李連祥 ，王春華 ，周婷婷 ，扈學波，張樹龍

（1. 山東大學 土建與水利學院，山東 濟南 250061；2. 山東大學 基坑與深基礎(chǔ)工程技術(shù)研究中心, 山東 濟南 250061）

1 引 言

復合土釘墻廣泛應用于各類基坑支護工程中，其中基坑直立開挖時常用到攪拌樁與土釘組合、攪拌樁與土釘和錨桿組合、微型樁與土釘組合、微型樁與土釘和錨桿組合、微型樁、止水帷幕和錨桿與土釘墻組合等幾種組合方式[1－2]。對于微型樁和帷幕共同存在情況下微型樁的位置對支護結(jié)構(gòu)的影響目前還沒有相關(guān)的研究，在相關(guān)規(guī)范中關(guān)于復合土釘墻的設(shè)計理論還相當缺乏，如《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》[3]、《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》[4]在土釘墻設(shè)計中沒有考慮微型樁和帷幕的作用，在《復合土釘墻基坑支護技術(shù)規(guī)范》[5]中僅僅是考慮到帷幕和微型樁的抗剪作用，并沒有涉及到微型樁其他作用以及位置的影響，遇到此類問題時對于微型樁位置的確定有相當?shù)拿つ啃院碗S意性， 因此開展相關(guān)研究來獲得微型樁不同位置對復合土釘墻變形及受力特征的影響，對于推進基坑復合土釘墻理論和應用，幫助實際工程正確處理復合土釘墻結(jié)構(gòu)構(gòu)造具有一定意義。

2 復合土釘墻及計算模型

2.1 復合土釘墻

工程位于京滬高鐵濟南西站附近，基坑深度為10.56 m，因環(huán)境限制，須直立開挖。基坑邊坡采用土釘墻與預應力錨索、微型樁、截水帷幕結(jié)合的復合土釘墻支護結(jié)構(gòu)（見圖1）。微型樁樁徑為180 mm，樁長14 m，間距為0.7 m。土釘成孔直徑為130 mm，錨索成孔直徑為150 mm，自由段長5 m。采用深層攪拌樁截水帷幕，樁長18 m，帷幕厚800 mm。

圖1 基坑支護設(shè)計剖面圖(單位: mm)Fig.1 Foundation pit supporting design (unit: mm)

根據(jù)巖土工程勘察報告，基坑邊坡支護結(jié)構(gòu)相關(guān)土層及計算參數(shù)見表1。

表1 土層力學參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of soils

2.2 監(jiān)測概況

現(xiàn)場布置2個監(jiān)測點，其中A點處微型樁位于帷幕外側(cè)，B點處微型樁位于帷幕內(nèi)側(cè)。兩個監(jiān)測點處設(shè)置坡頂水平位移和沉降、深層水平位移，土釘內(nèi)力等測點。

2.3 數(shù)值模型

2.3.1 模型范圍

針對微型樁和帷幕的不同位置，分別建立數(shù)值模型來進行分析。模型A、B分別對應監(jiān)測點A、B。

模型高度取3倍的基坑開挖深度，高30 m。邊坡前后尺寸均為30 m，取3倍的基坑開挖深度，模型長度取一個支護單元。圖2 為模型網(wǎng)格。四面采用可動滾軸支座邊界條件約束側(cè)向變形，底面采用固定支座以約束豎直方向變形，頂面為自由面。

圖2 模型網(wǎng)格及土釘、錨桿布置Fig.2 Mesh of soil and soil nailing, anchor cable of model

模型中土體、帷幕采用實體單元模擬，采用摩爾-庫侖模型計算，錨索及土釘采用錨索單元來模擬，采用梁單元來模擬樁頂冠梁及腰梁，采用樁單元來模擬微型樁，采用襯砌單元來模擬面層。

2.3.2 參數(shù)設(shè)置

土層的參數(shù)按照表1取值，其中體積模量K和剪切模量G通過巖土勘察報告提供的壓縮模量計算得出[6－8]，計算公式為

式中： E為彈性模量[9－10]（一般取10～20倍的壓縮模量）。

微型樁：彈性模量為20 GPa，泊松比為0.22，截面積為 0.025 4 m2，截面慣性矩為5.15×10－5m4，樁土接觸面摩擦角為14.4°。面層：彈性模量為20 GPa，泊松比為 0.25，厚 0.08 m。帷幕：水泥摻入量為16%，水灰比為0.45～0.50，變形模量為3.13 GPa。土釘彈性模量為200 GPa，抗拉強度為360 MPa；錨索彈性模量195 GPa，抗拉強度為1 320 MPa。水泥漿黏結(jié)強度0.25 MPa，水泥漿黏結(jié)剛度為20 MPa。

3 結(jié)果分析

3.1 位移

（1）坡頂水平位移

由于場地條件限制，僅在坡頂冠梁上設(shè)置了位移監(jiān)測點。圖3為沉降位移實測圖。2個監(jiān)測點的沉降變化趨勢基本一致，但 A點的沉降要大于 B點。數(shù)值計算結(jié)果兩種模型沉降變化也一致，但沉降值基本相同。

圖3 現(xiàn)場監(jiān)測沉降位移圖Fig.3 Measured settlement displacement diagram

為考慮荷載因素的影響，分別在模型坡頂位置施加30 kPa和60 kPa的荷載，如圖4所示。在基坑開挖支護完成后模型 A的豎向位移為 2.54、4.04 mm，大于模型B的2.5。3.92 mm，與實測結(jié)果比較一致，可以判斷模型A沉降偏大。

