土钉墙在深基坑工程中的应用分析

2014-12-12贺永俊卜飞

中国科技纵横 2014年13期

关键词：侧壁土钉深基坑

贺永俊卜飞

(1.山西省勘察设计研究院,山西太原 030013;2.太原理工大学,山西太原 030013)

土钉墙在深基坑工程中的应用分析

贺永俊1卜飞2

(1.山西省勘察设计研究院,山西太原 030013;2.太原理工大学,山西太原 030013)

随着城市建设的日益加快及城市建筑密集程度的加大，深基坑支护面临着巨大的挑战，一系列的问题正在探索中，如支护结构在安全的前提下是否经济合理，对周边建筑的影响是否减小到最小。本文就太原市的某深基坑中的局部采用土钉墙进行分析与检测，并采用FLAC3D进行数值模拟对土钉墙在深基坑中的使用安全度进行分析评价。由分析及实测结果得出：在土体参数较好的情况下，12米深的基坑从经济的角度考虑，采用土钉墙支护是相对合理安全的。

土钉墙深基坑位移沉降

土钉支护技术与传统的支护技术相比，具有工期短、造价低、施工简便等特点，因而在工程中得到了广泛的应用。根据《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120-2012)土钉墙的适用范围一般是基坑侧壁安全等级为二、三级的排软土场地，且基坑深度不宜大于12米。且由于单纯的土钉支护不能控制支护结构的变形以及周围构筑物的沉降，因此，在实际工程中往往采用预应力锚杆、微型桩等支护技术(简称“复合土钉支护”)控制支护结构的变形。本文对水泥土墙与土钉墙结合的基坑支护方案的模拟效果进行了有关的模拟与分析[4]。

1 基坑支护的原理

基坑的变形或应力应变状态是支护结构与土体的共同作用的问题，随着基坑开挖的逐步进行，支护结构与土体的相互作用是一个渐变的过程。在深基坑的土钉墙支护结构设计中，要保持边坡的稳定，土钉的长度至少要穿过最危险滑动面[5]。否则，土钉支护起不到加固的作用。而最危险滑动面的位置会随着土钉长度有一个动态变化过程。因此需要根据土钉的长度变化来搜索最危险滑动面，固定的土钉长度，搜索出的最危险滑动面安全系数稍大于规定值，土钉长度达到优化效果[8]。计算中把最危险滑动面靠近开挖面一侧土钉墙部分叫做被动区，最危险滑动面另一侧叫做主动区，土钉墙被动区段土体对土钉的侧阻力指向开挖面，主动区段土体对土钉的侧阻力远离开挖面[9](如图1)。

图1 土钉支护及受力简图

图2 基坑北侧的监测点布置图

2 工程概况

拟建建筑含有地下车库工程，建筑场地位于太原市并州路与并州东街交汇处东南角，场地原为一厂房，建筑总面积约10万m2。

2.1 场地工程地质条件

场地地貌单元属汾河东岸Ⅱ级阶地与东山山前洪积扇前缘交界地带(如表1)。

2.2 地下水

勘察期间为丰水期，实测地下稳定水位位于自然地表下13.40～14.50m间,相应高程785.02～785.21m，地下水类型为潜水，水位随季节性变化，变化幅度在1.00m左右，水流流向由东向西，受大气降水及侧向迳流补给。

2.3 基坑支护结构

根据现有的监测资料对北边的基坑侧壁的沉降数据进行整理得出：如图2为基坑北侧的监测点的布置。

根据相关的监测数据的处基坑侧壁的沉降图如图3。

由图3可以看出基坑的侧壁的土体的沉降除了受本身的支护结构的影响之外，还随着距基坑边角的距离越远，相应的沉降增大，这是由于基坑的边角效应所致。所以在本次模拟的建模是采用基坑侧壁中心的最危险截面截取了宽度为1.2米的宽度建立了单元体模型。

图3 基坑侧壁的沉降规律

表1 基坑范围内土层的相关参数

图4 基坑支护的剖面图

图5 基坑土层的分层示意图

将上述截面作为基坑支护的一个典型剖面作为分析。此剖面的基坑深度为12m，采用土钉墙支护及水泥土墙支护相互结合的支护方式，支护剖面如图4，上部9m按1:0.6进行放坡，竖向方向每隔1.5m设置一道土钉，长度从上往下依次为9m、9m、9m、15m、9m、15m。在9m深的地方设置3m宽的平台，然后进行水泥土搅拌桩的施工，水泥土搅拌桩长8m,然后是下部的3m开挖，每隔1.2m设置一排土钉，土钉的长度为9m。其中土钉均采用的是直径22mm的二级钢筋，预应力锚索则采用了3根7束的直径15.2mm的1860级钢绞线。土钉在施工过程中一定要严格按照分步分层进行施工。

3 FLAC3D的建模过程

3.1 FLAC3D简介

FLAC3D软件是由美国ITASCA国际咨询与软件开发公司在FLAC基础上开发的三维数值分析软件，可用于模拟三维土体、岩体或其他材料体力学特性，尤其是达到屈服极限的塑性流变特性，是一种强大的岩土分析软件[2]。FLAC3D包括11中材料本构模型及5种计算模式，模型有空单元模型、三种弹性模型(各向同性、正交各向异性和横向各向同性)、七种塑性模型(摩尔-库仑模型、应变硬化/软化模型、Drucker-Prager模型、多节理模型、双线应变硬化/软化多节理模型、D-Y模型、修正的剑桥模型)。计算模式有静力模式、动力模式、蠕变模式、渗流模式、温度模式[2]。计算模拟时根据情况选择适合、合理的模型及合理的计算模式，以使得模拟结果与实际尽可能相符合。

3.2 建模过程

文中以上述的太原市某基坑为原模型进行了模拟，模拟中建模采用的是FLAC3D中的内置网格，土体的本构模型采用摩尔-库仑模型[1]，按照实际基坑的开挖顺序进行建模，其中土钉的模拟采用了FLAC3D的内置模拟单元——锚索单元[2]。另水泥土搅拌桩采用了实体单元进行模拟，对水泥土搅拌桩范围内的实体单元设置与实际工程中相近的参数进行模拟，土体的相关参数参考勘察报告及有关经验取值，如表1。土钉所采用的相关参数如表2。根据上述表格赋予相应的土体参数，并根据设计当中的土钉、锚索的长度及位置设置相应的锚索单元。因地下水位处于地表以下13.40～14.50m的位置，而基坑深度为12m，因此在建模过程中未考虑地下水的影响，采用的是FLAC3D中的常规计算模式。为使模型的底部为更接近实际，进行了X、Y、Z三个方向的约束，而侧向只约束X、Y两个方向。上部只进行了Y方向的约束[3]。相关的参数设置如表2。从而得出相应的土体模型如图5。