考慮軟弱夾層的土釘墻設(shè)計參數(shù)對基坑變形與穩(wěn)定性影響分析

曹程明,時軼磊,龍 照,閆文進(jìn)

(1.甘肅中建市政工程勘察設(shè)計研究院有限公司,甘肅 蘭州 730000; 2.中國市政工程西北設(shè)計研究院有限公司,甘肅 蘭州 730000)

土釘墻基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)因其施工方便、造價低廉、支護(hù)效果好而在基坑支護(hù)工程中得到普遍運(yùn)用[1]。在各類基坑工程中,受地層分布的影響,難免會遇到局部存在軟弱夾層的情況,此時采用相同的土釘設(shè)計參數(shù)往往會出現(xiàn)局部不能滿足變形、穩(wěn)定性要求的現(xiàn)象,因而需在該區(qū)段對土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。根據(jù)現(xiàn)有研究以及工程經(jīng)驗,影響基坑變形與穩(wěn)定性的土釘參數(shù)主要有土釘長度、水平間距、豎向間距、成孔直徑、土釘傾角以及土釘直徑等。有必要針對上述因素對基坑穩(wěn)定性影響程度進(jìn)行深入的研究分析。

目前,國內(nèi)外學(xué)者對土釘墻的加固機(jī)理以及受力性能已取得了一定的研究成果。徐幫樹等[2]借助FLAC3D有限差分軟件并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù),對土釘和預(yù)應(yīng)力錨索組成的復(fù)合土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了開挖、支護(hù)和施工全過程的三維動態(tài)模擬分析。羅熙來等[3]以實際工程為背景,建立FLAC3D計算模型,對基坑開挖過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移實測值和模擬值進(jìn)行了對比分析；林志強(qiáng)等[4]通過設(shè)定不同的土體強(qiáng)度,并以單位墻長工程造價為目標(biāo)函數(shù),采用嵌套的遺傳算法分析土體強(qiáng)度對土釘墻參數(shù)及經(jīng)濟(jì)性的影響,得到了土體強(qiáng)度的變化對土釘墻參數(shù)及經(jīng)濟(jì)性影響的變化規(guī)律；周勇等[5]分析了土釘鉆孔直徑、水平傾角以及土釘間距等設(shè)計參數(shù)對土釘長度的影響；張欽喜等[6]通過FLAC建立土釘墻數(shù)值模型,分別計算了土釘和面層連接、土釘傾角、土釘長度布設(shè)和土釘間距對不同坡度基坑變形的影響；李國慶等[7]基于室內(nèi)土工試驗,建立了邊坡坡角為60°的模型,通過試驗研究了荷載作用下,土釘長度、土釘傾角、土釘數(shù)量、土釘位置等4種參數(shù)對邊坡坡頂沉降、邊坡滑坡模式的影響；張宗領(lǐng)等[8]以某深基坑土釘+水泥土攪拌樁復(fù)合土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)為依托,分析了土釘水平間距和微預(yù)應(yīng)力對復(fù)合土釘墻工作性能的影響；吳順等[8]結(jié)合工程實例,對土釘墻的支護(hù)形式以及基坑開挖和圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工中應(yīng)注意的問題進(jìn)行了研究；何淵等[10]利用ABAQUS有限元軟件建立了土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)的三維有限元模型,分析了基坑變形與土釘軸力的變化規(guī)律；陳飛[11]對基坑土釘?shù)闹ёo(hù)機(jī)理與土釘內(nèi)力進(jìn)行了現(xiàn)場試驗研究；文獻(xiàn)[12-13]中研究結(jié)果表明,軟土地區(qū)基坑開挖對基坑穩(wěn)定性以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力均有嚴(yán)重不利影響。

為了研究土釘墻支護(hù)參數(shù)中土釘長度、水平間距以及豎向間距變化對局部存在軟弱夾層的基坑穩(wěn)定性的影響程度,采用水平條分法進(jìn)行了土釘墻支護(hù)基坑的穩(wěn)定性計算,然后結(jié)合具體工程實例,采用PLAXIS 3D軟件建立存在軟弱夾層的土釘墻三維有限元模型,分析不同土釘長度、水平間距與豎向間距對基坑水平位移與整體穩(wěn)定性的影響。對比分析以上各因素對基坑穩(wěn)定性的影響程度,為基坑局部存在軟弱夾層時如何進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供一定的參考依據(jù)。