圖4 加載時數(shù)值模擬沉降位移Fig.4 Calculated settlement displacements in loading

（2）坡頂水平位移

圖5為現(xiàn)場監(jiān)測的水平位移。2個監(jiān)測點水平位移變化趨勢基本一致，但A點水平位移略小于B點。無載時數(shù)值計算結(jié)果可以參考圖6中深度為0處的水平位移，從圖中可以看出，模型A坡頂水平位移在3種工況下均小于模型B。

圖5 水平位移隨時間變化趨勢Fig.5 Horizontal displacement trends with time

模型荷載為30 kPa時，開挖支護完成后模型A水平位移為7.11 mm小于模型B的11.6 mm，但荷載為60 kPa時模型模型A坡頂最大水平位移達到16.2 mm，大于模型B。

從實測及計算沉降、水平位移來看，本文均處于文獻[11]所列符合土釘墻變形范圍之中。

（3）深層水平位移

圖6 深層水平位移Fig.6 Deep horizontal displacements

實測深層水平位移中B點在施工中破壞，A點正常測量，圖6為深層水平位移圖。圖中，實測深層水平位移的曲線是以最深點為基準，測量的是坡面相對于測斜管最深點的相對位移，因此最深處位移為0。對比模型A、B兩種支護形式，從無載計算結(jié)果來看其側(cè)向位移趨勢基本一致，且位移大小相差不大，整體來看模型A位移略小。

從水平位移變形曲線來看，各工況開挖面以上均呈鼓肚狀，這種變形趨勢也基本符合復合土釘墻這種支護形式的變形規(guī)律[12－14]。實測曲線與計算曲線存在差別，分析其原因是由于施工現(xiàn)場影響因素較多，如臨時荷載堆放、局部超挖、水位變化、施工質(zhì)量等因素，這些因素具有不可預見性，在數(shù)值模擬中無法考慮，從而造成兩者出現(xiàn)差異。

圖7為加載30 kPa和60 kPa時深層水平位移圖。加載30 kPa時，基坑開挖支護完成后，模型A最大水平位移為14.4 mm，大于模型B的14.1 mm，加載為60 kPa時，模型A最大水平位移為20.9 mm，同樣大于模型B的19.4 mm。

圖7 加載時深層水平位移Fig.7 Deep horizontal displacements in loading

從以上豎向及水平位移分析來看，當坡頂無載時模型A坡頂水平位移略小，但模型B沉降位移和加載情況下的最大水平位移要小于模型A。且考慮到實際情況中坡頂不可避免的要有荷載，因此可以判斷模型B在實際中位移更小。

3.2 土釘軸力

圖8為無載時基坑開挖支護完成后土釘軸力分布。土釘軸力沿釘長曲線呈現(xiàn)出兩端小，中、前部軸力大的形狀，其中，越靠近下層的土釘，其最大軸力點越開挖面，這種分布趨勢與文獻[12，14－15]所述復合土釘墻中土釘軸力分布形式基本一致。

圖8 各層土釘計算軸力Fig.8 Calculated axial forces of soil nailing

對比兩種模型來看，土釘軸力分布模式基本一致，兩種模型的軸力大小也基本一致，但除第一層土釘?shù)妮S力模型B大于模型A外，其余各層土釘模型A軸力略大。圖9為基坑開挖支護完成現(xiàn)場實測的土釘軸力圖。從圖中可以看出，兩者相差很小，互有高低，并沒有出現(xiàn)哪種模型軸力均大于另一種的情況。

圖9 各層土釘實測軸力Fig.9 Measured axial forces of soil nailing

實測中鋼筋應力計放置在理論滑動面處，不能反映軸力沿全長的分布規(guī)律，也不能確定軸力最大位置處，但可看出實測軸力值要大于計算值，同樣是由于現(xiàn)場的影響因素復雜，計算中均未考慮這些因素的影響。

圖10為加載30 kPa時基坑開挖支護完成后各層土釘軸力圖。圖中模型A各層土釘?shù)妮S力均大于模型B。

圖10 加載30 kPa時各層土釘計算軸力Fig.10 Measured axial force of soil nailing in a loading level of 30 kPa

從土釘軸力來看，模型A土釘軸力大，可以看出微型樁的不同位置對兩種構(gòu)件的土釘受力影響是比較大的，模型B對于支護來說比較有利。

4 結(jié) 論

（1）兩種支護模式下支護結(jié)構(gòu)的沉降、水平位移以及深層水平位移變形規(guī)律基本一致，無載時位移大小差別不大，但在荷載存在時微型樁位于帷幕內(nèi)側(cè)情況下位移相對更小。

（2）兩種支護模式土釘軸力的分布趨勢一致，無載時兩種模型差別不明顯，但受荷時微型樁位于帷幕外側(cè)情況下土釘軸力更大，土釘作為主要受力構(gòu)件且抗拉、抗拔能力較差，改善土釘?shù)氖芰χёo有利，可以判斷微型樁位于內(nèi)側(cè)時土釘受力更為合理。

微型樁的位置對于復合土釘墻支護結(jié)構(gòu)的變形、內(nèi)力還是有一定影響的，總體上變形、受力趨勢基本一致。在坡頂無荷載時，微型樁位于帷幕內(nèi)側(cè)還是外側(cè)差異還不是很明顯，但坡頂受荷時，微型樁位于帷幕內(nèi)側(cè)時位移更小，土釘受力更為合理，考慮到在實際工程中坡頂一般都存在荷 載，因此微型樁位于帷幕內(nèi)側(cè)更為合理，建議實際工程優(yōu)先采用。

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