土釘墻+水泥土樁墻聯合支護結構的力學特性分析

萬宗江，朱碧堂

(1.中鐵二局集團有限公司，成都 610031；2. 江西省地下空間技術開發工程研究中心，南昌 330013)

在富水砂層或中等強度黏土層的基坑支護設計中，水泥土樁墻(包括攪拌樁、高壓旋噴樁、等厚度水泥土墻TRD)通常用作止水帷幕以隔絕基坑內外的地下水連通，以便于基坑開挖施工[1]。事實上，除了隔水作用外，水泥土樁墻本身就具有優良的力學性能，其剛度和強度遠超天然土體。例如，李建軍等[2]基于室內模型試驗研究了粉土中不同水泥摻入比下水泥土強度及變形特性，試驗結果表明，24%水泥摻入比下,28 d無側限抗壓強度接近5 MPa，變形模量達到4.6 GPa。此外，劉松玉等[3]的現場實測也表明，在淤泥質黏土地層中，水泥土攪拌樁的無側限抗壓強度平均值也能達到0.6 MPa。因此，在目前的基坑支護設計中，僅利用水泥土樁墻的隔水性能而未充分發揮其較好的剛度和強度特性，會造成材料或結構本身的巨大浪費。另一方面，隨著城市地下綜合體的不斷興起，傳統的內支撐支護結構已較難適用于大面積基坑開挖支護，相反，具有自穩能力的綠色基坑支護結構有巨大的應用潛能[4]。

為發揮水泥土樁墻的支擋性能，在目前工程實踐中已發展出一種復合土釘墻支護結構，其將水泥土樁墻設置在開挖面處作為擋土結構，并通過土釘將其錨定在基坑外側的土體中。楊志銀等[5]、段建立等[6]詳細介紹了該支護結構在實際工程中的應用，并給出了相應設計方法。張宗領等[7]基于有限元方法量化分析了基坑轉角對復合土釘墻支護結構受力和變形有利影響的范圍。但由于土釘直徑較小、土體強度低，滿足設計錨固力需要的土釘長度較長，在周邊建(構)筑物或者管線較為密集且對場地紅線要求較為嚴格時，其適用性受到了限制。此外，龔曉南[8]指出，對于傳統的土釘墻或者復合土釘墻支護結構，需要特別重視其支護位移的評價分析，以降低對周邊環境的影響。

鑒于此，筆者提出了一種新型土釘墻+水泥土樁墻(水泥攪拌樁、高壓旋噴樁、等厚度水泥土連續墻TRD)的聯合基坑支護結構(如圖1所示)，基坑開挖面采用放坡土釘墻支護，其端頭錨固在基坑外圍的水泥土樁墻內。相較于傳統的土釘墻支護，由于水泥土樁墻本身具有較高的承載性能，能提供更大的錨固力，錨固作用更可靠。更重要的是，由于水泥土樁墻良好的錨固作用，可以大大降低土釘長度，將其限制在基坑開挖面至水泥土樁墻內。在場地紅線控制嚴格的環境下，該支護結構能最大程度地發揮土釘的支護性能，擴大了其場地適用范圍。

圖1 土釘墻-水泥土樁墻聯合支護結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of combined support structure

為了驗證所提出的土釘墻+水泥土樁墻聯合支護結構的支護性能，采用有限元分析軟件PLAXIS研究其支護力學特性及破壞模式，并與傳統支護結構進行對比分析。通過對基坑開挖面土體變形控制能力、基坑破壞模式等方面的對比分析，驗證聯合支護結構的優越支護性能。

1 聯合支護結構設計理念

圖1為土釘墻+水泥土樁墻聯合支護結構示意圖。在坑底未加固條件下，受地基承載力和坑底隆起控制，該支護結構可適用于開挖深度不大的基坑,其基本工作機理如下：

1)水泥土樁墻除了止水外，插入到水泥土樁墻內的土釘可作為加強錨固段，水泥土樁墻可提供遠大于原狀土的錨拉力。同時，預留的保護層厚度(土釘末端到水泥土樁側外側距離，一般不小于50 mm)和土釘孔內水泥漿能防止地下水滲漏。

