摘 要：在黃土地區(qū)深基坑支護(hù)中應(yīng)用較為廣泛的就是土釘墻支護(hù)，研究黃土地區(qū)深基坑土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形特性對深基坑本身和周邊環(huán)境的安全具有重要的實(shí)際工程意義?；诖?，以黃土地區(qū)某市民住宅深基坑為工程背景，利用Midas GTS有限元軟件，通過控制土釘強(qiáng)度、土釘嵌入角度、土釘長度和土釘間距這四類設(shè)計(jì)參數(shù)，開展土釘墻支護(hù)參數(shù)對深基坑的變形特性研究。結(jié)果表明，對基坑側(cè)壁產(chǎn)生水平位移及基坑外地表沉降影響最大的設(shè)計(jì)參數(shù)是土釘長度，其次是土釘嵌入角度，對基坑變形影響最小的設(shè)計(jì)參數(shù)是土釘強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：黃土地區(qū)；深基坑；土釘墻支護(hù)；MIDAS GTS軟件

中圖分類號(hào)：TU753 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-6903（2024）08-0041-05

0 引言

超高層建筑能緩解住房困難問題，但對其下的深基坑有較高的技術(shù)要求[1]。在眾多的基坑支護(hù)形式中，土釘墻支護(hù)方案被廣泛應(yīng)用。土釘墻為柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)，在黃土地區(qū)使用較廣，具有施工相對簡便、造價(jià)較低、安全性比較高的優(yōu)點(diǎn)[2，3]。黃土地區(qū)深基坑支護(hù)技術(shù)的研究還有待深入，其研究面臨復(fù)雜性、異質(zhì)性等諸多困難。

國內(nèi)有許多學(xué)者對黃土地區(qū)深基坑土釘墻支護(hù)體系變形特性進(jìn)行研究：郅彬等學(xué)者利用數(shù)值模擬，分析土釘在基坑支護(hù)過程中的水平位移和受到的軸力，得出土釘最大軸力點(diǎn)位置隨著基坑開挖向土釘尾部移動(dòng)的結(jié)論，并將純土釘與復(fù)合土釘進(jìn)行對比后提出相應(yīng)優(yōu)化建議[4]。張子辰等學(xué)者利用對周邊地表豎向位移、基坑側(cè)壁深層水平位移、基坑坑底隆起的監(jiān)測數(shù)據(jù)，總結(jié)了采用土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)的黃土地區(qū)深基坑的變形規(guī)律，基坑周圍地面沉降隨基坑開挖深度增加而增加，隨著基坑開挖施工進(jìn)行，土釘墻支護(hù)對基坑整體變形約束較小，呈現(xiàn)整體向基坑內(nèi)部的傾斜變形[5]。魏煥衛(wèi)等學(xué)者利用Plaxis3D有限元軟件結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)，研究了深基坑工程在坡頂堆載作用下土釘墻的土釘軸力、整體變形以及坡頂變形的聯(lián)系，得出基坑坡頂水平位移和沉降之間為非線性關(guān)系[6]。郭紅仙等學(xué)者采用極限分析方法，研究土釘長度對于直立軟土和硬黏土基坑土釘支護(hù)整體穩(wěn)定性的影響，在豎直基坑中，研究得出在軟土中土釘長度最好取1.4～1.5倍基坑深度、硬黏土中最好取0.8～1.0倍基坑深度[7]。

目前國內(nèi)學(xué)者對于土釘墻支護(hù)體系變形有較為深入的研究以及一系列的成果，但是在黃土地區(qū)深基坑土釘墻支護(hù)體系變形特性的研究還不夠深入，其較為特殊不同于一般土的地質(zhì)特性，使得黃土地區(qū)的深基坑工程中采用土釘墻支護(hù)體系，有更為嚴(yán)苛的標(biāo)準(zhǔn)。

1 工程概況

案例項(xiàng)目選用的深基坑位于已建售樓部南側(cè)景觀區(qū)域以南，周邊建筑物為擬建居民樓，樓層不高，距該基坑均較遠(yuǎn)，處在一個(gè)安全距離中，對選定基坑產(chǎn)生的影響較小，可忽略不計(jì)。