1 土釘墻穩(wěn)定性計算

1.1 基本假定與計算模型建立

采用水平條分法建立土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)計算模型,并進(jìn)行基坑穩(wěn)定性計算。土釘墻穩(wěn)定性計算模型見圖1，圖1(a)中O為坐標(biāo)原點,沿基坑縱向取單位長度進(jìn)行計算,破裂面假定為圓弧滑移面。按照一定的厚度對潛在滑移面以內(nèi)的土層進(jìn)行水平分條,在不同土層分界面處進(jìn)行條分,從而可考慮軟弱夾層的影響。

1.2 穩(wěn)定性計算

圖1中Ei、Ei+1為水平條塊i兩側(cè)的法向力;

圖1 土釘墻穩(wěn)定性計算模型Fig.1 Stability calculation model of soil nailing wall

Xi、Xi+1為水平條塊i的條間剪力;ci、φi分別為條塊i的粘聚力和內(nèi)摩擦角;αi為條塊i滑移面處切線與水平面的夾角;wi為條塊i土體質(zhì)量；li為條塊i滑移面處弧長；Tmj為第m道土釘受拉荷載標(biāo)準(zhǔn)值；β為土釘與水平面的夾角。假設(shè)土條i的穩(wěn)定性安全系數(shù)為Fsi,則土條底所受剪力為

(1)

根據(jù)土條i受力平衡,由Fy=0得

Ei+Sisinαi+Nicosαi-Ei+1-Wi-Tmjsinβ=0。

(2)

同理,沿水平方向力的平衡方程可得

Xi+Sicosαi+Tmjcosβ-Xi+1-Nisinαi=0。

(3)

將式(2)代入式(1),整理得

(4)

將式(3)代入式(4),整理得

Nitanφi+Tmjsin (αi+β)tanφi)。

(5)

由于Xi、Xi+1為水平條塊i的條間剪力,條間剪力的總合力為0。

則由式(5)化簡整理得

Fs=

(6)

Rmj≥Tmj×Ft，

(7)

其中：Rmj為第j層土釘軸向拉力標(biāo)準(zhǔn)值。式(6)即為土釘墻穩(wěn)定性安全系數(shù)計算公式,其中

Tmj=ξeajkSxjSyj/cosαj,

(8)

Rmj=πdj∑qsk,jLj,

(9)

(10)

(11)

其中:ζ為墻面傾斜時的主動土壓力折減系數(shù);Lj為土釘在滑移面以外的長度。

由以上公式計算可得,土釘墻穩(wěn)定性安全系數(shù)與土釘長度和布置間距均存在直接關(guān)系。

2 工程算例

以蘭州東部科技新城大名城二期10-2地塊基坑工程為背景,基坑開挖深度介于7.7～9.0 m之間?？紤]基坑周邊環(huán)境、地層條件以及基坑的穩(wěn)定性要求,在基坑北側(cè)、西側(cè)采用土釘墻支護(hù)?；又ёo(hù)典型剖面如圖2所示。由于該場地軟弱夾層分布范圍與厚度差異較大,土釘水平間距、豎向間距以及長度根據(jù)計算結(jié)果進(jìn)行分區(qū)段設(shè)計,確保滿足基坑穩(wěn)定性與變形要求的同時降低支護(hù)造價。

圖2 土釘墻典型剖面(單位:mm)Fig.2 Typical profile of soil nailing wall (unit:mm)

3 有限元模型建立

PLAXIS 3D有限元軟件可通過設(shè)置不同鉆孔參數(shù)模擬土層不同厚度的空間分布,從而可建立局部存在軟弱夾層的有限元模型。研究中有限元模型以上述典型剖面為背景,設(shè)置不同的軟弱土層分布范圍與厚度,并調(diào)整模型中土釘設(shè)置參數(shù),進(jìn)行土釘墻穩(wěn)定性計算。

3.1 計算模型

基坑開挖的影響深度約為基坑開挖深度的2～3倍,影響寬度約為基坑開挖深度的3～4倍?？紤]到基坑支護(hù)的對稱性以及三維計算的簡便性,取一個側(cè)面進(jìn)行建模。模型基坑開挖深度為9.0 m,因此模型的長、寬、高分別取60 m、50 m、20 m。通過在模型中設(shè)置不同的鉆孔深度,可進(jìn)行不同厚度軟弱夾層的設(shè)置。建立三維有限元模型如圖3所示,土釘布置如圖4所示。為分析不同土釘參數(shù)對基坑穩(wěn)定性的影響,在有限元模型中對土釘水平、豎向間距、長度進(jìn)行調(diào)整,并分別進(jìn)行計算。

