復(fù)合土釘支護(hù)轉(zhuǎn)角有利影響范圍

張宗領(lǐng)+王士革+劉林超

摘要：基坑復(fù)合土釘墻轉(zhuǎn)角處有明顯的空間效應(yīng)，受力變形較小，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)有利，但不清楚轉(zhuǎn)角定量的有利影響范圍，目前設(shè)計(jì)中仍按照與基坑中部一樣保守設(shè)計(jì)，為在此范圍內(nèi)降低土釘用量，避免保守設(shè)計(jì)，對(duì)水泥土攪拌樁復(fù)合土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)建立了全尺寸整體三維有限元模型，這種模型包含基坑的轉(zhuǎn)角，能考慮基坑的空間效應(yīng)，通過(guò)建立接觸面單元，能考慮土體和攪拌樁、土體和土釘?shù)南嗷プ饔茫炕治隽嘶愚D(zhuǎn)角對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)受力和變形的有利影響范圍，計(jì)算結(jié)果表明，基坑轉(zhuǎn)角對(duì)開挖面水平位移、地表沉降、坑底隆起、土釘軸力的有利影響范圍分別約為1.3、1、1、1.2倍的開挖深度。經(jīng)與實(shí)際工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值對(duì)比，驗(yàn)證了該模型分析結(jié)果的可靠性，同時(shí)分析結(jié)果優(yōu)于平面二維和局部三維有限元模型，結(jié)論為復(fù)合土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和安全施工提供了理論依據(jù)和研究方法。

關(guān)鍵詞：復(fù)合土釘支護(hù)；基坑轉(zhuǎn)角；有利影響范圍；量化分析；有限元分析

中圖分類號(hào)：TU476文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：16744764（2017）03010708

Abstract：Foundation pit corner of composite soil nailed wall has obvious spatial effect. Supporting structure near foundation pit corner is safer due to smaller stress and deformation， Whilst at present quantitative beneficial affected area of foundation pit corner to the supporting structure are not known and designs are the same in the middle and the corner of foundation pit. In order to reduce the material consumption and avoid overcautious design， the construction process of excavation and supporting of the composite soil nailed wall of soil nailing and cementsoil piles for deep foundation excavation was simulated through establishing a whole threedimensional finite element model，which includes the corner of the foundation pit and can consider spatial effect of corner location and the interaction between soil nailing，cementsoil piles and soil through establishing interface elements. Beneficial affected area of foundation pit corner to stress and deformation of the supporting structure is analyzed and quantified. The calculation results show that beneficial affected area of foundation pit corner to the horizontal displacement of excavation face， the subsidence displacement of the ground beside the foundation pit，the bottom heave displacement and the axial forces of soil nails are about 1.3 times， 1 times， 1 times， 1.2 times of the excavation depth. Whole threedimensional finite element calculation results are basically consistent with those of the field test data and are more reliable than twodimensional or local threedimensional. These conclusions can provide theory basis and research method for optimization design and safety construction of composite soil nailed wall.

Keywords：composite soil nailed wall；foundation pit corner；beneficial affected area；quantitative analysis； finite element analysis

在有一定自立能力和較大摩阻力的土層中土釘支護(hù)得到了廣泛應(yīng)用，但在一些不良土層（如軟土、松散砂土）中或?qū)ψ冃斡袊?yán)格要求的情況下，純土釘支護(hù)難以湊效，近年來(lái)又發(fā)展了土釘和水泥攪拌樁、超前微樁、錨桿等組成的復(fù)合土釘支護(hù)[14]。其中以土釘+水泥土攪拌樁復(fù)合土釘最具代表性。

由于有限元程序在基坑工程設(shè)計(jì)和分析中提供的信息量非常豐富。近年來(lái)，很多學(xué)者采用有限元法對(duì)復(fù)合土釘支護(hù)進(jìn)行了研究，得到了一些有益的成果。劉日成等[3]、俞縉等[5]分別對(duì)土釘+水泥土攪拌樁、土釘+錨索復(fù)合土釘墻建立了二維有限元模型，分析了支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力和變形。李彥初等[6]對(duì)土釘+錨索、土釘+鋼管樁復(fù)合土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)建立了局部三維有限元模型，分析了土釘?shù)妮S力和開挖面的水平位移。潘泓等[7]建立了土釘+水泥土攪拌樁復(fù)合土釘墻的整體三維有限元模型，定性分析了轉(zhuǎn)角對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響。

