基于數值模擬的土釘墻設計參數對黃土深基坑變形特性影響研究

摘 要：在黃土地區深基坑支護中應用較為廣泛的就是土釘墻支護，研究黃土地區深基坑土釘墻支護結構的變形特性對深基坑本身和周邊環境的安全具有重要的實際工程意義。基于此，以黃土地區某市民住宅深基坑為工程背景，利用Midas GTS有限元軟件，通過控制土釘強度、土釘嵌入角度、土釘長度和土釘間距這四類設計參數，開展土釘墻支護參數對深基坑的變形特性研究。結果表明，對基坑側壁產生水平位移及基坑外地表沉降影響最大的設計參數是土釘長度，其次是土釘嵌入角度，對基坑變形影響最小的設計參數是土釘強度。

關鍵詞：黃土地區；深基坑；土釘墻支護；MIDAS GTS軟件

中圖分類號：TU753 文獻標識碼：A 文章編號：2096-6903（2024）08-0041-05

0 引言

超高層建筑能緩解住房困難問題，但對其下的深基坑有較高的技術要求[1]。在眾多的基坑支護形式中，土釘墻支護方案被廣泛應用。土釘墻為柔性支護結構，在黃土地區使用較廣，具有施工相對簡便、造價較低、安全性比較高的優點[2，3]。黃土地區深基坑支護技術的研究還有待深入，其研究面臨復雜性、異質性等諸多困難。

國內有許多學者對黃土地區深基坑土釘墻支護體系變形特性進行研究：郅彬等學者利用數值模擬，分析土釘在基坑支護過程中的水平位移和受到的軸力，得出土釘最大軸力點位置隨著基坑開挖向土釘尾部移動的結論，并將純土釘與復合土釘進行對比后提出相應優化建議[4]。張子辰等學者利用對周邊地表豎向位移、基坑側壁深層水平位移、基坑坑底隆起的監測數據，總結了采用土釘墻支護結構的黃土地區深基坑的變形規律，基坑周圍地面沉降隨基坑開挖深度增加而增加，隨著基坑開挖施工進行，土釘墻支護對基坑整體變形約束較小，呈現整體向基坑內部的傾斜變形[5]。魏煥衛等學者利用Plaxis3D有限元軟件結合實測數據，研究了深基坑工程在坡頂堆載作用下土釘墻的土釘軸力、整體變形以及坡頂變形的聯系，得出基坑坡頂水平位移和沉降之間為非線性關系[6]。郭紅仙等學者采用極限分析方法，研究土釘長度對于直立軟土和硬黏土基坑土釘支護整體穩定性的影響，在豎直基坑中，研究得出在軟土中土釘長度最好取1.4～1.5倍基坑深度、硬黏土中最好取0.8～1.0倍基坑深度[7]。

目前國內學者對于土釘墻支護體系變形有較為深入的研究以及一系列的成果，但是在黃土地區深基坑土釘墻支護體系變形特性的研究還不夠深入，其較為特殊不同于一般土的地質特性，使得黃土地區的深基坑工程中采用土釘墻支護體系，有更為嚴苛的標準。

1 工程概況

案例項目選用的深基坑位于已建售樓部南側景觀區域以南，周邊建筑物為擬建居民樓，樓層不高，距該基坑均較遠，處在一個安全距離中，對選定基坑產生的影響較小，可忽略不計。

擬建場地地貌單元屬黃土丘陵，其中發育有古沖溝和近代沖溝。屬于非自重濕陷性黃土場地，地基濕陷等級為I級（輕微）。場區地層表面局部區域內散布著近期堆填的雜填土層，其下有第四紀坡洪積和沖洪積作用所產生的黃土狀粉質黏土和粉土、粉質黏土和姜石，下伏為第三紀泥巖層。基坑地層結構自上而下為：①雜填土（Q42ml）層厚0.705 m。②黃土狀粉質黏土（Q42dl+pl）層厚5 m。③黃土狀粉質黏土（Q42dl+pl）層厚3.36 m。④粉質黏土（Q2al+pl）層厚3.83 m。⑤粉質黏土夾粉土及姜石（Q2al+pl）層厚8.1 m。⑥泥巖（N）層厚4 m。