擬建場地地貌單元屬黃土丘陵，其中發(fā)育有古沖溝和近代沖溝。屬于非自重濕陷性黃土場地，地基濕陷等級(jí)為I級(jí)（輕微）。場區(qū)地層表面局部區(qū)域內(nèi)散布著近期堆填的雜填土層，其下有第四紀(jì)坡洪積和沖洪積作用所產(chǎn)生的黃土狀粉質(zhì)黏土和粉土、粉質(zhì)黏土和姜石，下伏為第三紀(jì)泥巖層?；拥貙咏Y(jié)構(gòu)自上而下為：①雜填土（Q42ml）層厚0.705 m。②黃土狀粉質(zhì)黏土（Q42dl+pl）層厚5 m。③黃土狀粉質(zhì)黏土（Q42dl+pl）層厚3.36 m。④粉質(zhì)黏土（Q2al+pl）層厚3.83 m。⑤粉質(zhì)黏土夾粉土及姜石（Q2al+pl）層厚8.1 m。⑥泥巖（N）層厚4 m。

勘察期間，在勘探深度范圍內(nèi)，未見有地下水。故在后文的模擬中不考慮地下水對設(shè)計(jì)和施工的影響。本基坑采用放坡、土釘墻進(jìn)行支護(hù)，深度為11.5 m，剖面安全等級(jí)為二級(jí)，側(cè)壁重要性系數(shù)為1.0，支護(hù)方案為臨時(shí)支護(hù)，設(shè)計(jì)使用期限為1年，坡度1：0.3，自地面以下1.5 m設(shè)置第一道土釘，長12 m。間隔1.5 m后設(shè)置第二道土釘，長度為12 m。第三、第四道土釘以間距1.5 m來設(shè)置，長度均為15 m，傾角均為15°。間隔1.4 m設(shè)置第五道土釘長度為15 m。再以間隔1.4 m設(shè)置第六、七道土釘，長度均為12 m，傾角為15°?；釉O(shè)計(jì)方案剖面圖如圖1所示。

2 Midas GTS軟件

有限元法就是把土坡當(dāng)成變形體，按照土的變形特性，計(jì)算出該地區(qū)內(nèi)的應(yīng)力分布，用有限元法可以計(jì)算出每個(gè)土單元的應(yīng)力、應(yīng)變和每個(gè)結(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)力和位移[8]。這種計(jì)算方法目前已經(jīng)成為很多工程問題變形分析的常用方法，有很多現(xiàn)成的軟件可以使用，如midas等。

Midas GTS不僅可以進(jìn)行簡單的線性計(jì)算，還可以計(jì)算復(fù)雜的非線性問題。Midas具有一個(gè)龐大的材料本構(gòu)模型庫，該軟件可以選擇任何形狀的單元庫和與模擬工程相關(guān)的模型，還可以對很多典型巖土工程材料的特點(diǎn)進(jìn)行模擬。Midas GTS中的彈塑性土體結(jié)構(gòu)模型有范米賽斯、摩爾-庫侖、霍克-布朗模型、屈雷斯卡、德魯克-普拉格等，并在計(jì)算中有著很強(qiáng)的非線性收斂能力。本文對基坑的數(shù)值模擬分析主要采用該軟件。

GTS的特點(diǎn)如下：①中文化的操作界面。②對研究工程直觀建模，可設(shè)置各種不同的施工階段。③眾多的巖土材料本構(gòu)模型。④較良好的分析規(guī)模和分析速度。⑤直觀實(shí)用的圖形后處理技術(shù)。

3 土釘墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)模擬分析

基坑開挖深度為11.5 m，采用土釘墻支護(hù)，剖面等級(jí)為二級(jí)，側(cè)壁重要性系數(shù)為1.0，基坑周邊地面3 m以內(nèi)禁止堆載，周邊載荷設(shè)計(jì)值為20 kPa，在土釘上加載的預(yù)應(yīng)力設(shè)置為50 kN。土體單元采用莫爾-庫侖屈服準(zhǔn)則來模擬土體的非線性力學(xué)特征，鋼筋、混凝土及土層參數(shù)選取如表1、表2所示。

根據(jù)上述參數(shù)及基坑支護(hù)方案，在軟件中對選定深基坑進(jìn)行建立模型。借助繪圖軟件CAD將基坑支護(hù)剖面圖導(dǎo)入，再對材料和屬性進(jìn)行定義，設(shè)置邊界條件，對土釘施加預(yù)應(yīng)力，填寫工況，對各個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行激活或者鈍化，完成模型建立，模型建立為二維平面，如圖2所示。

3.1 土釘強(qiáng)度改變

在本小節(jié)中將鋼筋直徑分別設(shè)置為16、22、28、32 mm4個(gè)類型，將鋼筋分為HRB400級(jí)或HRB335級(jí)兩個(gè)類型分別進(jìn)行研究。