復(fù)合土釘局部三維有限元模型和整體三維有限模型從模型尺寸上講都是三維有限元模型，但局部三維模型沿坑壁的計(jì)算尺寸取的是一倍的土釘水平間距，且一般取偏離轉(zhuǎn)角處的基坑中部，不能分析基坑轉(zhuǎn)角處的受力和變形，而整體三維模型的計(jì)算尺寸取的是整個(gè)基坑大小（若基坑雙向?qū)ΨQ，可取四分之一），且包含基坑的轉(zhuǎn)角，能更好的考慮基坑的空間效應(yīng)，可全面分析基坑各處的受力和變形。

從以上可知，采用有限元法研究，前人對(duì)復(fù)合土釘墻建立的二維或局部三維模型均不包含基坑轉(zhuǎn)角，不能考慮基坑轉(zhuǎn)角處的空間效應(yīng)[89]，更不能定量分析轉(zhuǎn)角的有利影響范圍，前人建立的整體三維有限元模型僅定性分析了轉(zhuǎn)角對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響，沒有分析對(duì)受力的影響，也沒有定量分析轉(zhuǎn)角的有利影響范圍。針對(duì)這些問題，本文利用有限元軟件ADINA，基于工程實(shí)例，對(duì)土釘+水泥土攪拌樁復(fù)合土釘墻建立了全尺寸整體三維有限元計(jì)算模型，模擬了開挖和支護(hù)的施工過(guò)程，量化分析了基坑轉(zhuǎn)角對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)受力和變形的有利影響范圍，以期為復(fù)合土釘墻的優(yōu)化設(shè)計(jì)和安全施工提供參考。

1工程概況和支護(hù)方案

西安高新區(qū)某商住樓工程，地下2層，地上15層，建筑場(chǎng)地東西長(zhǎng)約70 m，南北寬約40 m，基礎(chǔ)類型為承臺(tái)下鉆孔灌注樁。基坑開挖深度為自然地面下8.2 m，地質(zhì)條件：1）素填土：層厚1.30～350 m。2）黃土：可塑，很濕～飽和，中壓縮性土，層厚0.30～1.60 m。3）黃土：軟塑～流塑，飽和，高壓縮性土，層厚1.30～2.50 m。4）黃土：軟塑，局部為流塑，飽和，中偏高壓縮性土，層厚6.10～6.80 m。5）古土壤：可塑～軟塑，中壓縮性土，層厚3.30～520 m。6）粉質(zhì)粘土：硬塑～可塑，中偏低壓縮性上，層厚20 m。地下水埋深3～4 m，屬潛水。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、開挖深度和水文地質(zhì)條件，結(jié)合以往該地區(qū)基坑圍護(hù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)基坑的東側(cè)和北側(cè)采用了土釘+水泥土攪拌樁復(fù)合土釘支護(hù)，垂直開挖，采用單排直徑0.65 m攪拌樁作為超前支護(hù)，樁間搭接0.15 m，樁長(zhǎng)12 m，共設(shè)置五排土釘，從上往下土釘長(zhǎng)度分別為12、12、12、9、9 m，土釘水平和豎向間距均為1.5 m，土釘傾角均為12°。采用鉆孔注漿式土釘，鉆孔直徑為100 mm，土釘鋼筋采用直徑為25 mm的HRB335螺紋鋼筋，基坑側(cè)壁掛網(wǎng)噴射100厚混凝土面層，復(fù)合土釘支護(hù)剖面如圖1所示。

2整體三維有限元模型的建立

2.1計(jì)算域、邊界條件

為了節(jié)約計(jì)算時(shí)間，同時(shí)又能考慮基坑的整體空間作用，根據(jù)基坑的對(duì)稱性，僅取包含轉(zhuǎn)角的基坑的1/4（35 m×20 m）進(jìn)行分析，模型仍屬整體三維有限元模型。根據(jù)前人的分析結(jié)果[10]，基坑開挖影響寬度約為開挖深度的3～4倍，影響深度約為開挖深度的2～4倍。取整體三維有限元的尺寸為64 m×49 m×33 m，相當(dāng)于向基坑X、Y（寬度）方向擴(kuò)展了3.5倍的開挖深度，向基坑Z（深度）方向擴(kuò)展了3倍的開挖深度。邊界條件：底部為固定邊界，側(cè)面為滑移邊界，頂面為自由邊界。