2)土釘墻和水泥土樁墻之間的土體受土釘加固和水泥土樁墻的約束作用，不發生主動破壞，土釘+水泥土樁墻整體表現為重力式擋墻工作性態。

3)土釘墻+水泥土樁墻聯合支護結構主要受水泥土樁墻后方土體施加的主動土壓力作用。

4)在土釘墻+水泥土樁墻重力式擋墻內部，被土釘墻加固的土體可視為水泥土樁墻前的預留土體，對水泥土樁墻施加被動抗力。

5)土釘的設置主要用來抵抗水泥土樁墻內側的土壓力，考慮到土釘墻為柔性結構，在設計時仍按照庫侖主動土壓力理論進行計算，噴射混凝土與土體之間的摩擦角取土體內摩擦角的2/3。

為實現土釘墻+水泥土樁墻聯合支護的設計目標，其基本構造要求如下：

1)基坑進行放坡開挖，在開挖面設置噴射混凝土層，以滿足整體支護要求。噴射混凝土厚度一般為80～100 mm。

2)土釘端部植入至水泥土樁墻內，以提供可靠的錨固作用。為防止地下水沿土釘滲漏，預留50 mm保護層，土釘全長注漿。

3)為了提供足夠的錨固力，土釘植入至水泥土樁墻的長度不小于1.0 m。考慮到土釘的設計傾斜角度，水泥土樁墻可采用雙排攪拌樁，無需搭接，可基本滿足錨固長度要求。

4)水泥土樁墻距開挖面的距離S主要由場地建筑紅線確定，在基坑設計時，可結合基坑開挖放坡大小和深度綜合確定其設置距離，一般應控制在4～6 m范圍內。

2 數值分析模型

2.1 典型支護方案

為了驗證上述土釘墻+水泥土樁墻聯合支護結構的支護性能，以南昌地區典型基坑工程為例，基于有限元分析軟件PLAXIS對不同支護結構下的基坑工作特性進行分析。圖2(a)給出了采用聯合支護結構進行基坑支護設計時其相應設計參數：基坑開挖深度為8 m，采用單道水泥土樁墻+土釘墻的支護方法，水泥土樁墻厚度1 m，噴射混凝土厚度為100 mm，從上至下共設置5道土釘。

此外，為了更好地說明聯合支護結構的支護性能，在同等支護條件下設置了兩組對照支護結構，即復合土釘墻支護結構和土釘墻支護結構。復合土釘墻支護結構中水泥土樁墻設置于開挖面處，且為了簡化分析，將各層土釘進行了等長化處理，其總長度與聯合支護時一致。土釘墻支護結構中僅考慮水泥土樁墻的隔水作用，厚度為500 mm，其余設計參數與聯合支護方法一致。兩組對照支護結構的支護參數如圖2(b)、圖2(c)所示。

圖2 不同支護結構下基坑設計參數Fig.2 Design parameters of foundation pit under different support structures

2.2 模型參數及模擬方法

南昌地區典型的地質條件為富水砂層上覆粉質黏土和填土地層。在模型研究深度范圍內，從上至下可分為素填土、粉質黏土、細砂及中粗砂，地下水埋深2 m。在數值計算模型中，土體采用摩爾-庫倫模型，其相應參數見表1。

水泥土攪拌樁采用摩爾-庫倫模型進行模擬，根據原位土體的不同，其無側限抗壓強度fcu一般在0.3～4.0 MPa之間，對黏性土層取低值，砂性土層取高值。葉觀寶等[9]基于大量統計資料分析給出了水泥土黏聚力c與無側限抗壓強度fcu的經驗關系式c=(0.2～0.3)fcu，內摩擦角φ=20°～30°。此外，在有限元分析中取水泥土攪拌樁的彈性模量E=(300～500)fcu[10]。考慮到地層差異對水泥土成樁性能的影響，從上至下各土層中的水泥土攪拌樁無側限抗壓強度fcu分別取0.5、1、2、4 MPa。

