基于強度折減法的基坑土釘支護穩定性分析

曾酉源 唐延貴

基于強度折減法的基坑土釘支護穩定性分析

曾酉源 唐延貴

（成都四海巖土工程有限公司 成都 610041）

運用FLAC3D建立基坑土釘支護數值計算模型，以理想邊坡為例，對比不同極限平衡法與強度折減法所得安全系數，驗證強度折減法在穩定性計算的可行性。將強度折減法應用到實際工程，對成都某土釘支護基坑，分析均質土層和非均質土層情況下邊坡穩定系數，并與理正計算結果對比，計算結果吻合較好，可為土釘支護設計提供參考。

土釘支護；強度折減法；FLAC3D；穩定系數；基坑

1 引言

土釘作為一種主動受力的支護結構，被廣泛用于基坑支護中。通過在基坑邊坡中插入土釘以約束連接土體，提高土體本身的強度和自穩能力。相比其他支護結構，土釘支護具有施工速度快、材料用量少、對場地適應性強以及安全經濟等優點。土釘主要依賴土體變形后接觸界面的粘結力或摩擦力發揮作用，使加固土體保持穩定，其支護效果在很大程度上取決于土體本身抵抗破壞的能力，因此土釘支護的穩定性分析就顯得十分重要。

對土釘支護穩定性分析主要分為三類：1)極限平衡分析方法，即先假定破壞面的形狀，通過試算確定每個可能破壞面所對應的穩定安全系數，找出臨界破壞面位置并給出對應的安全系數。2)工程簡化分析方法，即直接給定臨界破壞面的位置、不同部位土釘的最大拉力，以此確定土釘直徑以及伸入穩定土體的長度。3)數值計算方法，即考慮土體的應力應變關系，模擬開挖過程以及考慮土和結構的變形協調，同時可以考慮土體的非均勻性和各向異性等。

本文首先通過理想邊坡安全系數計算，驗證FLAC3D強度折減法的可行性，并利用該方法計算均質土層與非均質土層情況下，基坑土釘支護的安全系數，并與理正設計軟件進行對比。

2 現行規程中土釘支護穩定計算方法

根據《建筑基坑支護技術規程》(JGJ120-2012)的要求，在進行土釘墻設計時，應對其整體穩定性進行驗算?；诱w穩定性包括內部整體穩定和外部整體穩定。通常的整體穩定性是指基坑內部穩定性而言，土釘支護的內部整體穩定性分析是指邊坡土體中可能出現的破壞面發生的在支護內部并穿過全部或部分土釘。對于普通土釘墻，規程規定錨拉式支擋結構的整體穩定性可采用圓弧滑動條分法進行驗算。當擋土構件底端以下存在軟弱下臥土層時，整體穩定性驗算滑動面中尚應包括由圓弧與軟弱土層層面組成的復合滑動面[1]。

3強度折減法

強度折減法首先給定強度折減系數Fs，通過彈塑性計算確定基坑邊坡應力應變場，并對應力應變或位移的某些分布特征進行分析。同時，通過不斷增大折減系數，應用公式(1)調整土體的強度指標，并根據相應的破壞失穩判據判斷邊坡失穩破壞，破壞時的折減系數即為穩定安全系數。

目前強度折減法尚無統一的破壞失穩判據，即安全系數求解過程的終止條件。本文 FLAC3D 求解安全系數時，單次安全系數的計算主要采用數值計算的收斂性作為失穩判據[2]。

4理想邊坡驗證

為驗證基于FLAC3D的強度折減法的可行性，選取理想邊坡進行分析。理想邊坡坡腳45°，土體計算參數為：重度γ= 17.5kN/m3，黏聚力c=10kPa，內摩擦角φ=10°，彈性模量 E=18MPa，泊松比μ=0. 25，本構模型采用Mohr-Coulomb模型。且在折減過程中不考慮彈性模量與泊松比的修正，土體抗拉強度忽略不計。根據張魯渝、鄭穎人等[3]的建議，邊坡左邊界至坡腳的距離等于1.5H，其中坡高H為6.5m，坡頂至右邊界的距離等于2.5H，坡頂部到底部邊界等于2H進行數值計算建模。

通過計算得到瑞典條分法、畢肖普法和強度折減法的安全系數分別為0.854、0871和0.881。瑞典條分法計算得到安全系數相對較小，強度折減法得到的安全系數與畢肖普法相近。

5實例分析

選取成都某基坑，坡高H為6.5m，坡腳為45°?？辈靾蟾嫱馏w力學參數沒有提供變形模量、泊松比值。變形模量可由壓縮模量換算得到，如下式：

式中，E0為變形模量(MPa)；Es為壓縮模量(MPa)；μ為泊松比。

土釘采用HRB400級鋼筋，錨桿鉆孔注漿材料為水泥漿，強度不低于M30。土釘長度依次為6m、5m、4m、3m，豎向間距為1.5m，除第四排土釘與水平方向角度為30°外，其余土釘與水平方向角度均為20°。

對于均質土層情況，土層為素填土。由計算得到均質土層情況下土釘支護基坑安全系數為1.001。增設土釘后，基坑邊坡安全系數從0.881提高到1.001。相同模型通過理正深基坑計算得到安全系數為0.979，相較于FLAC3D計算得到的安全系數，理正得到的安全系數相對較小。

對于非均質土層情況，土層從上到下依次為雜填土(層厚1.25m)、素填土(層厚3.5m)以及粉質粘土，土釘設置與均質土層情況相同。根據理正深基坑設置5個工況，運用強度折減法計算得到非均質土層情況下不同工況的安全系數分別為2.495、1.756、1.721、1.633和1.633，理正計算結果分別為2.191、1.608、1.318、1.511和1.619。

通過不同工況下的安全系數的對比可知，與FLAC3D計算得到的安全系數相比，理正得到的不同工況下安全系數相對較小，計算結果相對較保守。

6結論

本文通過理想邊坡驗證，對比強度折減法與極限平衡法得到的安全系數，得出強度折減法計算基坑土釘支護安全系數是可行的。對于理想邊坡，采用強度折減法給出的安全系數與極限平衡法得到的安全系數相近。對于增設土釘的基坑邊坡，采用FLAC3D計算得到的安全系數較極限平衡方法得到的安全系數大。對于非均質土層，不同工況下理正深基坑得到的安全系數均較為保守。

[1]中華人民共和國住房和城鄉建設部. JGJ120-2012建筑基坑支護技術規程[S]. 北京: 中國建筑工業出版社, 2012.

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

[3]張魯渝，鄭穎人，趙尚毅，等. 有限元強度折減系數法計算土坡穩定安全系數的精度研究[J]. 水利學報, 2003(1):21-27.

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