圖3 有限元模型Fig.3 Finite element model

圖4 支護(hù)結(jié)構(gòu)布置Fig.4 Support structure layout

3.2 土體本構(gòu)關(guān)系

有限元模型中土體采用摩爾庫倫本構(gòu)模型。在有限元模型中土體采用10節(jié)點四面體單元模擬,土釘采用3節(jié)點線單元模擬,面層采用等效剛度折算的6節(jié)點板單元,土與支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用采用12節(jié)點界面單元模擬。通過設(shè)置界面參數(shù)模擬土與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用。

3.3 計算參數(shù)選取

根據(jù)工程場地巖土工程勘察報告并結(jié)合當(dāng)?shù)毓こ探?jīng)驗,模型中各土層參數(shù)如表1所列。

表1 巖土體參數(shù)Table 1 Table of soil parameters

4 有限元計算結(jié)果分析

4.1 基坑變形分析

分析軟弱夾層對土釘墻變形與穩(wěn)定性的影響。根據(jù)有限元計算結(jié)果,得到開挖至基底時水平位移分布云圖如圖5所示。

圖5 基坑水平位移云圖Fig.5 Horizontal displacement cloud map of foundation pit

由圖5可知,水平位移沿基坑深度呈先增大后減小的趨勢,在軟弱夾層分布位置產(chǎn)生突變,并達(dá)到最大值，為58 mm,說明軟弱夾層的厚度對基坑變形起決定性作用。因此,在局部存在軟弱夾層的基坑工程中,應(yīng)將軟弱夾層處的位移作為控制條件,使其滿足變形要求,以確?；釉陂_挖過程中的安全、穩(wěn)定性。

4.2 土釘間距對基坑變形的影響分析

為了分析土釘設(shè)置間距對基坑變形的影響,通過建立不同土釘水平、豎向間距的有限元模型,計算得到不同模型中心位置沿基坑深度方向的水平位移變化曲線如圖6所示。

圖6 土釘間距對開挖面水平位移影響Fig.6 Influence of soil nail spacing on horizontal displacement of excavation surface

由圖6可知,隨著土釘間距的減小,水平位移隨之減小。當(dāng)土釘水平、豎向間距由1.5 m減小到1.2 m時,最大水平位移由65 mm分別減小到58 mm和61 mm。當(dāng)土釘水平、豎向間距均減小為1.2 m時,最大水平位移降低為55 mm，說明土釘水平間距減小對基坑的變形影響相對更明顯。根據(jù)《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》要求，安全等級為二級的土釘墻最大水平位移不大于60 mm，因此,在局部存在軟弱夾層的區(qū)段,可通過適當(dāng)調(diào)整土釘布置參數(shù)對設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化,從而使基坑變形滿足相關(guān)規(guī)范要求。

4.3 土釘長度對基坑變形的影響分析

根據(jù)計算結(jié)果發(fā)現(xiàn),基坑底部土釘長度變化對其變形影響較小,且會造成較大的支護(hù)成本增加。因此僅改變前4排土釘?shù)拈L度建立不同的有限元模型進(jìn)行計算,得出不同土釘長度下基坑水平位移沿深度的變化曲線如圖7所示。

圖7 土釘長度對開挖面水平位移影響Fig.7 Influence of soil nail length on horizontal displacement of excavation surface

由圖7可知,隨著土釘長度的增加,基坑水平位移逐漸減小。但當(dāng)土釘長度較長時,基坑水平位移變化不再明顯。

根據(jù)具體有限元計算結(jié)果可得,土釘長度由6 m加長到8 m時,最大水平位移由67 mm減小為56 mm,降幅為16.4%;長度由8 m加長到10 m時,最大水平位移由56 mm減小為52 mm,降幅為7.14%;長度由10 m加長到12 m時,最大水平位移由52 mm減小為51 mm,降幅為1.92%。表明土釘長度超過約1.2倍基坑深度后,增加土釘長度對基坑變形影響不大,反而會造成支護(hù)成本的增加。因此考慮到實際施工中各影響因素,建議最大土釘長度不應(yīng)超過基坑深度的1.5倍,且土釘應(yīng)按上長下短形式布置。

4.4 土釘設(shè)計參數(shù)對基坑穩(wěn)定性的影響分析

(1) 土釘長度與間距對基坑穩(wěn)定性的影響 為了分析土釘設(shè)計參數(shù)對基坑穩(wěn)定性的影響,分別建立了不同土釘間距以及長度的有限元模型,對計算得出的穩(wěn)定性安全系數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計分析,結(jié)果如圖8所示。

圖8 基坑安全系數(shù)與土釘布置參數(shù)關(guān)系曲線Fig.8 Relation curve between foundation pit safety factor and soil nail parameters

