毛竹复合土钉墙水平位移影响因素数值分析研究

戴自航，欧　煜

(1.福州大学 岩土工程研究所，福建 福州 350108；2.卧龙岗大学 土木采矿和环境工程学院，澳大利亚 新南威尔士州 2522)



毛竹复合土钉墙水平位移影响因素数值分析研究

戴自航1，2，欧煜1

(1.福州大学 岩土工程研究所，福建 福州 350108；2.卧龙岗大学 土木采矿和环境工程学院，澳大利亚 新南威尔士州 2522)

摘要：针对软土基坑毛竹复合土钉墙支护对变形预测和控制等方面研究的不足，采用考虑毛竹土钉和毛竹排桩与土体的相互作用以及土体加、卸载条件下变形模量不同的有限元法，建立某基坑支护设计剖面的平面应变有限元模型。计算并分析了毛竹复合土钉墙支护结构的变形规律，并对影响坡面水平位移的因素，即毛竹土钉的倾角、长度、间距、布置形式，毛竹排桩的长度、数量，土体参数以及开挖的坡度进行了详细的定性分析与定量评价，其结论可以为进一步认识毛竹复合土钉墙支护结构的作用机理提供依据，同时可为设计施工提供参考。

关键词：毛竹复合土钉墙；水平位移；影响因素；数值分析

在软土地区进行深基坑开挖，围护结构的设计不仅要满足其强度要求，还必须满足其变形要求。由于影响深基坑变形的因素很多，如何对深基坑变形进行有效预测和控制是深基坑理论研究和工程实践的一个难题[1]。

毛竹复合土钉墙是近些年来在福建沿海等省份发展起来的一种新型的节能环保型基坑支护技术，实践证明，其不仅具有可靠的支护能力，而且还能从很大程度上节约经济成本，有效降低碳排放达60%～80%，具有取材科学合理、节能节材、经济安全、施工进度快等特点，有着比较广阔的应用前景[2-4]。但是作为新型的复合土钉墙结构，其理论研究是落后于实践的，特别是对其变形预测和控制等方面的研究，还十分有限。实际上，一些土钉支护工程的失败，往往是由于支护结构产生较大变形引起的。因此，土钉支护结构的变形问题是值得研究的。同时，相关研究表明采用常规的分析方法很难反映出诸多的影响因素及支护效果，所以通常采用有限元法对基坑进行整体性状的研究：徐长节等[5]采用有限元计算方法探讨了支护参数对复合支护基坑变形的影响；宋二祥等[6]采用有限软件PLAXIS考虑了土钉长度变化对基坑变形的影响；万林海等[7]使用FLAC3D软件对基坑土钉支护的变形和参数进行了分析。Fan等[8]采用非线性有限元数值计算方法对边坡土钉支护参数做了优化分析。

本文针对试验基坑采用毛竹复合土钉墙支护结构分步开挖支护方式进行有限模拟计算，并分析各支护参数对基坑围护结构最大水平位移的影响。

1　工程概况

某基坑位于福州地区，根据地质勘探资料显示：场地受基坑影响深度范围内的土层分布如下：① 杂填土：灰黄、褐黄色，灰褐色，稍湿，松散，上部以回填混凝土块、碎石等建筑及生活垃圾为主，硬杂质含量为30%～45%，下部以粘性土为主，层厚为1.40 m～3.50 m。② 粉质粘土：灰黄、灰绿、褐黄色，湿，软～硬塑状态，局部含有少量高岭土及铁质氧化物，部分地段含少量的小砾石。层厚0.50 m～3.10 m。③ 淤泥：深灰色，灰黑色，饱和，流塑，以粘性土为主，含有机质及腐植物，局部夹薄层砂，污手，具腥臭味，光泽反应光滑-稍光滑，无摇振反应，韧性、干强度中等。本层局部地段相变为淤泥质土，在场地内均有分布，层厚14.50 m～21.80 m。

经过各方案经济效益比选并从节能环保方面考虑，该基坑最终采用毛竹土钉墙与毛竹排桩联合支护方式，即毛竹复合土钉墙支护。方案设计时是将基坑侧壁外侧流塑状淤泥视为水，按堤坝挡水的原理来构筑堤坝形毛竹土钉墙，即土钉墙的设计断面为上窄下宽，土钉墙内部所配置的土钉长度也相应由上至下越来越长；另外由于基坑底以下仍为较厚淤泥层，需要在基坑侧壁坡脚底部设置毛竹排桩实现联合支护。毛竹排桩毛竹长10 m，深入基坑底7.9 m，排数为2排，桩顶用横向毛竹进行捆绑并喷上混凝土形成冠梁。图1为该基坑1-1剖面的设计图。图2所示为一正在施工中的毛竹复合土钉墙。

