土釘墻在深基坑工程中的應(yīng)用分析

賀永俊 卜飛

(1.山西省勘察設(shè)計(jì)研究院,山西太原 030013;2.太原理工大學(xué),山西太原 030013)

土釘墻在深基坑工程中的應(yīng)用分析

賀永俊1卜飛2

(1.山西省勘察設(shè)計(jì)研究院,山西太原 030013;2.太原理工大學(xué),山西太原 030013)

隨著城市建設(shè)的日益加快及城市建筑密集程度的加大，深基坑支護(hù)面臨著巨大的挑戰(zhàn)，一系列的問題正在探索中，如支護(hù)結(jié)構(gòu)在安全的前提下是否經(jīng)濟(jì)合理，對周邊建筑的影響是否減小到最小。本文就太原市的某深基坑中的局部采用土釘墻進(jìn)行分析與檢測，并采用FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬對土釘墻在深基坑中的使用安全度進(jìn)行分析評價(jià)。由分析及實(shí)測結(jié)果得出：在土體參數(shù)較好的情況下，12米深的基坑從經(jīng)濟(jì)的角度考慮，采用土釘墻支護(hù)是相對合理安全的。

土釘墻 深基坑 位移 沉降

土釘支護(hù)技術(shù)與傳統(tǒng)的支護(hù)技術(shù)相比，具有工期短、造價(jià)低、施工簡便等特點(diǎn)，因而在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ120-2012)土釘墻的適用范圍一般是基坑側(cè)壁安全等級為二、三級的排軟土場地，且基坑深度不宜大于12米。且由于單純的土釘支護(hù)不能控制支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形以及周圍構(gòu)筑物的沉降，因此，在實(shí)際工程中往往采用預(yù)應(yīng)力錨桿、微型樁等支護(hù)技術(shù)(簡稱“復(fù)合土釘支護(hù)”)控制支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形。本文對水泥土墻與土釘墻結(jié)合的基坑支護(hù)方案的模擬效果進(jìn)行了有關(guān)的模擬與分析[4]。

1 基坑支護(hù)的原理

基坑的變形或應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)是支護(hù)結(jié)構(gòu)與土體的共同作用的問題，隨著基坑開挖的逐步進(jìn)行，支護(hù)結(jié)構(gòu)與土體的相互作用是一個(gè)漸變的過程。在深基坑的土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要保持邊坡的穩(wěn)定，土釘?shù)拈L度至少要穿過最危險(xiǎn)滑動面[5]。否則，土釘支護(hù)起不到加固的作用。而最危險(xiǎn)滑動面的位置會隨著土釘長度有一個(gè)動態(tài)變化過程。因此需要根據(jù)土釘?shù)拈L度變化來搜索最危險(xiǎn)滑動面，固定的土釘長度，搜索出的最危險(xiǎn)滑動面安全系數(shù)稍大于規(guī)定值，土釘長度達(dá)到優(yōu)化效果[8]。計(jì)算中把最危險(xiǎn)滑動面靠近開挖面一側(cè)土釘墻部分叫做被動區(qū)，最危險(xiǎn)滑動面另一側(cè)叫做主動區(qū)，土釘墻被動區(qū)段土體對土釘?shù)膫?cè)阻力指向開挖面，主動區(qū)段土體對土釘?shù)膫?cè)阻力遠(yuǎn)離開挖面[9](如圖1)。

圖1 土釘支護(hù)及受力簡圖

圖2 基坑北側(cè)的監(jiān)測點(diǎn)布置圖

2 工程概況

擬建建筑含有地下車庫工程，建筑場地位于太原市并州路與并州東街交匯處東南角，場地原為一廠房，建筑總面積約10萬m2。

2.1 場地工程地質(zhì)條件

場地地貌單元屬汾河?xùn)|岸Ⅱ級階地與東山山前洪積扇前緣交界地帶(如表1)。

2.2 地下水

勘察期間為豐水期，實(shí)測地下穩(wěn)定水位位于自然地表下13.40～14.50m間,相應(yīng)高程785.02～785.21m，地下水類型為潛水，水位隨季節(jié)性變化，變化幅度在1.00m左右，水流流向由東向西，受大氣降水及側(cè)向逕流補(bǔ)給。