由圖8可知,對于相同土釘間距的模型,隨著土釘長度的增加,穩(wěn)定性安全系數(shù)具有一定的提高,但增加速率逐漸變小,說明土釘長度較大時,安全系數(shù)趨于穩(wěn)定值。當(dāng)土釘長度由5.0 m加長到9.0 m時,安全系數(shù)由1.235增加到1.349,提高了9.23%;而當(dāng)土釘長度由9.0 m加長到12.0 m時,安全系數(shù)由1.349增加到1.358,僅提高了0.67%,這也說明了土釘長度超過約1.2倍基坑深度后,繼續(xù)增加土釘長度對基坑穩(wěn)定性幾乎沒有影響。

由圖8中不同曲線還可知,隨著土釘水平、豎向間距減小基坑穩(wěn)定性安全系數(shù)也有一定的提高,但影響較小。當(dāng)土釘長度為9.0 m時,土釘水平、豎向間距由1.5 m均減小到1.2 m,最大安全系數(shù)由1.349增大到1.355,提高了0.44%。因此當(dāng)基坑局部穩(wěn)定性不滿足要求時,應(yīng)首選通過在一定范圍內(nèi)加長土釘并適當(dāng)調(diào)整土釘布置間距進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

(2) 不同排土釘長度變化對基坑穩(wěn)定性的影響 為了分析不同排土釘長度變化對基坑穩(wěn)定性的影響,在模型中分別調(diào)整不同排土釘長度,進(jìn)行有限元計算。不同情況下穩(wěn)定性安全系數(shù)變化曲線如圖9所示。

由圖9可知,加長不同排土釘,基坑安全系數(shù)變化具有一定差異。當(dāng)分別加長第1排到第4排土釘時,其最大穩(wěn)定性安全系數(shù)分別為1.331、1.337、1.334、1.327。由此可知,第2排土釘加長時基坑穩(wěn)定性安全系數(shù)變化最明顯,而第4排土釘加長對安全系數(shù)影響最小。這也與變形計算結(jié)果相一致。

圖9 不同位置土釘長度對基坑穩(wěn)定性影響Fig.9 Influence of soil nail length at different position on foundation pit stability

4.5 各影響因素對比分析

通過對以上不同影響因素下基坑變形與穩(wěn)定性計算結(jié)果對比分析得出,對于土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu),土釘長度是影響基坑變形與穩(wěn)定性的主要因素,并且加長上部土釘加固效果更明顯。

雖然由式(9)得出土釘水平、豎向間距對基坑穩(wěn)定性具有同等程度的影響，但根據(jù)計算結(jié)果發(fā)現(xiàn),土釘水平間距與豎向間距的變化對土釘支護(hù)基坑的穩(wěn)定性具有不同程度的影響,土釘水平間距減小對基坑穩(wěn)定性安全系數(shù)的提高相對更明顯。不同模型最大水平位移在軟弱夾層位置發(fā)生突變并達(dá)到最大值,說明對于存在軟弱夾層的基坑工程,應(yīng)將該位置作為變形控制指標(biāo)并進(jìn)行支護(hù)設(shè)計。

5 結(jié)論

通過建立不同的土釘墻模型,分別進(jìn)行了基坑變形與穩(wěn)定性計算,分析了土釘長度、水平間距與豎向間距變化對基坑變形以及穩(wěn)定性的影響,得出如下結(jié)論:

(1) 在所分析的影響因素中,土釘長度是影響基坑變形與穩(wěn)定性的主要因素。在一定范圍內(nèi)增加土釘長度,能夠使基坑穩(wěn)定性安全系數(shù)明顯得到提高,基坑變形隨之降低。當(dāng)土釘長度超過基坑深度約1.2倍之后,繼續(xù)增加土釘長度對基坑穩(wěn)定性的影響不明顯。

(2) 不同位置土釘長度增加對基坑穩(wěn)定性影響具有一定差異。加長基坑中上部土釘(尤其是第2排土釘)對基坑的穩(wěn)定性安全系數(shù)影響最明顯。

(3) 土釘水平、豎向間距對基坑的變形與穩(wěn)定性具有不同程度影響?；臃€(wěn)定性安全系數(shù)隨著土釘水平、豎向間距的減小而增大。水平間距對基坑穩(wěn)定性影響更為明顯。

(4) 研究了土釘水平、豎向間距以及土釘長度變化對基坑穩(wěn)定性的影響情況。對于存在局部軟弱夾層的基坑工程,當(dāng)局部采用土釘墻支護(hù)不能滿足要求時,可首先考慮采用加長上部土釘長度進(jìn)行加強(qiáng),其次可以減小土釘水平間距或者豎向間距進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,以達(dá)到在滿足穩(wěn)定性的前提下降低支護(hù)費(fèi)用的目的。