高鳳懷+付連安+張志豪

【摘要】針對16 m深基坑工程的所采用的超前微型樁+錨索的復合土釘支護方案為例，采用FLAC—2D程序，選用理想彈塑性Mohr-Coulomb屈服準則，模擬了基坑開挖與支護的過程，并對復合土釘與普通土釘兩種支方案護的進行了比較。計算分析表明該復合土釘支護方案能有效地控制基坑變形，通過現(xiàn)場監(jiān)測結果表明，實際工程中采用超前微型樁+錨索的復合土釘支護方案是技術可行的，同時表明數(shù)值模擬結果是合理的。

【關鍵詞】復合土釘；超前微型樁；預應力錨索；數(shù)值模擬

【Abstract】Pointed to 16 m in deep foundation pit engineering of composite soil nailing with the advanced micro-pile and anchor support scheme， ，F(xiàn)LAC-2D method with elastic-plastic Mohr-Coulomb yield criterion is applied to simulat the excavation and supporting of foundation pit， and comparisons of displacement cures in composite soil nailing with soil nailing . Calculation and analysis show that the composite soil nailing support scheme can effectively control the deformation of foundation pit，. Comparisons with the field monitoring results confirm the composite soil nail scheme and the behavior analyzed by FLAC-2D.

【Key words】Composite soil nail；Advanced micro-pile；Pre-stressed anchor wire；Numerical simulation

1. 前言

隨著高層建筑和地下空間的利用和發(fā)展，我國的深基坑工程日益增多，而且工程規(guī)模和技術要求的難度越來越大，傳統(tǒng)的土釘支護方法由于其局限性已不能滿足當前發(fā)展的需要。復合土釘支護作為對傳統(tǒng)土釘技術的繼承和發(fā)展，是一種新型、靈活多變、適用范圍更廣的巖土組合支護結構，它克服了傳統(tǒng)土釘?shù)脑S多局限性，具有廣闊的發(fā)展前景。但是目前國內(nèi)外對復合土釘支護的研究無論在理論分析設計還是在工程實踐方面都還不夠成熟與完善，對復合土釘支護的作用機理、穩(wěn)定性分析的研究尚處于初級階段。

本文采用FLAC—2D數(shù)值模擬，對基坑的復合土釘與普通土釘?shù)膬煞N支護方案的位移和應力分布情況進行探討和分析，對工程實踐有一定的指導意義。

2. 工程概況

21某基坑工程，主樓高35層，4層地下室，開挖設計深度16.0 m?；幽蟼扔懈邏弘娎|箱涵及煤氣管道平行通過，高壓電纜箱涵埋深4 m，寬度約為2 m，緊臨基坑，煤氣管道位于箱涵外側，埋深1.5 m，基坑邊線距公路4 m。

2.2擬建場地原始地貌為殘丘坡地，第四系覆蓋層有填土、粉質(zhì)黏土及殘積礫質(zhì)黏性土，基底為燕山晚期不同風化程度的花崗巖。場地各土層分布極不均勻，變化起伏很大，基巖埋深10～18 m。

2.3場地地下水有兩種類型：（1）上層滯水，主要賦存于雜填土層的孔隙中，水量一般不大；（2）潛水-承壓水，賦存于殘積礫質(zhì)黏性土中和風化基巖裂隙中?？辈炱陂g地下水位為2 m。

3. 基坑支護方案

基坑深16m，地面均布超載10 KN/m2，采用微型樁+預應力錨索的復合土釘支護方案。主要設計參數(shù)：

（1）土釘孔徑100 mm，采用25mmⅡ 級螺紋鋼，傾角15°。

（2）鋼管樁130 mm，間距為0.33 m，樁長16.5 m，樁頂設300 mm×300 mm冠梁。

（3）錨索采用2X75鋼絞線，fptk=1860 N/mm2，每排錨索設一道20號槽鋼作為腰梁。

（4）坡面布設8@200 mm×200 mm鋼筋網(wǎng)，噴射C20厚20 cm混凝土?；庸こ痰湫推拭鎴D和復合土釘支護設計參數(shù)分別見圖1和表1。

4. 數(shù)值模擬

4.1模型的建立。

將基坑巖土體均視為均質(zhì)體，將計算區(qū)域劃分為若干四節(jié)點平面應變等參單元，選用理想彈塑性Mohr-Coulomb屈服準則。根據(jù)基坑的對稱性取基坑中線一側的區(qū)域作為計算域，計算域為長60 m，高20 m共分為60X40=2400個單元。模型的左邊界和右邊界為單向約束邊界，模型的底邊界作為荷載邊界，其中側邊限制在水平方向上的位移，底邊界則限制兩個方向的位移。

4.2計算參數(shù)的選取。

分析中把土釘支護簡化為平面應變問題，則土釘實際被等效為單位寬度的薄層；土釘和錨索采用cable單元來模擬，面層采用beam單元；將微型樁和砼面層作為整體等效為噴砼材料的連續(xù)墻體，并按照抗彎剛度相等的原則確定。場地巖土體物理力學參數(shù)見表2。

4.3基坑分步開挖。

FLAC程序采用空單元模擬開挖土體，在每次開挖后自動生成等效釋放荷載。基坑底部及邊壁土體在開挖時的力學狀態(tài)變化，視為原始應力場由土體開挖而應力釋放所引起的。根據(jù)分步施工工藝，將開挖和支護深度作為本步模擬的計算深度，整個工程可分為8個工序，每步開挖深度為2 m。