先對不同直徑的HRB400級(jí)鋼筋進(jìn)行模擬，得出結(jié)果如圖3、4所示。由圖3、4可知，在同為HRB400級(jí)鋼筋時(shí)，直徑越大的鋼筋產(chǎn)生的變形越小，水平位移最大處位于基坑邊坡坡頂處，沉降的最大值產(chǎn)生位置在基坑外側(cè)。使用不同直徑的HRB400級(jí)鋼筋所產(chǎn)生的變形均在允許值范圍內(nèi)。不同直徑的鋼筋的支護(hù)方案所產(chǎn)生的水平位移之間差距較大，沉降的差距較小。

對不同直徑的HRB335級(jí)鋼筋進(jìn)行模擬，得出結(jié)果如圖5、6所示。由圖5、6可知，在同為HRB335級(jí)鋼筋時(shí)，直徑越大的鋼筋產(chǎn)生的變形越小，水平位移最大處在基坑邊坡坡頂處，沉降最大值產(chǎn)生于基坑外部。使用不同直徑的HRB335級(jí)鋼筋所產(chǎn)生的變形均在允許值范圍內(nèi)。通過對比發(fā)現(xiàn)，直徑為22 mm的HRB400級(jí)鋼筋的支護(hù)方案所產(chǎn)生的水平位移以及基坑外部地表沉降小于采用16 mm、22 mm的HRB335級(jí)鋼筋的支護(hù)方案，大于采用28 mm、32 mm的HRB335級(jí)鋼筋的支護(hù)方案。

由此說明，對于支護(hù)方案，采用不同直徑的同一類鋼筋的基坑來說，直徑越大，支護(hù)效果越好，產(chǎn)生的變形越??；采用同一直徑的不同類鋼筋的基坑來說，HRB400級(jí)鋼筋的支護(hù)效果比HRB335級(jí)鋼筋好，產(chǎn)生的變形更小。

3.2 土釘嵌入角度改變

根據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑基坑工程安全技術(shù)規(guī)程》（JGJ167—2009）規(guī)范規(guī)定，在黃土地區(qū)深基坑工程采用土釘墻支護(hù)方案的土釘與水平面夾角為5～20°。

文中選定的深基坑支護(hù)方案中土釘與水平面的夾角為15°，在本小節(jié)中將土釘嵌入角度設(shè)置為5°、10°、15°、20°四種類型分別進(jìn)行模擬。結(jié)果如圖7、8所示。

從圖7、圖8可能，當(dāng)土釘嵌入角度為5°時(shí)，基坑側(cè)壁產(chǎn)生的最大水平位移為5.419 mm，最大沉降量為23.355 mm，地表最大沉降量為14.14 mm。當(dāng)土釘嵌入角度為10°時(shí)，基坑側(cè)壁產(chǎn)生的最大水平位移為4.795 mm，最大沉降量為23.113 mm，地表最大沉降量為13.35 mm。當(dāng)土釘嵌入角度為15°時(shí)，基坑側(cè)壁產(chǎn)生的最大水平位移為4.525 mm，最大沉降量為22.851 mm，地表最大沉降量為12.89 mm；當(dāng)土釘嵌入角度為20°時(shí)，基坑側(cè)壁產(chǎn)生的最大水平位移為4.193 mm，最大沉降量為22.646 mm，地表最大沉降量為12.34 mm。不同嵌入角度下基坑側(cè)壁產(chǎn)生水平位移和沉降的趨勢基本一致，在基坑頂部產(chǎn)生最大水平位移，基坑外部最大沉降均在合理范圍內(nèi)，沒有產(chǎn)生破壞。

同時(shí)從圖7、8中可以看出，隨著土釘嵌入角度的增大，基坑的變形逐漸變小，在這4種方案中，嵌入角度為20°時(shí)所產(chǎn)生的變形最小，且在嵌入角度為20°時(shí)，深基坑放坡開挖時(shí)該邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)最大。

3.3 土釘長度改變

規(guī)范規(guī)定在黃土地區(qū)深基坑工程采用土釘墻支護(hù)方案，土釘長度宜為5.75～13.8 m，文中選定的深基坑支護(hù)方案中土釘長度為最上兩層和最下兩層長度為12 m，中間三層土釘長度為15 m。在本小節(jié)中將支護(hù)方案改為三類，第一類是最上兩層和最下兩層長度為6 m，中間三層土釘長度為9 m。第二類是最上兩層和最下兩層長度為9 m，中間三層土釘長度為12 m。第三類是最上兩層和最下兩層長度為12 m，中間三層土釘長度為15 m，根據(jù)不同的支護(hù)方案進(jìn)行模擬。結(jié)果如圖9、10所示。