勘察期間，在勘探深度范圍內，未見有地下水。故在后文的模擬中不考慮地下水對設計和施工的影響。本基坑采用放坡、土釘墻進行支護，深度為11.5 m，剖面安全等級為二級，側壁重要性系數為1.0，支護方案為臨時支護，設計使用期限為1年，坡度1：0.3，自地面以下1.5 m設置第一道土釘，長12 m。間隔1.5 m后設置第二道土釘，長度為12 m。第三、第四道土釘以間距1.5 m來設置，長度均為15 m，傾角均為15°。間隔1.4 m設置第五道土釘長度為15 m。再以間隔1.4 m設置第六、七道土釘，長度均為12 m，傾角為15°。基坑設計方案剖面圖如圖1所示。

2 Midas GTS軟件

有限元法就是把土坡當成變形體，按照土的變形特性，計算出該地區內的應力分布，用有限元法可以計算出每個土單元的應力、應變和每個結點的節點力和位移[8]。這種計算方法目前已經成為很多工程問題變形分析的常用方法，有很多現成的軟件可以使用，如midas等。

Midas GTS不僅可以進行簡單的線性計算，還可以計算復雜的非線性問題。Midas具有一個龐大的材料本構模型庫，該軟件可以選擇任何形狀的單元庫和與模擬工程相關的模型，還可以對很多典型巖土工程材料的特點進行模擬。Midas GTS中的彈塑性土體結構模型有范米賽斯、摩爾-庫侖、霍克-布朗模型、屈雷斯卡、德魯克-普拉格等，并在計算中有著很強的非線性收斂能力。本文對基坑的數值模擬分析主要采用該軟件。

GTS的特點如下：①中文化的操作界面。②對研究工程直觀建模，可設置各種不同的施工階段。③眾多的巖土材料本構模型。④較良好的分析規模和分析速度。⑤直觀實用的圖形后處理技術。

3 土釘墻結構設計參數模擬分析

基坑開挖深度為11.5 m，采用土釘墻支護，剖面等級為二級，側壁重要性系數為1.0，基坑周邊地面3 m以內禁止堆載，周邊載荷設計值為20 kPa，在土釘上加載的預應力設置為50 kN。土體單元采用莫爾-庫侖屈服準則來模擬土體的非線性力學特征，鋼筋、混凝土及土層參數選取如表1、表2所示。

根據上述參數及基坑支護方案，在軟件中對選定深基坑進行建立模型。借助繪圖軟件CAD將基坑支護剖面圖導入，再對材料和屬性進行定義，設置邊界條件，對土釘施加預應力，填寫工況，對各個結構進行激活或者鈍化，完成模型建立，模型建立為二維平面，如圖2所示。

3.1 土釘強度改變

在本小節中將鋼筋直徑分別設置為16、22、28、32 mm4個類型，將鋼筋分為HRB400級或HRB335級兩個類型分別進行研究。

先對不同直徑的HRB400級鋼筋進行模擬，得出結果如圖3、4所示。由圖3、4可知，在同為HRB400級鋼筋時，直徑越大的鋼筋產生的變形越小，水平位移最大處位于基坑邊坡坡頂處，沉降的最大值產生位置在基坑外側。使用不同直徑的HRB400級鋼筋所產生的變形均在允許值范圍內。不同直徑的鋼筋的支護方案所產生的水平位移之間差距較大，沉降的差距較小。

對不同直徑的HRB335級鋼筋進行模擬，得出結果如圖5、6所示。由圖5、6可知，在同為HRB335級鋼筋時，直徑越大的鋼筋產生的變形越小，水平位移最大處在基坑邊坡坡頂處，沉降最大值產生于基坑外部。使用不同直徑的HRB335級鋼筋所產生的變形均在允許值范圍內。通過對比發現，直徑為22 mm的HRB400級鋼筋的支護方案所產生的水平位移以及基坑外部地表沉降小于采用16 mm、22 mm的HRB335級鋼筋的支護方案，大于采用28 mm、32 mm的HRB335級鋼筋的支護方案。