图1复合毛竹土钉墙支护设计1-1剖面图

2　数值模拟方法

2.1有限元模型的建立及参数选取

采用岩土工程有限元软件PLAXIS建立试验基坑1-1剖面的二维有限元模型。其中，采用15节点三角形单元模拟土体。由于土体的变形性质对复合支护的计算结果影响较大，故在有限元模拟时，应选择相对准确的本构模型来描述土体的变形性质。土体变形性质的突出特点是其变形模量随正应力的增大而增大，且卸载模量远大于加载模量。Hardening-Soil模型是一种包括软土和硬土在内的不同类型的土体行为的先进模型[9]。它的一个基本特征是变形模量与应力水平是相关的，它使用的是塑性理论[10-11]。因此，本文选取HS模型作为土体本构模型，具体计算参数如表1所示。

图2施工中的毛竹复合土钉墙

此外，采用软件自带的板单元分别来模拟毛竹土钉、竹篾网喷混凝土面层以及下部的双排毛竹桩；其中，毛竹土钉、面层和双排桩均视作弹性构件，然后在相应的接触面上设置了界面单元来模拟结构与土的相互作用，支护结构参数如表2所示。

网格划分采用中等粗糙程度，并对土钉、毛竹桩、面层附近的网格作加密处理，这样既节约计算时间又能保证计算精度；模型边界条件为：两侧均为无水平位移，底边完全固定。计算模型及有限元网格划分分别如图3和图4所示。

表1　土层HS模型参数

表2　支护结构参数

图3有限元计算模型

图4有限元网格划分

2.2开挖支护过程模拟

基坑复合土钉支护结构的施工过程是开挖和支护交替进行的动态过程，土体和支护结构的位移或内力也会随施工进程而变化[12]。因此，在有限元分析中应合理模拟这样的施工过程。本文针对土体的开挖以及毛竹土钉和毛竹桩的施工过程采用生死单元法来实现，基本工况如下：① 计算初始地应力，通过k0法实现；② 冻结第一层土体，并激活第一排毛竹土钉和相对应的面层单元模拟土钉及喷混凝土施工；③ 重复上一步工作，完成第二排毛竹土钉施工；④ 冻结第三层土体，并激活双排毛竹桩模拟毛竹桩施工；⑤ 重复步骤②，直至开挖到基底标高。

3　结果分析

3.1支护结构水平位移分析

图5表示基坑开挖完成后土钉墙面层和毛竹桩的水平位移沿深度分布曲线。由图可见，与普通土钉墙支护下基坑开挖面的最大水平位移一般发生在坡顶处不同，毛竹复合土钉墙支护下基坑开挖面最大水平位移发生在靠近坑底附近的土体中。面层的最大水平从上往下呈逐渐增大的趋势，最大值出现在土坡下部靠近桩顶的位置，其值为64.45 mm。而毛竹桩的水平位移沿深度呈“凸肚”型分布，最大水平位移发在排桩的中上部靠近基坑底部位置，其值为67.83 mm。

图5土钉墙面层及毛竹排桩水平位移曲线

另外，从基坑开挖完成后土体剪应变增量云图(图6所示)来看，可以很明显的看出主要剪应变集中在毛竹桩前的土体中，这与图5中毛竹桩在此部分土体中产生较大水平位移相对应。因此，毛竹复合土钉墙的破坏模式可能为坑底处毛竹桩前的土体首先发生剪切破坏，然后失去对毛竹桩的抵抗能力，进而使得产生较大的水平位移，然后可能将下部的毛竹土钉拔出，失去对堤坝型区域土体的加固作用，而不能形成有效的土钉墙。

因此，分析研究毛竹复合土钉墙变形影响因素对限制支护结构产生的最大水平位移，从而维持基坑的整体稳定性具有十分重要的理论和实践意义。

图6土体剪应变增量等值云图

3.2围护结构水平位移影响因素分析

毛竹复合土钉墙支护设计参数主要包括毛竹土钉参数、毛竹排桩参数、土层参数以及开挖放坡角度等。在以下计算分析过程中，将该试验基坑的设计参数值作为一组初始值，对某一参数进行分析时，其余参数保持不变，依次改变参数的取值，计算相应参数对围护结构最大水平位移的影响。

