［3］ 孫書偉，林 杭，任連偉.FLAC3D在巖土工程中的應用［M］.北京:中國水利水電出版社，2011.

［4］ GB 50739—2011，復合土釘墻基坑支護技術規范［S］.

［5］ JGJ 120—2012，建筑基坑支護技術規程［S］.

Application of numerical simulation in com posite soil nailing★

Xie W endong Ge Yanfeng

(School of Civil Engineering，North China University of Technology，Beijing 100144，China)

In this paper，the foundation pit engineering of composite soil nailing with anchor support in Beijing is used as an example.The numerical simulation is carried out by using FLAC3D to guide the design and construction of composite soil nailing.It can provide reference when numerical simulation is applied in practical engineering in the future.

composite soil nailing，prestressed anchor，FLAC3D，numerical simulation

TU463

A

1009-6825(2015)29-0054-03

2015-08-06 ★:北京市教育委員會科技發展計劃面上項目資助(項目編號:KM201410009011)

謝文東(1990-)，男，在讀碩士; 葛燕鋒(1964-)，男，副教授，一級建造師