參考水泥土參數的經驗取值方法，為了更合理地考慮水泥土攪拌樁在不同地層中的力學性質差異，在數值計算中按照地層的差異分別賦予水泥土樁墻不同的力學參數，其取值見表1。

在數值模型中，土釘及噴射混凝土均采用結構單元進行模擬，其中，土釘采用格柵單元，噴射混凝土采用板單元。格柵單元僅能承受拉力作用，不能承受彎曲力作用，其等效抗拉剛度EA可按式(1)、式(2)確定。

Eeq=En(An/A)+Eg(Ag/A)

(1)

(2)

式中：Eg為注漿材料彈性模量；En為土釘彈性模量；A為土釘孔總截面積；An為土釘截面積；Ag為注漿材料截面積，Ag=A-An；Sh為土釘水平間距，Sh=1.0 m；DDH為鉆孔直徑，DDH=0.1 m。

表1 數值模型計算參數Table 1 Parameters adopted for numerical modelling

在實際工程中，土釘的受拉破壞面主要位于土釘外側土體中，其界面并不會發生滑移破壞，因此，在數值計算中，土-結構物界面采用剛性界面，以保證其相互間不會產生錯動滑移[11]。

數值計算時采用先一次性降水至坑底以下1 m，然后再分層開挖的方式模擬實際基坑工程的開挖施工，每層開挖厚度由土釘的豎向間距大小確定。

對于聯合支護結構中土釘和噴射混凝土的設置，若嚴格按照先開挖后支護的方式進行數值模擬，當開挖到下部較深土層時，容易導致數值計算不收斂。實際施工時一般會先開挖基坑四周局部土體進行土釘支護，其余大部分土體仍處于未開挖狀態，因此，按照開挖和土釘噴錨支護同步考慮進行數值計算。

3 數值模擬計算結果

3.1 滲流場分布

圖3為不同支護結構下基坑滲流場分布圖。從圖3可以看出：不同支護結構下，基坑滲流場分布形態基本一致；由于中粗砂的滲透系數遠大于其上部土體，地下水主要在中粗砂中橫向流動。此外，由于水泥土攪拌樁滲透系數遠低于天然土體，其隔水效果較好，坑內外保持了較高的水頭差。

需要指出的是，在模型中由于水泥土攪拌樁未隔斷含水砂層，基坑降水量總體偏大，3種支護結構下每天降水量基本在60～68 m3/m之間。為減小滲流量，可以考慮加大止水帷幕的深度以隔絕坑內外地下水的連通。

圖3 不同支護結構下基坑滲流場分布圖Fig.3 Distribution diagrams of seepage field of foundation pit under different support structures

3.2 水平位移分布模式

圖4為不同支護結構下基坑水平位移云圖。從圖4可以看出：不同支護結構下基坑水平位移分布模式基本一致，即均表現為基坑中下部區域位移大、上部淺層區域位移小的分布特性。與傳統支護結構(復合土釘墻與土釘墻)不同的是，采用聯合支護結構，由于土釘對水泥土樁墻的拉拽作用，將一部分土壓力傳遞至深層土體中，從而在水泥土攪拌樁底部產生一定的側向變形，其變形影響范圍有所增大，這也從側面反映了水泥土樁墻對土釘的錨固作用。

圖4 不同支護結構下基坑水平位移云圖Fig.4 Contours of horizontal displacement under different support structures

