蘇 亮

（湖南水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 長沙市 410131）

引 言

土釘技術(shù)作為一種主動受力支擋結(jié)構(gòu)出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代，是用于加固土體和保持邊坡穩(wěn)定的一種新型內(nèi)部加固技術(shù)，具有經(jīng)濟、可靠和施工快等優(yōu)點，因此應(yīng)用十分廣泛[1-4]。然而很多傳統(tǒng)的基坑土釘支護工程設(shè)計中，雖然采用的各種方法尋找滑動面的具體位置，但是最終的設(shè)計方案均采用等長度的土釘對基坑進行加固處理[5-8]。雖然這種傳統(tǒng)的方法很好地解決了基坑穩(wěn)定性的問題，但是設(shè)計僅僅基于經(jīng)驗而缺乏合理的科學(xué)依據(jù)，且傳統(tǒng)的設(shè)計方法往往造成材料的浪費，因此，很有必要對基坑土釘支護工程進行優(yōu)化設(shè)計。

1 算例分析

1.1 模型尺寸、邊界條件、材料參數(shù)設(shè)定

某調(diào)水工程一建筑基坑開挖深度為10m，其計算區(qū)域幾何尺寸和分析模型如圖1所示，該基坑底部土體為均質(zhì)土體，基坑內(nèi)部無地下水及滲流等水頭作用。在基坑開挖過程中按照設(shè)計要求采用5層土釘對該基坑進行支護，其中每層土釘?shù)脑O(shè)計長度均為8m，土釘在基坑內(nèi)部橫向布置間距為1m，縱向布設(shè)間距為1.5m，第一層土釘距離地表距離為2m。

圖1 土釘支護分析模型

1.2 數(shù)值計算結(jié)果分析

由于該基坑距離相對較長，且斷面尺寸在長距離范圍內(nèi)基本保持不變，因此在用商業(yè)軟件對基坑土釘支護進行數(shù)值計算的過程中，假定該基坑為平面應(yīng)變問題，在二維范圍內(nèi)進行數(shù)值計算。

該工程土釘支護的前后數(shù)值計算模型如圖2所示，本計算模型的邊界處理過程中，參考工程的實際情況，在模型左右兩側(cè)施加橫向位移約束，在模型底部施加縱向位移約束，未開挖側(cè)頂部受一均布荷載。在數(shù)值計算過程中，土體采用傳統(tǒng)的摩爾庫倫模型，混凝土層選用線彈性本構(gòu)模型，土體、地基及混凝土的材料性能參數(shù)如表1。

圖2 支護前后數(shù)值計算模型

表1 材料參數(shù)表

通過數(shù)值計算可得該基坑工程在利用土釘支護前后的安全系數(shù)值及滑動區(qū)域的相對大小如圖3所示。通過圖中數(shù)據(jù)可知，基坑在未加固之前安全系數(shù)為0.630，處于極不安全的狀態(tài)，在利用設(shè)計方案對工程加固之后，基坑安全系數(shù)明顯增大，邊坡處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖3 支護前后數(shù)值計算結(jié)果

3 安全系數(shù)的敏感性分析

由圖3中所示的基坑土釘支護后數(shù)值模擬結(jié)果可知，由于土體內(nèi)部的滑動面大致呈弧形，而設(shè)計支護方案中采用相等長度的土釘進行基坑加固，這一設(shè)計方案雖然很好地提高了基坑的安全性和穩(wěn)定性，但是也導(dǎo)致了基坑底部位置的土釘由于超出滑動弧面距離過長而處于“閑置”狀態(tài)。這種傳統(tǒng)的設(shè)計方法不僅導(dǎo)致材料的浪費，而且增加了工程施工的工作量，因此筆者借助敏感性分析方法針對這一問題進行了優(yōu)化。

3.1 土釘布設(shè)角度、間距及長度對安全系數(shù)影響

土釘外部參數(shù)設(shè)置對基坑穩(wěn)定性的敏感性分析中，以基坑的安全系數(shù)為研究對象，采用單因素分析法探究基坑安全系數(shù)隨土釘?shù)慕嵌取㈤g距及長度變化過程中的變化規(guī)律。