2.3 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)

根據(jù)現(xiàn)有的監(jiān)測資料對北邊的基坑側(cè)壁的沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行整理得出：如圖2為基坑北側(cè)的監(jiān)測點(diǎn)的布置。

根據(jù)相關(guān)的監(jiān)測數(shù)據(jù)的處基坑側(cè)壁的沉降圖如圖3。

由圖3可以看出基坑的側(cè)壁的土體的沉降除了受本身的支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響之外，還隨著距基坑邊角的距離越遠(yuǎn)，相應(yīng)的沉降增大，這是由于基坑的邊角效應(yīng)所致。所以在本次模擬的建模是采用基坑側(cè)壁中心的最危險(xiǎn)截面截取了寬度為1.2米的寬度建立了單元體模型。

圖3 基坑側(cè)壁的沉降規(guī)律

表1 基坑范圍內(nèi)土層的相關(guān)參數(shù)

圖4 基坑支護(hù)的剖面圖

圖5 基坑土層的分層示意圖

將上述截面作為基坑支護(hù)的一個(gè)典型剖面作為分析。此剖面的基坑深度為12m，采用土釘墻支護(hù)及水泥土墻支護(hù)相互結(jié)合的支護(hù)方式，支護(hù)剖面如圖4，上部9m按1:0.6進(jìn)行放坡，豎向方向每隔1.5m設(shè)置一道土釘，長度從上往下依次為9m、9m、9m、15m、9m、15m。在9m深的地方設(shè)置3m寬的平臺，然后進(jìn)行水泥土攪拌樁的施工，水泥土攪拌樁長8m,然后是下部的3m開挖，每隔1.2m設(shè)置一排土釘，土釘?shù)拈L度為9m。其中土釘均采用的是直徑22mm的二級鋼筋，預(yù)應(yīng)力錨索則采用了3根7束的直徑15.2mm的1860級鋼絞線。土釘在施工過程中一定要嚴(yán)格按照分步分層進(jìn)行施工。

3 FLAC3D的建模過程

3.1 FLAC3D簡介

FLAC3D軟件是由美國ITASCA國際咨詢與軟件開發(fā)公司在FLAC基礎(chǔ)上開發(fā)的三維數(shù)值分析軟件，可用于模擬三維土體、巖體或其他材料體力學(xué)特性，尤其是達(dá)到屈服極限的塑性流變特性，是一種強(qiáng)大的巖土分析軟件[2]。FLAC3D包括11中材料本構(gòu)模型及5種計(jì)算模式，模型有空單元模型、三種彈性模型(各向同性、正交各向異性和橫向各向同性)、七種塑性模型(摩爾-庫侖模型、應(yīng)變硬化/軟化模型、Drucker-Prager模型、多節(jié)理模型、雙線應(yīng)變硬化/軟化多節(jié)理模型、D-Y模型、修正的劍橋模型)。計(jì)算模式有靜力模式、動力模式、蠕變模式、滲流模式、溫度模式[2]。計(jì)算模擬時(shí)根據(jù)情況選擇適合、合理的模型及合理的計(jì)算模式，以使得模擬結(jié)果與實(shí)際盡可能相符合。