當(dāng)支護(hù)方案為土釘最上兩層和最下兩層長度為6 m，中間三層土釘長度為9 m時(shí)，基坑側(cè)壁產(chǎn)生的最大水平位移為1.75 mm，最大負(fù)向位移為-9.48 mm，最大沉降量為25.97 mm，基坑外地表最大沉降量為15.35 mm。當(dāng)支護(hù)方案為土釘最上兩層和最下兩層長度為9 m，中間三層土釘長度為12 m時(shí)，基坑側(cè)壁產(chǎn)生的最大水平位移為4.167 mm，最大負(fù)向位移為-5.42 mm，最大沉降量為22.88 mm，基坑外地表最大沉降量為12.93 mm。當(dāng)土釘?shù)淖钌蟽蓪雍妥钕聝蓪娱L度為12 m，中間三層土釘長度為15 m時(shí)，基坑側(cè)壁產(chǎn)生的最大水平位移為4.525 mm，最大負(fù)向位移為-5.39 mm，最大沉降量為22.851 mm，基坑外地表最大沉降量為12.89 mm。

由圖9、10可知，方案一的水平位移曲線與方案二和方案三差別較大，采用方案一時(shí)的基坑在頂部產(chǎn)生的水平位移要比方案二和方案三小得多，但是在基坑底部方案一產(chǎn)生的負(fù)向位移遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于方案二和方案三，方案二和方案三基坑水平位移曲線趨勢基本一致，方案三所產(chǎn)生的水平位移比方案二大。

采用方案一支護(hù)方案的基坑所產(chǎn)生的沉降遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其余兩個(gè)方案，采用方案三所產(chǎn)生的沉降量最小，但總體與方案二差別不大。三個(gè)方案的變形均在合理范圍內(nèi)，未產(chǎn)生破壞。

3.4 土釘間距改變

規(guī)范規(guī)定在黃土地區(qū)深基坑工程采用土釘墻支護(hù)方案，土釘間距宜為1～2 m，文中選定的深基坑支護(hù)方案中前四根土釘豎向間距為1.5 m，剩下三根土釘豎向間距為1.4 m。在本小節(jié)中將土釘間距分為3種，第一種前四根土釘豎向間距為1.3m，剩下三根土釘豎向間距為1.2 m；第二種前四根土釘豎向間距為1.5 m，剩下三根土釘豎向間距為1.4 m；第三種前四根土釘豎向間距為1.7 m，剩下三根土釘豎向間距為1.6 m，根據(jù)上述不同支護(hù)方案進(jìn)行模擬。所得結(jié)果如圖所11、12示。

由圖11、12可知，方案一產(chǎn)生的最大水平位移為4.495 mm，最大沉降為22.857 mm，基坑外地表最大沉降量為12.68 mm。方案二產(chǎn)生的最大水平位移為4.525 mm，最大沉降為22.851 mm，基坑外地表最大沉降量為12.89 mm。方案三產(chǎn)生的最大水平位移為4.545 mm，最大沉降為22.848 mm，基坑外地表最大沉降量為12.75 mm。

在基坑10 m以上采用方案一支護(hù)的基坑側(cè)壁的水平位移和沉降小于方案二小于方案三，在基坑外地表，方案一所產(chǎn)生的沉降小于方案二大于方案三，但差值不太明顯，且都在合理范圍內(nèi)。與沉降相比，土釘布置間距對于水平位移的影響更大，在一定范圍內(nèi)，土釘越密基坑所產(chǎn)生的變形越小。

4 結(jié)束語

本文利用有限元軟件Midas GTS對選定的深基坑進(jìn)行模擬，并分析所得結(jié)果，從土釘墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)方面，研究了黃土地區(qū)深基坑土釘墻支護(hù)體系變形特性的影響因素。通過有限元軟件，控制所研究的影響因素為變量，對選定基坑進(jìn)行模擬，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得出結(jié)論：對深基坑產(chǎn)生水平位移影響最大的依次是土釘長度、土釘嵌入角度、土釘間距及土釘強(qiáng)度。對基坑外地表產(chǎn)生沉降影響來說，影響從大到小依次是土釘長度、土釘嵌入角度、土釘間距及土釘強(qiáng)度。

目前，眾多學(xué)者對黃土深基坑技術(shù)的研究和應(yīng)用已經(jīng)取得了一定的成果，黃土深基坑技術(shù)已逐漸成熟，諸如土釘墻、鋼支撐體系、預(yù)制板墻等支護(hù)結(jié)構(gòu)也得到了廣泛應(yīng)用。隨著數(shù)字化技術(shù)、信息網(wǎng)絡(luò)以及物聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展和普及，人們對黃土深基坑問題的認(rèn)識(shí)也迎來了新飛躍，形成了一些具有前瞻性、創(chuàng)新性的研究領(lǐng)域，如基于人工智能的基坑監(jiān)測、預(yù)測和診斷技術(shù)以及組合式土釘墻結(jié)構(gòu)等。

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