2.2模型參數(shù)

在有限元分析中，考慮到軟土的特性及復(fù)合土釘墻的工作性狀，參考目前國(guó)內(nèi)外同類研究方法[1114]，土體采用摩爾庫(kù)倫模型，即按彈性理想塑性材料考慮，屈服面為多邊形，盡管不能考慮材料的硬化特征，但由于其參數(shù)簡(jiǎn)單，容易獲得，目前在有限元分析中還是應(yīng)用最為廣泛的土體本構(gòu)模型，根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告計(jì)算模型取用的土層計(jì)算參數(shù)見表1。分析中對(duì)樁模型作了一定的簡(jiǎn)化，用厚度0.6 mm的水泥土連續(xù)墻代替水泥土攪拌樁，鋼筋混凝土面層和水泥土連續(xù)墻均按線彈性材料考慮，其計(jì)算參數(shù)見表2。土釘采用rebar桿單元，按線彈性材料考慮，其彈性模量按鋼筋考慮，其計(jì)算參數(shù)見表3。

2.3土體和攪拌樁、土體和土釘?shù)南嗷プ饔?/p>

由于攪拌樁和土體剛度相差較大，在開挖過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)、脫離，甚至出現(xiàn)裂縫，土體和土釘之間也會(huì)產(chǎn)生滑移，整體三維模型利用ADINA軟件提供的接觸面單元，考慮土體和土釘以及土體和攪拌樁的相互作用。接觸面單元為無(wú)厚度接觸摩擦型單元，通過(guò)在接觸面上同一位置處設(shè)置編號(hào)不同的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，每對(duì)節(jié)點(diǎn)之間采用具有切向和法向剛度的“彈簧”相連接，使該單元承受切線方向的剪應(yīng)力與法線方向的法向應(yīng)力。接觸面單元的切向剛度取為100 kN/m3，法向剛度取為4×104 kN/m3。

2.4開挖、支護(hù)施工過(guò)程的模擬

基坑的開挖和支護(hù)，涉及結(jié)構(gòu)材料的減少或增加，可利用ADINA軟件提供的“生”（單元?jiǎng)偠葹?）、“死”（單元?jiǎng)偠葹?）功能實(shí)現(xiàn)，且剛度可在1～0之間線性變化，ADINA的單元“死亡”功能對(duì)單元（材料）剛度的處理與其它軟件不同，其剛度的變化不是瞬間完成，而是在用戶指定的一個(gè)時(shí)間段從真實(shí)剛度降低到零，這更加符合工程實(shí)際。

除水泥土攪拌樁是預(yù)先施工外，基坑開挖與土釘支護(hù)都分步完成，共分5步，第1步開挖2 m，第2、3、4、5步挖深分別為1.5、1.5、1.5、1.7 m。每步開挖后，鉆孔，置入土釘，注漿，掛網(wǎng)，噴射混凝土面層。有限元模擬的開挖步數(shù)、每步開挖的深度均與實(shí)際施工過(guò)程相一致。

最終建立的開挖前的整體三維有限元模型如圖2所示，土釘+水泥土攪拌樁分布形式如圖3所示。

3有限元模擬結(jié)果及分析

3.1轉(zhuǎn)角對(duì)開挖面水平位移影響范圍分析

圖4為最后一步支護(hù)完成后基坑北側(cè)開挖面水平位移云圖。圖5為最后一步支護(hù)完成后距基坑轉(zhuǎn)角距離分別為1、3、5、7、9、11、13 m處開挖面水平位移隨深度變化曲線。從以上兩圖可以看出：

上部水平位移小，中下部水平位移大，呈“鼓肚”形分布，這與許多學(xué)者的結(jié)論是一致的[1516]。最大水平位移約為0.5%倍的開挖深度，與文獻(xiàn)[17]中結(jié)論一致。

2）基坑轉(zhuǎn)角處的開挖面水平位移很小，隨著距轉(zhuǎn)角距離的增加水平位移逐漸增大，到達(dá)一定距離后水平位移增加緩慢直至不增加，分析其原因，是由于轉(zhuǎn)角處兩個(gè)方向的開挖面互為支撐，這種支撐作用使轉(zhuǎn)角處的土體更穩(wěn)定，有效的約束了轉(zhuǎn)角處的開挖面水平位移，到達(dá)一定距離后這種支撐作用減弱直至消失。