3.2 建模過程

文中以上述的太原市某基坑為原模型進(jìn)行了模擬，模擬中建模采用的是FLAC3D中的內(nèi)置網(wǎng)格，土體的本構(gòu)模型采用摩爾-庫侖模型[1]，按照實(shí)際基坑的開挖順序進(jìn)行建模，其中土釘?shù)哪M采用了FLAC3D的內(nèi)置模擬單元——錨索單元[2]。另水泥土攪拌樁采用了實(shí)體單元進(jìn)行模擬，對水泥土攪拌樁范圍內(nèi)的實(shí)體單元設(shè)置與實(shí)際工程中相近的參數(shù)進(jìn)行模擬，土體的相關(guān)參數(shù)參考勘察報(bào)告及有關(guān)經(jīng)驗(yàn)取值，如表1。土釘所采用的相關(guān)參數(shù)如表2。根據(jù)上述表格賦予相應(yīng)的土體參數(shù)，并根據(jù)設(shè)計(jì)當(dāng)中的土釘、錨索的長度及位置設(shè)置相應(yīng)的錨索單元。因地下水位處于地表以下13.40～14.50m的位置，而基坑深度為12m，因此在建模過程中未考慮地下水的影響，采用的是FLAC3D中的常規(guī)計(jì)算模式。為使模型的底部為更接近實(shí)際，進(jìn)行了X、Y、Z三個(gè)方向的約束，而側(cè)向只約束X、Y兩個(gè)方向。上部只進(jìn)行了Y方向的約束[3]。相關(guān)的參數(shù)設(shè)置如表2。從而得出相應(yīng)的土體模型如圖5。

圖6 土釘墻計(jì)算土體變形圖

表2 土釘?shù)膮?shù)

4 土釘墻的計(jì)算分析

根據(jù)上述支護(hù)方案采用flac3d軟件對本基坑進(jìn)行模擬，得出土體的變形結(jié)果如圖6。

從圖6可以看出基坑周邊的最大沉降在2cm～4.0cm左右，與實(shí)際當(dāng)中的監(jiān)測結(jié)果(表2)相近，可見，從數(shù)值模擬和監(jiān)測角度都得出土釘墻支護(hù)對于12m深的基坑在一定程度上是適用的。

5 結(jié)論與展望

5.1 結(jié)論

根據(jù)上述分析及比較可以得出，在土層參數(shù)較好的情況下，可以考慮采用土釘墻進(jìn)行深基坑的支護(hù)，如果基坑的邊長比較長時(shí)，支護(hù)時(shí)應(yīng)考慮基坑時(shí)空效應(yīng)，在基坑邊的中心處應(yīng)適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)支護(hù)。

5.2 展望

文章在計(jì)算時(shí)只考慮了土體的變形，沒有充分考慮土釘?shù)氖芰^程，土釘?shù)拈L度是否可以進(jìn)行優(yōu)化，受力是否可以更加合理。可以將計(jì)算結(jié)果與相應(yīng)的檢測結(jié)果進(jìn)行對比分析。

[1]孫書偉,林杭,任連偉.FLAC3D在巖土工程中的應(yīng)用[M].中國水利水電出版社,2011.

[2]彭文斌.FLAC3D實(shí)用教程[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

[3]陳育民,徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎(chǔ)與工程實(shí)例[M].中國水利水電出版社,2009.

[4] 《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》JGJ120-99,中華人民共和國建設(shè)部,1999.

[5]錢家歡,殷宗澤.土工原理與計(jì)算(第二版)[M].南京:中國水利水電出版社,1996.

[6]李愛民.深基坑土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化研究[D].武漢科技大學(xué),2006.

[7]吳忠誠,湯連生.深基坑復(fù)合土釘墻支護(hù)FLAC-3D模擬及大型現(xiàn)場原位測試研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2006,S1:1460-1465.

[8]董誠,鄭穎人.深基坑土釘和預(yù)應(yīng)力錨桿復(fù)合支護(hù)方式的探討[J].巖土力學(xué),2009,12:3793-3796+3802.

[9]魏煥衛(wèi),韓學(xué)民.變形協(xié)調(diào)情況下土釘墻內(nèi)力和位移的計(jì)算方法[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2013,01(增1)7:2758-2763.

賀永俊,山西省勘察設(shè)計(jì)研究院,副總工程師,高級工程師。