圖5為不同支護結構下開挖面水平位移隨深度的分布曲線。從圖5可以看出：采用聯合支護結構，基坑的最大水平位移要顯著小于其他兩種基坑支護結構，其最大水平位移為37.1 mm；土釘墻支護中，開挖面水平位移分布模式與聯合支護結構基本一致，但其最大位移值為56 mm，較聯合支護結構大18.9 mm；相對而言，復合土釘墻支護結構變形控制能力較差，最大水平位移值達95.2 mm。從上述分析可以看出，相較于傳統支護結構，聯合支護結構的支護性能更為優越，能更好地控制基坑水平變形，以滿足工程設計要求。

圖5 不同支護結構下基坑開挖面水平位移曲線Fig.5 Horizontal displacement curves of excavation face under different support structures

3.3 土釘軸力分布

圖6為開挖至設計深度時不同支護結構下土釘的軸力分布圖。從圖6可以看出：總體而言，土釘軸力隨埋置深度的增加而不斷增大，最大軸力均位于底部第5道土釘處，且復合土釘墻中土釘最大軸力大于其他兩種支護結構，這主要與其整體變形較大有關。

此外，不同支護結構下土釘軸力的分布特性也存在一定差異。對于聯合支護結構和土釘墻支護結構，土釘軸力沿著土釘端部往外持續增長，基本在端頭處達到最大值。相對而言，在復合土釘墻中，土釘的錨固作用主要體現在水泥土擋墻背后的土體中，在水泥土樁墻內，由于其變形模式為擋墻側移拉拽帶動土釘滑移，其軸力發生顯著衰減。對于聯合支護結構，土釘軸力在水泥土樁墻內增長較快，但由于其整體變形較小，土釘軸力仍然處于較低水平，遠小于其極限錨固力，錨固作用未充分發揮。

圖6 不同支護結構下土釘軸力分布圖Fig.6 Distribution diagrams of soil nails axial force under different support structures

如圖6(c)所示，在土釘墻支護結構下，土釘軸力在中部區域發生了突變。其主要原因是數值模型中在此位置處設置了一道止水帷幕用的水泥土攪拌樁(圖2(c))，其物理力學參數與周邊土體有顯著差異，導致土釘在穿越水泥土樁時軸力發生了突變。但總體而言，由于水泥土樁厚度只有500 mm，其對土釘整體軸力分布特性的影響有限。

3.4 水泥土樁墻樁身應力分布

為保證水泥土樁墻不發生材料屈服破壞，需控制水泥土樁墻樁身應力不超過相應允許值。以最大拉應力小于5%fcu、最大壓應力小于fcu、最大剪應力小于10%fcu作為樁身允許應力控制標準，其中，fcu為水泥土樁墻無側限抗壓強度。

圖7、圖8為基坑開挖至8 m時水泥土樁墻軸向及切向應力分布曲線，其中左側是基坑開挖側；自重應力指的是未開挖時由水泥土自身重量引起的應力。

圖7 樁身軸向應力分布曲線Fig.7 Distribution curves of axial stress of cemented soil pile

圖8 樁身剪應力分布曲線Fig.8 Distribution curves of shear stress of cemented soil pile

從圖中可以看出：在聯合支護結構和復合土釘墻支護結構中，其樁身應力大小均滿足設計要求；但相對而言，聯合支護結構由于其受力機制更為合理，樁身軸向及切向應力更小，水泥土樁墻更為安全可靠。

3.5 基坑破壞模式

對基坑破壞模式的研究不僅能更準確地揭示基坑支護機理，還可以為基坑整體穩定性驗算提供理論基礎。基于強度折減法，對不同支護條件下的基坑破壞模式進行了分析。

如圖9所示，對于聯合支護結構，開挖面與水泥土樁墻之間的土體基底承載力失穩滑移，繼而引起水泥土擋墻整體傾覆破壞，表現為重力式擋土墻破壞模式。從圖9(b)可以看出，水泥土樁墻內側土體塑性點分布特性符合地基承載力失穩破壞模式，而外側土體則表現為主動破壞模式。

圖9 聯合支護結構下基坑破壞模式Fig.9 Failure mode of foundation pit under combined support structure

