市政道路基坑開挖與土釘墻支護(hù)技術(shù)數(shù)值分析

胡建中，呂強(qiáng)

（湖南路橋建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，湖南長沙 410004）

市政道路基坑開挖與土釘墻支護(hù)技術(shù)數(shù)值分析

胡建中，呂強(qiáng)

（湖南路橋建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，湖南長沙 410004）

針對市政道路基坑開挖支護(hù)問題，運(yùn)用FLAC2D對道路基坑未支護(hù)及土釘墻支護(hù)后結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值分析，得出了基坑土體在未支護(hù)和土釘墻支護(hù)條件下的應(yīng)力狀態(tài)、位移等值線分布和位移矢量分布。結(jié)果表明，土釘墻支護(hù)能有效阻止基坑土體的坍塌，增強(qiáng)基坑土體穩(wěn)定性。

公路；市政道路；基坑；土釘墻支護(hù)

城市道路深基坑是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，包含多方面因素，還涉及道路行駛及周圍構(gòu)筑物的安全，深基坑支護(hù)成為道路施工過程中尤為關(guān)注的問題。土釘墻支護(hù)以其支護(hù)效果較好、施工便捷、可根據(jù)工程實(shí)際進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整、經(jīng)濟(jì)性較好等特點(diǎn)而在基坑工程中得到廣泛應(yīng)用。

基坑工程的設(shè)計(jì)與施工均較復(fù)雜，目前基坑工程力學(xué)分析計(jì)算的常用方法是在一定條件下假設(shè)土壓力已知（如朗金土壓力），嵌固段地基反力計(jì)算采用彈性地基梁方法，支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移計(jì)算采用桿系有限元法。FLAC軟件可模擬地質(zhì)巖土體在外界荷載作用下的屈服、塑性流動(dòng)、軟化直至大變形等力學(xué)行為，同時(shí)可考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)與地質(zhì)材料之間的相互作用，能更為合理地進(jìn)行數(shù)值分析。該文結(jié)合工程實(shí)例，運(yùn)用FLAC2D對城市道路深基坑開挖與土釘墻支護(hù)進(jìn)行數(shù)值分析。

1 工程概況

1.1地質(zhì)狀況

某市政道路施工需開挖的基坑深度為8.6 m，基坑尺寸為（20×20）m。根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，場區(qū)試驗(yàn)斷面的地層自上而下描述如下：

（1）雜填土。厚0.6～1.9 m；呈黃褐色；局部散亂堆積、碾壓差，總體結(jié)構(gòu)松散、欠固結(jié)，軟硬不均；成分雜亂，以黏土、粉質(zhì)黏土為主，間夾角礫、碎石及建筑垃圾。

（2）粉質(zhì)黏土。厚4.9～10.7 m；以灰褐、褐黃色為主；土體較光滑、細(xì)膩，干強(qiáng)度高，韌性高，軟塑狀為主。

（3）砂質(zhì)粉質(zhì)黏土。厚6.8～8.2 m；呈褐色；中濕，可塑狀為主。

1.2支護(hù)結(jié)構(gòu)

采用土釘+噴射砼復(fù)合土釘墻支護(hù)方法。沿開挖坑壁設(shè)置5層錨桿，間距為1.5 m，錨桿傾角為15°，長度為6.0 m，錨噴砼面板厚度為80mm。

2 基坑數(shù)值模擬

根據(jù)工程地質(zhì)特征和施工進(jìn)度，按施工階段分別對基坑在支護(hù)與未支護(hù)條件下進(jìn)行開挖的力學(xué)性能及穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

2.1計(jì)算模型和參數(shù)選擇

根據(jù)FLAC數(shù)值模擬經(jīng)驗(yàn)，建立模型時(shí)，模型邊界范圍應(yīng)為模擬區(qū)域?qū)ο蟠笮。ㄩL度和寬度）的2倍以上。該工程數(shù)值模擬區(qū)域的總寬度設(shè)為30 m，采用對稱結(jié)構(gòu)，界限為基坑開挖中心線至區(qū)域的后邊界。基坑寬度為10 m，后緣土體寬度為20 m；模型高度為20 m，約為開挖深度的2倍。靠近基坑側(cè)面及地面邊緣附近的網(wǎng)格密度增加1倍（見圖1）。

圖1　基坑開挖網(wǎng)格劃分

初始條件為模擬區(qū)域兩側(cè)全部約束，底部完全固定，頂部為自由邊界。初始地應(yīng)力場為自重應(yīng)力場。模擬采用摩爾-庫侖破壞準(zhǔn)則，假設(shè)允許產(chǎn)生大變形。

噴射砼采用梁單元、錨桿及土釘采用錨索單元模擬。各結(jié)構(gòu)體的物理力學(xué)參數(shù)見表1～3。

表1　巖土體的物理力學(xué)參數(shù)

表2　土釘?shù)挠?jì)算參數(shù)

表3　砼面層的參數(shù)

2.2數(shù)值模擬方案

基坑開挖及支護(hù)工序如下：開挖至地面以下1.5 m時(shí)，設(shè)置第一層土釘并掛網(wǎng)噴射砼面層；開挖至地面以下3.0 m時(shí)，設(shè)置第二層土釘并掛網(wǎng)噴射砼面層；開挖至地面以下4.5、6.0、7.5 m時(shí)，分別在相應(yīng)層位設(shè)置土釘并掛網(wǎng)噴射砼面層，直至開挖至基底標(biāo)高-8.6 m。