5. 數(shù)值模擬結果分析

5.1水平位移（土釘支護水平位移等值線圖見圖3，復合土釘支護水平位移等值線圖見圖4，水平位移深度曲線見圖5）。endprint

基坑未開挖前，土體在自重應力及周邊載荷的長期作用下已處于穩(wěn)定狀態(tài)，因此，模擬開挖時，視其運動速度、水平方向和垂直方向位移為零。即在施加完土體自重應力后，認為此時土體是穩(wěn)定的。

由圖可見，復合土釘比傳統(tǒng)土釘支護基坑邊壁水平位移小很多?；禹敳康乃轿灰圃谑┘宇A應力錨索后明顯減小，頂部位移值由35mm降低至11mm，基坑邊壁最大水平位移值由45 mm降低至12.7 mm，從而符合設計要求。兩種類型的土釘支護的坑壁最大水平位移均位于中下部，與一般認為的土釘支護的最大位移在基坑頂部有所不同。當基坑開挖深度較深時，宜設置多排預應力錨桿。

5.2垂直位移（見圖6、圖7、圖8）。

由圖可見，基坑頂部的豎向位移在施加預應力錨索及超前微型后明顯減小，頂部位移值由樁22mm降低至6mm，基坑邊壁最大位移值由25 mm降低至7 mm，位移明顯降低。

（1）在基坑開挖與支護過程中，兩種方案基坑底部都有明顯回彈，其最大回彈部位發(fā)生在基坑中部，且基坑底部有隆起的趨勢。

（2）基坑坡頂?shù)牡孛娉两笛仉x開邊壁距離呈曲線分布，隨著離開坡面的距離的增加而呈先增加而逐漸減小的形勢；隨著基坑開挖時步的進行，基坑頂面都有一定的沉降增量，坡頂呈現(xiàn)先隆起而后沉降的趨勢，并且沉降增量的最大值的位置有向外移動的趨勢。

5.3土體剪應力（見圖9、圖10）。

由圖可見，在預應力錨索作用處及坡腳處有剪應力集中區(qū)，其中，坡腳處的剪應力集中現(xiàn)象較為嚴重，由圖9知傳統(tǒng)土釘支護坡腳處的土體已處于屈服狀態(tài)，因此，基坑的坡腳處是破壞的危險區(qū)域，在支護結構的設計與施工中，嚴禁基坑的超挖，設計中應加強對坡角的設計。

5.4土體塑性區(qū)分布（見圖11、圖12）。

由圖知，普通土釘支護的坡腳處的土體已處于屈服狀態(tài)，并且在支護土體內(nèi)部產(chǎn)生了較大的塑性屈服區(qū)，塑性屈服區(qū)與坡頂和坡角的拉應力區(qū)相連通，說明此時基坑已經(jīng)處于破壞狀態(tài)，而復合支護方案基坑土體塑性屈服點較少，以上說明預應力錨索可以控制土體塑性區(qū)的發(fā)展，使得邊坡有更大的安全儲備，確?；拥陌踩?/p>

6. 結語

6.1通過FLAC-2D模擬基坑開挖與支護的施工過程，采用微型鋼管樁+預應力錨索的復合土釘支護比普通土釘支護具有明顯的優(yōu)越性，確保了支護工程的安全與經(jīng)濟并重的設計原則。

6.2基坑水平位移隨著開挖深度的增加呈先增大而逐漸減小的趨勢，并且兩種支護方案的最大位移均發(fā)生在中下部，當基坑開挖深度較大時，復合加固部分發(fā)揮了明顯的作用，有效地控制了基坑變形的發(fā)展。

6.3基坑地面沉降沿邊壁呈曲線分布，隨著離開坡面的距離的增加而呈先增加而后逐漸減小的趨勢；隨著基坑開挖時步的進行，基坑頂面都有一定的沉降增量，坡頂呈現(xiàn)先隆起而后沉降的趨勢，并且沉降增量的最大值的位置有向外移動的趨勢。

6.4預應力錨桿設置在基坑的上部對邊坡水平位移的控制效果較好；并且邊坡水平位移隨著錨桿預加力的增大呈減小的趨勢；當基坑開挖深度較大且變形較嚴格時，可設置多排預應力錨桿，能有效的控制邊坡位移。

6.5超前微型樁使基坑坡頂?shù)淖畲笏轿灰坪妥畲蟪两盗慷加辛嗣黠@的減少?；娱_挖與支護過程中，超前微型樁維持了土體臨空面土體的臨時自穩(wěn)性，減少了邊坡土體的應力釋放程度，控制了土體變形的進一步發(fā)展。

參考文獻

[1]高鳳懷，齊偉等.復合土釘在深基坑支護中的應用.世界地質(zhì)，2005，24（3）：297～300.

[2]張欽喜，朱緒平，潘旭亮等.復合土釘?shù)脑O計和應用實例.土木工程學報，2004，37（5）：65～69.

[3]曾祥勇，鄧安福.錨索與錨桿聯(lián)合錨固支護巖坡的有限元分析.巖土力學，2007，28（4）：790～794.

[4]宋二祥，邱玥.基坑復合土釘支護的有限元分析.巖土力學，2001，22（3）：241～245.

[5]陳靜.土釘支護數(shù)值模擬.土工基礎，2005，19（3）：67～70.

[文章編號]1619-2737（2015）01-013-488

[作者簡介] 高鳳懷（1976-），男， 籍貫：山東人，學歷：碩士，職稱：工程師，主要從事巖土工程勘察及巖土工程設計工作。endprint