圖10為復合土釘墻中基坑破壞形態及塑性點分布圖。從圖10可以看出：基坑破壞形態表現為水泥土樁墻自身材料的破壞，并引起攪拌樁外側土體的整體滑移；相較于聯合支護結構，復合土釘墻支護結構中土體受拉屈服分布較為廣泛，未能充分發揮其抗剪性能。

土釘墻支護中基坑的破壞形態與土體塑性區域分布如圖11所示。從圖11可以看出：水泥土樁墻由于只考慮其隔水作用，厚度較小，其對基坑整體失穩破壞模式的影響較小，表現為沿著薄弱面的整體滑移破壞。

3.6 坑底加固對比分析

由前述基坑破壞模式分析可知，對于聯合支護結構，其破壞模式主要表現為基底承載力的不足，因此，對坑底進行加固處理可以進一步改善其支護性能。采用水泥土樁墻進行坑底加固，加固區域尺寸為8 m×4 m(深×寬)，沿著開挖面坡腳分布，加固區域水泥土攪樁參數與止水帷幕攪拌樁參數一致。

圖10 復合土釘墻支護結構下基坑破壞模式Fig.10 Failure mode of foundation pit under composite soil-nailed wall supporting structure

圖11 土釘墻支護結構下基坑破壞模式Fig.11 Failure mode of foundation pit under soil nailing wall support structure

圖12為不同坑底處理條件下基坑水平變形分布曲線。從圖12可以看出：坑底加固能顯著減小基坑水平變形，進一步提高基坑支護性能；頂部變形由19 mm減小至6 mm，減小幅度為68%，最大水平變形也由37 mm降低至25 mm，減小幅度為32%。

圖12 不同坑底處治條件下基坑水平位移對比曲線Fig.12 Curves of horizontal displacements of foundation pit under different base treatment conditions

3.7 距離影響分析

采用聯合支護結構進行基坑設計時，水泥土樁墻距開挖面的水平距離S也是需要特別考慮的設計參數。圖13為不同距離下基坑水平變形隨深度發展的曲線，從圖13可以看出：在S=2 m時，基坑水平變形大小顯著大于其余兩種工況，其最大變形值接近50 mm；相對而言，S=4 m及S=6 m情況下開挖面的水平位移基本完全一致，表明當水泥土樁墻距開挖面超過4 m后，繼續增大間距S并不能改善土體水平變形大小，開挖面后側土體對水泥土攪拌的支撐作用已達到穩定。因此，為保證土釘墻+水泥土樁墻表現為重力擋墻工作模式，取S= 4～6 m合適。

圖13 水泥土樁墻距離對開挖面水平位移曲線影響Fig.13 Horizontal displacements of the excavation for different distances of the cemented soil pile/wall to the excavation edge

4 結論

基于有限元分析軟件PLAXIS，結合南昌地區典型地質條件，較為系統地研究了土釘墻+水泥土樁墻聯合支護結構的力學特性，并與傳統支護結構進行了對比分析。根據計算分析結果，得出以下結論：

1)相較于傳統土釘墻和復合土釘墻，土釘墻+水泥土樁墻聯合支護結構可充分利用水泥土樁墻良好的止水和錨固特性，所需土釘長度更短，可有效避免土釘侵占場地紅線問題，其適用性更廣泛。

2)在土釘墻+水泥土樁墻聯合支護結構中，土釘墻依靠水泥土樁墻進行錨固，而水泥土樁墻借助加筋土的反壓作用可進一步減小基坑開挖引起的土體變形，達到聯合支護的效果；且水泥土樁墻樁身軸向及切向應力較傳統復合土釘墻支護大為降低，水泥土樁墻更為安全可靠。

3)土釘墻+水泥土樁墻聯合支護結構的基坑破壞模式表現為重力式擋土墻破壞，對坑底進行加固處理可進一步改善其支護性能。