3.2.1毛竹土钉参数

(1)毛竹土钉倾角

有关研究表明，当以基坑内部整体安全稳定性系数作为衡量标准时，土钉存在某一倾角时的安全系数最大，习惯上把这一角度称为土钉的最优倾向角。工程经验表明，一般土钉倾角为5°～15°最为适宜[13-14]。根据毛竹土钉作用位置的不同，本文将第1、第2排土钉称为上部土钉，将第3、第4排土钉称为下部土钉，分别考虑其对坡面水平位移的影响。

如图7所示，当分别改变土钉的倾角时，面层和毛竹桩的最大水平位移会相应发生变化。随着上部土钉水平倾角的减小，面层和毛竹桩的最大水平位移都逐渐增加，面层变化更为明显；当上部土钉水平倾角增大时，面层和毛竹桩的最大水平都发生急剧变化，先减小到最小值，然后再迅速增大，同样是面层的变化更为明显。因此，上部土钉倾角对面层最大水平位移的影响更大，同时应当控制上部土钉的最大倾角不超过20°为宜。

注：0°度代表初始值，负数代表减小，以下相同。

图7土钉水平倾角的影响

当逐渐增大下部土钉的水平倾角时，面层和毛竹桩的最大水平位移变化趋势基本相似，先是减小到最小值，然后再逐渐增大，倾角增大5°时位移减小明显。因此，实践中应当控制下部土钉水平倾角不超过30°为宜。

(2)毛竹土钉长度

土钉长度对最大水平位移的影响如图8所示，随着土钉长度的增加，面层和毛竹桩的最大水平位移都逐渐减小，且减小的幅度是越来越小的。这说明增加土钉的长度可以较好的控制坡面的水平位移，但是当长度达到一定值后，这种效果就不那么明显了。这是因为土钉越长，钉头部位土体由于开挖引起的向下滑动力向稳定区土体传递效果越好，土钉提供的抵抗力相对越大。当土钉超过一定长度后，其所能提供的抵抗力已不再变化，再增加土钉长度时对变形的抑制作用已经可以忽略。从土钉轴力一般呈“枣核型”分布[15]来看，也可以得到较好的解释。另外，土钉过长势必会增加施工的难度，且由于土钉无法充分发挥其作用而造成的浪费也会降低经济效益。因此，实践中需在满足稳定性的前提下控制毛竹土钉长度。工程经验表明，毛竹土钉一般取6 m～12 m较为合理。

图8土钉长度的影响

(3)毛竹土钉水平间距

图9表示土钉水平间距对坡面最大水平的影响，随着水平间距的增大，最大水平位移也随之增大，但是增加的幅度逐渐减小。这可能是因为土钉的水平间距增大，使土钉间的土拱效应减弱，加固组合体的作用变小，土钉支护结构难以形成稳定的整体，导致变形增大。但当水平间距已经较大时，由土钉提供的抵抗力有限，此时土钉水平间距增大对基坑稳定性贡献已经很小，基坑的稳定性由主要土体的自身强度来维持，所以当土钉水平间距超过一定值以后再增加其水平间距效果不明显。研究表明，土钉水平间距过大不利于变形控制，过小则容易造成浪费，所以在工程实践中，可以根据周边环境对基坑变形控制的要求或拟开挖土层性质来确定土钉的水平间距。工程上，毛竹土钉水平间距控制在1.0 m左右比较合理。

(4)毛竹土钉纵向间距

图10表示土钉纵向间距对坡面最大水平的影响，从图中可以看出，随着土钉纵向间距增大，面层和毛竹桩的最大水平位移都逐渐增大。其中，面层最大水平位移的变化趋势近似直线；而毛竹桩在纵向间距为1.0 m前水平位移增长缓慢，1.0 m后则迅速增大。这是因为过大的纵向间距不利于钉土间土拱效应的形成，使得钉土组合体对水平位移的约束作用减弱[16]。因此，应当将纵向间距控制在1.0 m以内。