由此說明，對于支護方案，采用不同直徑的同一類鋼筋的基坑來說，直徑越大，支護效果越好，產生的變形越小；采用同一直徑的不同類鋼筋的基坑來說，HRB400級鋼筋的支護效果比HRB335級鋼筋好，產生的變形更小。

3.2 土釘嵌入角度改變

根據《濕陷性黃土地區建筑基坑工程安全技術規程》（JGJ167—2009）規范規定，在黃土地區深基坑工程采用土釘墻支護方案的土釘與水平面夾角為5～20°。

文中選定的深基坑支護方案中土釘與水平面的夾角為15°，在本小節中將土釘嵌入角度設置為5°、10°、15°、20°四種類型分別進行模擬。結果如圖7、8所示。

從圖7、圖8可能，當土釘嵌入角度為5°時，基坑側壁產生的最大水平位移為5.419 mm，最大沉降量為23.355 mm，地表最大沉降量為14.14 mm。當土釘嵌入角度為10°時，基坑側壁產生的最大水平位移為4.795 mm，最大沉降量為23.113 mm，地表最大沉降量為13.35 mm。當土釘嵌入角度為15°時，基坑側壁產生的最大水平位移為4.525 mm，最大沉降量為22.851 mm，地表最大沉降量為12.89 mm；當土釘嵌入角度為20°時，基坑側壁產生的最大水平位移為4.193 mm，最大沉降量為22.646 mm，地表最大沉降量為12.34 mm。不同嵌入角度下基坑側壁產生水平位移和沉降的趨勢基本一致，在基坑頂部產生最大水平位移，基坑外部最大沉降均在合理范圍內，沒有產生破壞。

同時從圖7、8中可以看出，隨著土釘嵌入角度的增大，基坑的變形逐漸變小，在這4種方案中，嵌入角度為20°時所產生的變形最小，且在嵌入角度為20°時，深基坑放坡開挖時該邊坡的穩定性安全系數最大。

3.3 土釘長度改變

規范規定在黃土地區深基坑工程采用土釘墻支護方案，土釘長度宜為5.75～13.8 m，文中選定的深基坑支護方案中土釘長度為最上兩層和最下兩層長度為12 m，中間三層土釘長度為15 m。在本小節中將支護方案改為三類，第一類是最上兩層和最下兩層長度為6 m，中間三層土釘長度為9 m。第二類是最上兩層和最下兩層長度為9 m，中間三層土釘長度為12 m。第三類是最上兩層和最下兩層長度為12 m，中間三層土釘長度為15 m，根據不同的支護方案進行模擬。結果如圖9、10所示。

當支護方案為土釘最上兩層和最下兩層長度為6 m，中間三層土釘長度為9 m時，基坑側壁產生的最大水平位移為1.75 mm，最大負向位移為-9.48 mm，最大沉降量為25.97 mm，基坑外地表最大沉降量為15.35 mm。當支護方案為土釘最上兩層和最下兩層長度為9 m，中間三層土釘長度為12 m時，基坑側壁產生的最大水平位移為4.167 mm，最大負向位移為-5.42 mm，最大沉降量為22.88 mm，基坑外地表最大沉降量為12.93 mm。當土釘的最上兩層和最下兩層長度為12 m，中間三層土釘長度為15 m時，基坑側壁產生的最大水平位移為4.525 mm，最大負向位移為-5.39 mm，最大沉降量為22.851 mm，基坑外地表最大沉降量為12.89 mm。

由圖9、10可知，方案一的水平位移曲線與方案二和方案三差別較大，采用方案一時的基坑在頂部產生的水平位移要比方案二和方案三小得多，但是在基坑底部方案一產生的負向位移遠遠大于方案二和方案三，方案二和方案三基坑水平位移曲線趨勢基本一致，方案三所產生的水平位移比方案二大。