2.3未支護(hù)狀況下數(shù)值模擬分析

未支護(hù)狀況下深基坑數(shù)值模擬結(jié)果見圖2～6。

圖2　未支護(hù)基坑最大不平衡力曲線

由圖2可知：在未支護(hù)條件下，基坑土體最大不平衡力一直處于變化狀態(tài)且不收斂，說明土體已產(chǎn)生塑性形變直至模型破壞。

圖3　未支護(hù)基坑破壞后的情形

圖4　未支護(hù)基坑水平方向位移云圖（單位：m）

圖5　未支護(hù)基坑豎直方向位移云圖（單位：m）

圖6　未支護(hù)基坑塑性區(qū)云圖

從圖3可知：基坑壁發(fā)生側(cè)陷坍塌，基地隆起，整體結(jié)構(gòu)變形。基坑開挖時(shí)，坑內(nèi)的土體被挖出，坑底原來承受的被挖出土體的重力獲得釋放，基底的土向上回彈，同時(shí)基坑坑壁內(nèi)側(cè)處于臨空狀態(tài)，坑壁墻體由于失去原有土體的支撐發(fā)生側(cè)向移動(dòng)。側(cè)向移動(dòng)壓擠基坑墻壁前的土體，斷面方向基坑兩側(cè)墻體同時(shí)擠壓導(dǎo)致基底隆起。判斷基坑是否穩(wěn)定，基底隆起量是一個(gè)重要指標(biāo)。由于FLAC模型相鄰網(wǎng)格是連續(xù)的，滑塌發(fā)生時(shí)計(jì)算被中止。

由圖4、圖5可知：在未支護(hù)條件下進(jìn)行基坑開挖時(shí)，沿基坑坑壁向后約3 m范圍內(nèi)后緣土體將沿一定坡面發(fā)生水平方向和豎直方向移動(dòng)，且坑壁頂處土體位移量最大。

由圖6可知：在未支護(hù)條件下進(jìn)行基坑開挖時(shí)，坑壁后緣相當(dāng)一部分土體處于剪切或張拉狀態(tài)，且已形成的塑性區(qū)域和坑壁后緣土體形成滑坡體，滑動(dòng)面曲線也初步形成，若不采取支護(hù)措施，基坑會(huì)發(fā)生坍塌。

2.4支護(hù)狀況下數(shù)值模擬分析

土釘+噴射砼復(fù)合土釘墻支護(hù)狀況下深基坑數(shù)值模擬結(jié)果見圖7～11。

圖7　支護(hù)后基坑位移矢量云圖

圖8　支護(hù)后基坑塑性區(qū)云圖

圖9　支護(hù)后基坑水平方向位移云圖（單位：m）

圖10　支護(hù)后基坑豎直方向位移云圖（單位：m）

圖11　支護(hù)后基坑主應(yīng)力矢量云圖

由圖7可知：在土釘支護(hù)條件下開挖，坑壁頂面有小部分范圍內(nèi)的土體發(fā)生移動(dòng)，與水平方向成一定夾角向基坑坑底坍落。

由圖8可知：在土釘支護(hù)條件下開挖，坑壁土體只有少部分處于張拉或剪切狀態(tài)，且分布區(qū)域較為離散，沒有構(gòu)成連續(xù)的塑性區(qū)，說明土釘墻有效阻止了土體繼續(xù)變形。

由圖9、圖10可知：土釘墻支護(hù)后，只有基坑坑壁頂面后緣小部分范圍內(nèi)的土體會(huì)發(fā)生水平、豎直方向移動(dòng)，且位移量相對未支護(hù)時(shí)小很多，部分土體水平位移量較小。

由圖11可知：土釘墻腳附近出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，如果不進(jìn)行支護(hù)，基坑坑腳處將會(huì)發(fā)生破壞。

另外，從數(shù)值分析結(jié)果來看，基坑土體的變形量相對于實(shí)際情況大得多。土體這類介質(zhì)屬于連續(xù)性介質(zhì)，運(yùn)用FLAC進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)單元格劃分相對較大，且單元格在受力運(yùn)動(dòng)變形時(shí)所受的不平衡力集中在網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)處，而實(shí)際連續(xù)介質(zhì)的變形具有連續(xù)性和協(xié)調(diào)性，對此FLAC數(shù)值模擬不能完全滿足，在一定程度上忽略了土顆粒之間的剪切作用及相互變形約束的作用，故FLAC數(shù)值模擬分析所得基坑變形結(jié)果比實(shí)測值更大。

3 結(jié)論

（1）土釘墻支護(hù)措施在基坑開挖過程中會(huì)阻止土體產(chǎn)生塑性變形，能有效防止基坑坑壁土體過多沉降而導(dǎo)致滑塌，使坑壁土體水平及豎向位移減小，從而提高基坑邊坡坡體的承載力。

（2）運(yùn)用FLAC建立模型時(shí)存在缺陷，另外程序中輸入的土體力學(xué)參數(shù)與實(shí)際土體的物理力學(xué)特性不完全相符，將數(shù)值模擬結(jié)果作為參考的同時(shí)應(yīng)與現(xiàn)場實(shí)際觀測結(jié)果相結(jié)合，以使所分析結(jié)果與實(shí)際更相符。

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