图9土钉水平间距的影响

图10土钉纵向间距的影响

(5)毛竹土钉布置形式

为了探讨土钉长度布置方式对围护结构水平位移的影响，现设7种不同的计算工况，各工况下毛竹土钉长度的总和保持一致，具体方案如表3所示。

表3　毛竹土钉布置形式

图11显示了围护结构最大水平位移随毛竹土钉长度布置形式变化关系曲线。明显地，工况4(上部土钉总长等于下部土钉总长)是一个转折点，此后的工况下(工况5～工况7)面层和毛竹桩的水平位移均以越来越快的速度增加，而引起这一变化趋势的原因是下部土钉越来越短，上部土钉总的长度大于下部土钉总的长度。由此可见土钉按照下短上长的布置形式是不利于基坑位移控制的。

图11土钉布置形式的影响

综合上面的分析，在土钉总的长度一定的情况下，为了更好的限制坡面的水平位移，应该确保下部土钉长度不短于上部土钉长度。同时，上部土钉长度会显著影响基坑上部围护结构水平位移，但是存在一个临界长度；下部土钉长度对控制整个基坑围护结构最大水平位移发挥重要作用。

3.2.2毛竹排桩参数

(1)毛竹排桩的长度

图12表示下部毛竹排桩对坡面水平位移的影响，从图12可知，当毛竹桩的长度发生改变时，坡面的最大水平位移并未发生显著的变化，这一变化趋势和许多其他不同类型的复合土钉支护技术类似。由此可见，不可盲目的增加毛竹桩的长度来减小坡面的水平位移。根据工程经验，当基坑开挖深度不太大的情况下，毛竹桩长度控制在8 m左右就可以有效地阻挡坑外侧淤泥涌向坑内，从而防止坑底部发生过大隆起。

图12毛竹排桩长度的影响

(2)毛竹桩的数量

图13表示毛竹桩排数对坡面最大水平位移的影响，图中显示面层最大水平位移受毛竹桩排数影响较小，而毛竹桩最大水平位移受排数影响较大。当毛竹桩从原始的2排增加到3排和4排时，毛竹桩最大水平位移分别减小了8%和14.1%，当毛竹桩减小到1排时，毛竹桩最大水平位移增大了3.8%。实际工程中，基坑下部的毛竹排桩通芯注浆后形成类似于地下连续墙结构，起到阻挡坑外部水土涌向坑内，防止坑底产生过大隆起的作用。增加毛竹桩的排数等同于增加了地连墙的厚度和刚度，因此其抵抗水土压力作用的能力得到增强，并能较好的约束基坑侧壁的变形。

图13毛竹排桩数量的影响

3.2.3土体参数

土体粘聚力c、内摩擦角φ、重度γ是毛竹复合土钉墙支护结构设计时比较重要的土体参数。图14～图16依次给出了围护结构最大水平位移随c值、φ值、γ值的变化情况。

图14土体黏聚力的影响

图15土体内摩擦角的影响

图16土体重度的影响

从图中可以看出：

(1)杂填土和粘性土的c值、φ值对最大水平位移的影响不大，位移变化曲线接近水平，而淤泥的c值、φ值对最大水平位移的影响十分明显，位移减小的速度是由快变慢，最后趋于平缓。因为根据摩尔-库仑准则τf=c+σftanφ，当粘聚力c或内摩擦角φ很大时，τf也很大，即土体不能发生剪切破坏，不会出现塑性区，因此水平位移曲线最后趋于平缓。从量值上看，当淤泥的c值从0.4倍初始值扩大到2.2倍时，最大水平位移从104.1 mm减小到47.43 mm，变化幅度为56.67 mm；当φ值从0.4倍初始值扩到2.2倍时，最大水平位移变化幅度为69.65 mm，φ值影响更大。

(2)相比之下，γ值对最大水平位移的影响比较小，最大水平位移随着γ的增大而逐渐增大，其中杂填土的影响最大，淤泥影响最小。最主要的一个原因就是基坑下部的毛竹排桩发挥了重要的挡土作用，当下部淤泥层开挖时，即使由于γ值增大而引起侧向卸载荷载增大，毛竹桩的抵挡作用也能起到较好的限制位移。

综合上面的分析，淤泥的强度参数c、φ值是影响最大水平位移的主要因素，所以为了获得较好的支护效果，可以通过增强土的强度来限制坡面的位移。实际工程中，对于性质较差的淤泥层，可以采用扎枝毛竹土钉(图17、图18所示)来代替普通毛竹土钉。因为张开的竹枝可以将水泥浆液更好的导送到周围的土层中，对局部范围内的土体进行加固，扩大粘结范围，从而提高土钉的抵抗力，限制坡面位移。试验表明，扎枝毛竹土钉的抗拔承载力是普通毛竹土钉的1.76倍，具有很大的潜力。