采用方案一支護方案的基坑所產生的沉降遠遠大于其余兩個方案，采用方案三所產生的沉降量最小，但總體與方案二差別不大。三個方案的變形均在合理范圍內，未產生破壞。

3.4 土釘間距改變

規范規定在黃土地區深基坑工程采用土釘墻支護方案，土釘間距宜為1～2 m，文中選定的深基坑支護方案中前四根土釘豎向間距為1.5 m，剩下三根土釘豎向間距為1.4 m。在本小節中將土釘間距分為3種，第一種前四根土釘豎向間距為1.3m，剩下三根土釘豎向間距為1.2 m；第二種前四根土釘豎向間距為1.5 m，剩下三根土釘豎向間距為1.4 m；第三種前四根土釘豎向間距為1.7 m，剩下三根土釘豎向間距為1.6 m，根據上述不同支護方案進行模擬。所得結果如圖所11、12示。

由圖11、12可知，方案一產生的最大水平位移為4.495 mm，最大沉降為22.857 mm，基坑外地表最大沉降量為12.68 mm。方案二產生的最大水平位移為4.525 mm，最大沉降為22.851 mm，基坑外地表最大沉降量為12.89 mm。方案三產生的最大水平位移為4.545 mm，最大沉降為22.848 mm，基坑外地表最大沉降量為12.75 mm。

在基坑10 m以上采用方案一支護的基坑側壁的水平位移和沉降小于方案二小于方案三，在基坑外地表，方案一所產生的沉降小于方案二大于方案三，但差值不太明顯，且都在合理范圍內。與沉降相比，土釘布置間距對于水平位移的影響更大，在一定范圍內，土釘越密基坑所產生的變形越小。

4 結束語

本文利用有限元軟件Midas GTS對選定的深基坑進行模擬，并分析所得結果，從土釘墻結構設計參數方面，研究了黃土地區深基坑土釘墻支護體系變形特性的影響因素。通過有限元軟件，控制所研究的影響因素為變量，對選定基坑進行模擬，并進行數據分析，得出結論：對深基坑產生水平位移影響最大的依次是土釘長度、土釘嵌入角度、土釘間距及土釘強度。對基坑外地表產生沉降影響來說，影響從大到小依次是土釘長度、土釘嵌入角度、土釘間距及土釘強度。

目前，眾多學者對黃土深基坑技術的研究和應用已經取得了一定的成果，黃土深基坑技術已逐漸成熟，諸如土釘墻、鋼支撐體系、預制板墻等支護結構也得到了廣泛應用。隨著數字化技術、信息網絡以及物聯網等先進技術的發展和普及，人們對黃土深基坑問題的認識也迎來了新飛躍，形成了一些具有前瞻性、創新性的研究領域，如基于人工智能的基坑監測、預測和診斷技術以及組合式土釘墻結構等。

參考文獻

[1] 劉國彬，侯學淵，黃院雄.基坑工程發展的現狀與趨勢[J].地下空間，1998，（S1）：400-405+412-454.

[2] 唐斌，朱志廣.黃土地區釘-錨復合支護形式的研究及應用[J].科技創新與生產力，2012（7）：97-98+101.

[3] 伍麗珍，黃小平.黃土地區某工程深基坑支護方案比選分析[J].山西建筑，2016（11）：94-96.

[4] 郅彬，武李和樂，王晟博，等.黃土地區超深基坑復合土釘支護受力分析及優化建議[J].建筑結構，2020，50（21）：126-132.

[5] 張子辰，嚴長江，李旺.某黃土深基坑復合土釘墻變形監測分析[J].蘭州工業學院學報，2023，30（1）：27-31.

[6] 魏煥衛，王介鯤，楊慶義，等.坡頂堆載作用下土釘墻變形規律分析[J].山東建筑大學學報，2023，38（2）：1-8.

[7] 郭紅仙，周鼎.軟土中基坑土釘支護穩定性問題探討[J].巖土力學，2018，39（S2）：398-404.

[8] 林彤，譚松林，馬淑芝.土力學（第二版）[M].武漢：中國地質大學出版社，2012.