3）距轉(zhuǎn)角距離超過(guò)11 m后，開挖面水平位移曲線基本重合，說(shuō)明轉(zhuǎn)角的支撐作用基本消失，因此，此距離為轉(zhuǎn)角對(duì)水平位移的有利影響范圍。

4）隨著距轉(zhuǎn)角距離的增大水平位移的增大是呈非線性的，分析其原因，這與土體的非均勻性有關(guān)，各種不同物理參數(shù)和力學(xué)特性的土層組合成的土體造成了這種非線性。

圖6為最后一步支護(hù)完成后開挖面中下部（距地表6.5 m處）從基坑轉(zhuǎn)角到遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)角的開挖面水平位移變化圖。開挖面水平位移隨距基坑轉(zhuǎn)角距離的增加而增加，大約在距轉(zhuǎn)角11 m（約1.3倍的挖深）處達(dá)到與中部相同，結(jié)論與圖5一致，也即基坑的轉(zhuǎn)角效應(yīng)對(duì)開挖面水平位移的影響范圍約為1.3倍的開挖深度。

在基坑轉(zhuǎn)角影響范圍內(nèi)，可通過(guò)增大土釘間距或減小鋼筋直徑或減小鋼筋長(zhǎng)度等措施來(lái)降低土釘用量，避免保守設(shè)計(jì)，以達(dá)到節(jié)約工程成本的目的。

3.2轉(zhuǎn)角對(duì)坑后地表沉降影響范圍分析

圖7為最后一步支護(hù)完成后地表沉降云圖，圖8為不同開挖階段地表沉降曲線，從圖可以看出：

各個(gè)開挖階段的地表沉降曲線均呈勺子形狀，最大沉降值出現(xiàn)在距開挖面7 m左右，約為開挖深度的0.85倍。隨著開挖的進(jìn)行，最大沉降點(diǎn)略向坑邊前移，這可能由于下部土體較軟的原因。最大沉降位置隨挖深增加向坑邊的前移，也導(dǎo)致了開挖面中下部水平位移較大。

2）基坑轉(zhuǎn)角附近的地表沉降明顯小于遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)角處的地表沉降，分析其原因，是由于轉(zhuǎn)角處兩個(gè)方向的開挖面互為支撐，這種支撐作用有效的約束了地表沉降。

圖9為最后一步支護(hù)完成后基坑?xùn)|側(cè)距開挖面6 m處（即最大沉降處）從基坑轉(zhuǎn)角到基坑中部的地表沉降變化圖。由圖可以看出，地表沉降隨距基坑轉(zhuǎn)角距離的增加而增加，大約在距轉(zhuǎn)角8 m（約1倍的挖深）處達(dá)到與中部相同，也即基坑的轉(zhuǎn)角效應(yīng)對(duì)地表沉降的影響范圍約為1倍的開挖深度。

3.3轉(zhuǎn)角對(duì)坑底隆起影響范圍分析

圖10為最后一步支護(hù)完成后坑底隆起云圖，從圖10可以看出：基坑轉(zhuǎn)角附近的坑底隆起明顯小于別處，分析其原因，是由于轉(zhuǎn)角處兩個(gè)方向的開挖面互為支撐作用，這種支撐有效的約束了坑底隆起。

圖11為不同開挖階段非轉(zhuǎn)角處坑底隆起曲線，從圖11可以看出，非轉(zhuǎn)角處的開挖面底部對(duì)坑底隆起的影響范圍約為6.5 m（約0.7倍的挖深）。

圖12為最后一步支護(hù)完成后從基坑轉(zhuǎn)角到基坑中心的坑底隆起變化圖。從圖12可以看出，坑底隆起隨距基坑轉(zhuǎn)角距離的增加而增加，大約在距轉(zhuǎn)角8 m（約1倍的挖深）處達(dá)到與中部相同，也即基坑的轉(zhuǎn)角效應(yīng)對(duì)坑底隆起的影響范圍約為1倍的開挖深度。

3.4基坑轉(zhuǎn)角對(duì)土釘軸力影響范圍分析

圖13、14為最后一步支護(hù)完成后各排土釘軸力圖，可看出：

1）中下部土釘軸力較大，這與開挖面中下部水平位移較大的分布規(guī)律基本一致。

2）基坑轉(zhuǎn)角處的各排土釘軸力明顯小于遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)角處的土釘軸力，分析其原因，是由于轉(zhuǎn)角處兩個(gè)方向的開挖面互為支撐作用，這種支撐約束了開挖面的水平位移，保護(hù)了土體的穩(wěn)定性，也使土釘軸力變小了。

