土釘

蘇永軍 孔淑芹 王慧 劉風華

【摘要】文中以楊埕水庫供水泵站深基坑工程為例，結合 FLAC3D程序有限差分分析軟件，模擬楊埕水庫供水泵站的地質、水文等條件建立了空間三維模型，對土釘—樁錨聯合支護結構體系進行了三維動態數值模擬，并在此基礎上改變某些條件后重新進行數值模擬，以便能夠得到類似區域的模擬數據，為今后類似工程進行基坑支護提供理論依據。

【關鍵詞】土釘與樁錨聯合支護體系；數值仿真；FLAC3D

近年來，深基坑已經越來越普遍，工程項目所在地的地質條件也變得越來越復雜，同時還受到許多外部條件（如市政設施、地上建筑物、土地的集約利用等）的制約，單純的放坡開挖已經不能滿足工程施工的需要，需要尋求新的安全、經濟的基坑支護體系。在此背景下，一種基坑上部土體使用土釘支護體系、下部采用灌注樁和錨索共同支護的組合形式（即土釘與樁錨聯合支護結構）現已開始運用于地質條件較差的大、中型水利工程深基坑支護中，本文結合楊埕水庫供水泵站深基坑項目，采用三維數值模擬分析的方法，對土釘和樁錨共同支護體系的作用原理進行分析。

1、仿真模型計算參數

楊埕水庫供水泵站深基坑土體使用Mohr-Coulomb模型進行建模，其模型運行需要提供的參數有剪漲角d、積模量K、內摩擦角、粘聚力c、剪切模量G，其中由基坑土體的楊氏模量E依據以下兩個公式轉化為剪切模量G及體積模量K，以此作為能夠被 FLAC3D軟件所識別的塑性指標運算參數，公式見1-1，1-2。

楊埕水庫供水泵站仿真模型將設計基坑土體從上至下分為七層，分別是壤土、粉質粘土、淤泥質粘土、砂壤土、壤土、砂壤土、壤土。在不同深度上每層土體的物理力學模擬參數詳見表1-1，采用 FLAC3D軟件中的錨索結構單元（CableSEL）和樁結構單元（PileSEL）進行數值模擬，其計算參數詳見表1-2，1-3。2、模型建立

本文采用局部土地進行建模，其尺寸為：橫向60m，縱向2m，豎直向26m。該模型左右制約方向為水平方向，上半部分是自由約束，底部為垂直約束。依據基坑土體應力、應變的相互關聯性，優選適合本基坑土體的模型以及屈服準則，本文選用摩爾一庫倫彈塑性單元進行不同情況的計算。

3、計算步驟

根據該供水泵站的基礎設計，FLAC3D軟件的數值模擬遵照土體開挖先后順序進行計算邊坡的水平位移、豎直位移、塑性變化，詳見表1-4。

4、數值模擬

①土釘及錨索在不同長度時的水平位移量

當土釘設計長度為6米，錨索設計長度為25米時，最大水平位移量為38.755mm，當土釘及錨索長度變為設計長度的0.8倍時，最大水平位移量為43.331mm，當土釘及錨索長度變為設計長度的1.2倍時，最大水平位移量為38.324mm。上述模擬成果顯示，當土釘及錨索的長度變小時，最大水平位移量增大的比較明顯，然而當土釘及錨索的長度變大時，最大水平位移量減小幅度較小，故該土釘及錨索的設計長度是比較合理的。

②土釘及錨索在不同長度時的垂直位移量

當土釘與錨索的長度為設計長度時，基坑開挖完成后垂直方向的位移的最大值為16.567mm，當土釘與錨索的長度為設計長度的0.8倍時，基坑開挖完成后垂直方向的位移的最大值為16.538mm，當土釘與錨索的長度為設計長度的1.2倍時，基坑開挖完成后垂直方向的位移的最大值為16.562mm，以上結果表明土釘與錨索長度的變化對基坑開挖完成后基坑底部垂直位移量的影響不明顯，并且對將來建筑物的沉降量的影響也同樣不明顯。

③基坑土體塑性區變化特征

通過對土釘與錨索的長度分別為設計長度、0.8倍設計長度、1.2倍設計長度分別進行數值模擬，得出的結論為當土釘及錨索長度變化時，塑性區域幾乎沒有影響。

綜上所述，當土釘及錨索的長度發生變化時，受到影響最大是基坑邊坡水平方向的位移量，而水平方向的位移量正是決定基坑邊坡支護體系是否安全的最重要指標，故在基坑設計時，應做到在基坑邊坡水平方向位移符合要求的情況下，盡可能降低施工的成本。

5、結論與展望

本文對樁錨與土釘聯合支護結構的研究主要是利用FLAC3D軟件在不同情況下進行數值模擬，通過對在不同土釘及錨索長度的情況下進行模擬，分別分析了基坑邊坡支護體系的水平位移、豎直位移、塑性區的變化情況，最后依據分析數據指出土釘及錨索長度的變化造成以上3項指標變化的主要影響因素及變化規律，為今后對基坑邊坡的支護采用土釘與樁錨聯合支護結構提供了依據。

參考文獻：

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作者簡介：蘇永軍，山東壽光人，1981.06出生 河北水利電力學院講師，長期從事水利工程研究。