選取與上文相同的基坑模型及材料力學(xué)特性參數(shù)對基坑穩(wěn)定性進行數(shù)值計算，在保持土釘斷面面積、力學(xué)性能參數(shù)、支護數(shù)目等條件不變的情況下，分別選取土釘支護的角度、間距以及長度作為變動因素，探究不同支護方案下的邊坡穩(wěn)定性，具體計算工況的設(shè)定如表2。

表2 土釘支護單因素分析表

通過數(shù)值計算可得不同工況條件下的基坑安全系數(shù)隨土釘角度、間距和長度的變化曲線如圖4所示。由圖中數(shù)據(jù)可知，土釘間距、長度保持不變時，基坑安全系數(shù)隨土釘支護角度變化大致呈線性變化，但是變化幅度相對較??；當(dāng)土釘支護角度、長度為保持不變時，基坑安全系數(shù)隨土釘間距變化大致呈線性變化，且變化幅度比較明顯；當(dāng)土釘支護角度、間距保持不變時，基坑安全系數(shù)隨土釘長度變化大致呈線性變化，變化幅度較大。因此在土釘支護設(shè)計中應(yīng)優(yōu)先考慮土釘長度和布設(shè)間距兩個因素，次要考慮土釘支護角度。

3.2 土釘支護優(yōu)化設(shè)計

為了充分利用材料節(jié)省工期及工程成本，以未加任何支護的基坑滑動面為基礎(chǔ)，參考滑動面使土釘?shù)拈L度依次遞減且成弧形排布，以此減少基坑底部土釘?shù)娜哂嗖糠?，使所有材料均能在支護過程中有效地發(fā)揮作用。以該調(diào)水工程為例進行優(yōu)化設(shè)計，通過數(shù)值計算可得基坑未加支護時的最大滑動面如圖4所示，按照支護設(shè)計方案選取支護點進行弧形邊長度土釘支護如圖5所示，已知該滑動弧面的圓心及半徑并結(jié)合計算模型的尺寸參數(shù)可得圖中從上到下各層支護土釘?shù)拈L度分別為：13.5m、11.8m、10 m、8.0m、5.4m。

圖4 土釘布設(shè)參數(shù)敏感性分析圖

圖5 土釘支護優(yōu)化設(shè)計圖

為了與傳統(tǒng)的等長土釘支護設(shè)計方案進行對比分析，筆者選取傳統(tǒng)方式的土釘支護角度為0°，間距為1.5m，支護土釘長度為8m。在兩種方法的對比分析中，保持土釘支護總長度保持不變，利用等比關(guān)系計算可得弧形遞減支護方式下各層土釘?shù)拈L度依次為：11.2m、9.8m、8.3m、6.6m、4.5m。

通過數(shù)值計算可得兩種條件下的土釘支護結(jié)果如圖6所示，傳統(tǒng)支護方式的基坑安全系數(shù)為1.113，與優(yōu)化后的基坑支護方式所得安全系數(shù)1.228相比較而言明顯偏小。通過圖中安全系數(shù)在0～1.25范圍內(nèi)的滑動面范圍對比分析可知，采用新型支護方式后的基坑滑動面安全系數(shù)明顯提高，對基坑的安全穩(wěn)定更加有利，證明這種新型的支護方法較傳統(tǒng)的方式更優(yōu)。

圖6 不同支護效果對比分析

4 結(jié) 論

本文以某調(diào)水工程中的基坑支護工程為例，利用數(shù)值計算的方法說明了土釘支護在提高基坑安全穩(wěn)定性方面的有效性。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合影響基坑穩(wěn)定性的土釘外部參數(shù)的敏感性分析，得到了該工程基坑安全系數(shù)隨土釘支護各因素變化的規(guī)律性方程。最后，提出了基于基坑原始滑動面的土釘支護優(yōu)化設(shè)計方案，并與傳統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計方案進行了同等條件下的對比分析，結(jié)果表明新型的土釘支護方案有效可行且效果更優(yōu)，可為后期工程設(shè)計及基坑穩(wěn)定性防治提供有效的參考依據(jù)。

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