圖15為最后一步支護(hù)完成后從基坑轉(zhuǎn)角到遠(yuǎn)離基坑轉(zhuǎn)角方向各排土釘軸力的變化圖。由圖可以看出，各排土釘軸力隨距基坑轉(zhuǎn)角距離的增加而增加，大約在距轉(zhuǎn)角9.5 m（約1.2倍的挖深）處達(dá)到與中部相同，也即基坑的轉(zhuǎn)角效應(yīng)對(duì)土釘軸力的影響范圍約為1.2倍的開挖深度。

3.5現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證整體三維有限元模擬結(jié)果的可靠性和精度，除了實(shí)測(cè)值驗(yàn)證外，本文還建立了局部三維有限元模型和二維有限元模型和其進(jìn)行對(duì)比。圖16、17分別為基坑北側(cè)某水平位移觀測(cè)點(diǎn)和基坑?xùn)|側(cè)某地表沉降觀測(cè)點(diǎn)在每步開挖支護(hù)完成后的實(shí)測(cè)值與模擬分析值的對(duì)比圖，模擬值包括整體三維有限元模型模擬值、局部三維有限元模型模擬值、二維有限元模型模擬值。

1水平位移觀測(cè)點(diǎn)和沉降觀測(cè)點(diǎn)是在開挖支護(hù)前布的點(diǎn)，實(shí)測(cè)值測(cè)的是從開挖到支護(hù)完成后的位移，模擬值提取的也是從開挖到支護(hù)完成后的位移，模擬值和實(shí)測(cè)值理論上應(yīng)該相等，但由于輸入的土體等材料參數(shù)和實(shí)際的偏差，測(cè)點(diǎn)的具體位置與模擬中的精確位置的偏差，以及模型的抽象簡(jiǎn)化，這些因素都會(huì)使模擬值和實(shí)測(cè)值有一定差別。

從圖16和圖17中可以看出，整體三維有限元模型模擬值無(wú)論在數(shù)值上還是在形態(tài)上均接近實(shí)測(cè)值，且計(jì)算結(jié)果的精度優(yōu)于局部三維和二維有限元模型，說(shuō)明建立的攪拌樁+土釘復(fù)合土釘支護(hù)整體三維有限元計(jì)算模型是符合工程實(shí)際的，計(jì)算結(jié)果是可靠的，可以運(yùn)用于實(shí)際工程的分析和預(yù)測(cè)。

4結(jié)論

通過(guò)對(duì)西北黃土地區(qū)基坑土釘+水泥土攪拌樁復(fù)合土釘支護(hù)進(jìn)行整體三維有限元分析，主要得到以下結(jié)論：

1）模型不僅能考慮基坑的空間效應(yīng)，而且能考慮樁土、釘土間的相互作用，經(jīng)與實(shí)測(cè)值比較，分析結(jié)果可靠，且優(yōu)于局部三維和二維有限元模型。

2）基坑轉(zhuǎn)角處兩個(gè)方向開挖面后的攪拌樁和土體互為支撐，這種支撐作用有效的約束了支護(hù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)角處的受力和變形，使轉(zhuǎn)角處更穩(wěn)定、更安全。

3）量化分析了基坑轉(zhuǎn)角對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)受力和變形的有利影響范圍?；愚D(zhuǎn)角對(duì)開挖面水平位移的影響范圍約為1.3倍的開挖深度，對(duì)地表沉降的影響范圍約為1倍的開挖深度，對(duì)坑底隆起的影響范圍約為1倍的開挖深度，對(duì)土釘軸力的影響范圍約為1.2倍的開挖深度。

4）在轉(zhuǎn)角影響范圍內(nèi)，可根據(jù)影響的大小以及距基坑轉(zhuǎn)角的遠(yuǎn)近適當(dāng)減少土釘?shù)挠昧恳越档凸こ淘靸r(jià)。

5）所分析的基坑轉(zhuǎn)角為陰角，至于基坑陽(yáng)角的空間效應(yīng)需要進(jìn)一步研究。

6）由于巖土有地域性特點(diǎn)，隨著土體物理和力學(xué)參數(shù)的變化，本文得到的一些定量結(jié)論也會(huì)發(fā)生一些變化，這需要繼續(xù)研究。

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（編輯胡玲）