土钉支护深基坑的三维数值模拟分析

孟晓东

摘要：利用大型有限元软件对浙江大厦（新源·燕府）深基坑的土钉支护过程进行了数值模拟，分析研究了基坑坡面水平位移分布特征和土钉内力的动态变化过程，同时对基坑坡面水平位移模拟值与实测值作了比较，得出了一些有益的结论，可以为类似工程的设计与施工提供参考。

关键词：土钉墙；深基坑；数值模拟；数值对比

中图分类号：C35文献标识码： A

1 前言

土钉支护是一种原位加筋技术，是在土中敷设拉筋而使整体土工系统的力学性能得以改善的加固方法[1]，具有施工方便、造价低、工期短等优点，在基坑支护工程中得到了大量的实际应用，但基坑塌方的事故也时有发生，造成事故发生的原因是多方面的；本文利用大型有限元软件对某实际工程的土钉支护深基坑施工过程进行了模拟，分析研究了基坑深度范围内土体水平位移特征曲线和土钉内力的变化规律，同时对基坑坡面水平位移模拟值与实测值作了比较，可为土钉支护的设计与施工提供一定的参考价值。

2 工程概况

拟建浙江大厦（新源·燕府）地上31层，地下3层，钢筋混凝土框架剪力墙结构，基坑长约180m，宽约160m，挖深分别为8.6m、9.5m，周边环境相对简单；拟建场地地貌单元属太行山山前冲洪积平原，除表层填土外，均为第四系冲洪积成因的黏性土、砂类土、碎石土，基坑开挖涉及到的土层物理力学参数如表1所示；本文选取挖深最大的剖面进行分析，土钉支护剖面参数如图1所示，基坑分七步开挖，各工况开挖深度分别为地下1.7m、3.0m、4.3m、5.6m、6.8m、8.0m、9.5m。

表1土层物理力学参数

土层名称 层厚

m γ

（kN/m3） c

（kPa） φ

（°） Es1-2

（MPa）

素填土 0.3~3.9 18.5 10.0 15.0 6.2

新近沉积黄土状粉质黏土 0.4~2.5 18.9 15.3 12.7 7.0

黄土状粉质黏土 1.1~5.6 19.3 21.3 19.9 8.7

粉细砂 0.2~4.4 18.5 0 28 20.0

粉质黏土 1.2~6.7 19.6 19.7 20.1 21.1

3 数值模拟分析

考虑基坑结构的对称性，模型取局部进行计算分析[2]，模型尺寸如图2所示，深度方向取为20m，宽度为15m，长度取为50m，土体单元采用C3D8R三维八节点缩减积分单元，选用摩尔库伦本构模型；土钉单元采用B31梁单元；边界条件为上表面自由，下表面完全约束，垂直于x轴的平面约束x方向位移，垂直于z轴的平面约束z方向的位移。

3.1 水平位移变化特征分析

沿基坑坡面a~b线（如图3）自上而下每隔1m取一个特征点进行水平位移分析，共选取10个特征点，最后一个特征点在坡底位置，距离上一个特征点0.5m。各特征点的水平位移随工况变化情况如图4所示；从水平位移最终分布云图可以看出，整个基坑开挖支护完成后，坡面中下部的水平位移较大，其中坡面最大水平位移发生在距坑底约1.5m位置处，位移值为18.2mm，而坡顶水平位移量最小，为8.1mm，水平位移分布形式与粘土中土钉墙的变形趋势[3]较为吻合。

各特征点的水平位移随工况变化情况如图4所示，根据特征点水平位移变化曲线可以看出，坡顶水平位移主要集中发生在前四个工况中，也就是基坑开挖深度达到5.6m时，坡顶水平位移为6.3mm，约占坡顶总位移量的80%。

3.2沿基坑坡面水平位移实测值与模拟值对比

选取开挖至9.5m时，沿基坑坡面a~b线（如图3）自上而下每隔1m取一个特征点进行水平位移实测值与模拟值对比，共选取10个特征点，最后一个特征点在坡底位置，距离上一个特征点0.5m。各点水平位移实测值与模拟值随深度变化曲线如图5所示

图5 水平位移实测值与模拟值随深度变化曲线

由图 5水平位移实测值与模拟值各特征点变化曲线可以看出，利用大型有限元软件对深基坑的支护过程进行的坡面水平位移的数值模拟与现场实际水平位移基本吻合。

3.3 土钉内力分布特征分析

根据图6土钉拉应力最终分布情况可以看出，整体开挖支护完成后，上部两道土钉承受拉力相对较小，拉应力沿土钉长度方向分布较均匀，下部四道土钉承受拉力较大，每道土钉拉应力最大值都靠近于坡面，其中以第五道土钉承受拉力最大，拉应力值为313.4 MPa，此处距离坑底垂直距离为3.0 m。

选取具有代表性的上部第一道土钉和中下部第五道土钉作为研究对象，图7给出了随着开挖工况的进行，两道土钉拉应力的变化曲线；

根据第一道土钉拉应力变化情况可以看出，前三个工况中（基坑挖深达到4.3m），土钉拉应力整体增速最快，拉应力最大值发生在距坡面1.76 m的位置，此处应力值在挖深到3.0 m时达到最大，值为75.9 MPa，此后该点拉应力逐渐减小，但减小幅度不大，最后稳定在66.3 MPa；而距离坡面较远位置（4.4 m以外），土钉拉应力一直呈增长趋势；从整个开挖过程来看，第一排土钉拉应力最大值逐渐从土层浅部移动到土层深部，也就是说土钉墙潜在破裂滑动面逐渐向土层深部移动[4]。

根据基坑中下部第五道土钉的拉应力变化情况可以看出，该道土钉所承受的拉应力远大于第一道土钉，最大值达到约300 MPa，拉应力随着挖深增加而逐渐增大，分布特点为浅部（离坡面近的位置）大，深部小。

4 结论

通过土钉支护深基坑的数值模拟分析，可以得出如下结论：

（1）坡顶水平位移在基坑上半部分土体开挖时增大速率最为显著，此阶段应加强观测坡顶水平位移，严格按照设计工况开挖，严禁超挖，待孔中泥浆达到设计强度要求后，再进行基坑下半部分土体的开挖；

（2）数值模拟基坑坡面水平位移变化曲线与现场实测基坑坡面水平位移变化曲线基本吻合，说明基坑支护数值模拟准确可靠。

（3）中下部土钉所承受的拉应力远大于上部土钉，可适当加强中下部土钉的截面面积，保证材料强度有足够的安全储备；

（4）数值模拟显示坡顶水平位移量满足规范要求，土钉材料发挥强度小于钢筋屈服强度，具有一定的安全储备，说明该基坑土钉支护设计方案合理有效。

参考文献

[1] 林宗元.岩土工程治理手册[M].沈阳:辽宁科学技术出版社,1993:664-672.

[2] 武亚军,栾茂田,杨敏.深基坑土钉支护的弹塑性数值模拟[J].岩石力学与工程学报,2005,24(9):1549-1553.

[3] 杨育文.黏土中土钉墙实例分析和变形评估[J].岩土工程学报,2009,31(9):1427-1433.

[4] 郑坚,龚晓南.土钉支护工作性能的现场监测分析[J].建筑技术,2004,35 (5):337-339.