图17扎枝毛竹绑扎方法

图18扎枝毛竹土钉局部图

3.2.4开挖坡度

图19表示开挖坡度对水平位移的影响。

图19开挖坡度的影响

由图19可以看出，随着角度的增大，水平位移逐渐增大，坡度较小时，位移增长较快，坡度较大时，增长缓慢。从限制变形的角度出发，角度越小越有利。但基坑工程中由于场地条件的限制坡度亦不能过缓，同时过大的土方开挖量也不经济。根据工程经验，一般取45°左右比较合适。

4　结　论

本文采用可以考虑土体加、卸载情况下土体模量不同的土体硬化模型，对试验基坑毛竹复合土钉墙支护结构分步开挖支护方式进行了有限模拟，并分析了各种支护参数对基坑围护结构最大水平位移的影响，可以得出如下结论：

(1)土钉的水平倾角对围护结构水平位移有一定影响，为限制坡面最大水平位移，上部土钉的水平倾角不宜超过20°，下部土钉水平倾角不宜超过30°。上部土钉的长度对基坑上部水平位移的影响比较明显，下部土钉长度的变化对整个开挖深度范围内围护结构水平位移的影响比较均匀，整个坡面的最大水平位移随下部毛竹土钉的长度增长而逐渐减小；受土钉轴力“枣核型”分布模式的影响，土钉并不是越长越好，过长的土钉不仅容易造成浪费，也会增加施工难度，工程上土钉一般取6 m～12 m长为宜；坡面最大水平位移随着毛竹土钉的水平间距和竖向间距的增大而增大，为保证加固组合体的作用，水平间距宜控制在1.0 m左右，竖向间距控制在1.0 m以内。

(2)研究表明，在总的长度一定的情况下，土钉按照下短上长的方式布置是不利于基坑水平位移控制的。当下部土钉比上部土钉更短时，基坑水平位移会显著增大。

(3)毛竹排桩长度对坡面最大水平位移影响不大，一般控制8 m～10 m就可以满足稳定性要求；但毛竹排桩数量对水平位移影响较大，数量越多，抵抗变形的能力越强，水平位移也就越小。

(4)淤泥的强度参数c、φ值是影响基坑水平位移的主要因素，所以为了获得较好的支护效果，可以通过增强淤泥的强度来限制坡面的位移。对于性质较差的土层，推荐采用扎枝毛竹土钉来控制坡面变形；土体单位重度γ对变形影响较小。

(5)坡面最大水平位移随基坑开挖角度增大而增大，较小的开挖角度对控制变形有利，但应该考虑到经济效益和基坑环境因素的约束。

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NumericalAnalysisofFactorsAffectingHorizontalDisplacementsofCompositeMosoBambooSoilNailingWalls

DAI Zi-hang1,2,OU Yu1

(1.InstituteofGeotechnicalEngineering,FuzhouUniversity,Fuzhou,Fujian350108,China；2.SchoolofCivil,MiningandEnvironmentalEngineering,UniversityofWollongong,Wollongong,NSW2522,Australia)

Abstract：In view of the insufficient research on predicting and controlling deformations of composite moso bamboo soil nailing walls,the plane-strain finite element model was established by using the finite element method based on a designed profile of the excavation pit support structure.In the process of establishing this model,the interaction mechanism of the nail-soil and pile-soil,the differences of the deformation moduli of the soil under loading or unloading conditions were considered,and the deformation laws of this sort of retaining structure was analyzed.In addition,the qualitative analysis and evaluations on multiple influencing factors including the inclination angles,lengths,allocations and intervals of soil nails,the lengths and the numbers of rows of piles,the soil parameters,as well as the excavation angles,which affected the horizontal displacements of soil nailing walls were carried out in detail.The research outcomes can provide some basis for better comprehension on the working performance of composite moso bamboo soil nailing walls and can be of some referential value to the design and construction of these walls.

Keywords：composite moso bamboo soil nailing wall;horizontal displacement;influencing factors;numerical analysis

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2014.06.003

中图分类号：TU753

文献标识码：A

文章编号：1672—1144(2014)06—0014—07

作者简介：戴自航(1966—)，男，湖南长沙人，博士，教授，博士生导师，主要从事边坡稳定分析、滑坡治理、建筑基础、深基坑支护等方面的教学与科研究工作。

基金项目：福建省自然科学基金资助项目(2011J01308)

收稿日期：2014-08-12修稿日期：2014-09-14