基于FLAC3D的仰斜超前微桩复合土钉应用研究

徐孟龙，王 辉，杨廒葆，高东源，刘学会

(河南理工大学 土木学院，河南 焦作 454000)

近年来，我国经济发展迅速，随着地上建筑高度的增加，对基坑支护的要求越来越严，地下情况复杂隐蔽工程较多，稍有不慎，即有可能危及基坑本身以及附近建筑设施的安全，造成巨大的经济损失[1-3]。基坑支护方法众多，最经济的非土钉墙莫属[4-5]，但《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120-2012)规定：在土质为砂土、碎石土、松散填土等的基坑支护工程中，确定土钉墙坡度时尚应考虑开挖时坡面的局部自稳能力；微型桩、水泥土桩复合土钉墙，应采用微型桩、水泥土桩与土钉墙面层贴合的垂直墙面[6]。刘绪锋提出了微型桩能在很大程度上提高未支护土体的局部稳定性[7]，若墙面垂直被动土压力就会增大，不利于支护。因此，本文提出了仰斜超前微桩和传统土钉相结合的新体系，应用于黄泛区某基坑工程。

1 工程概况

开封地区地处华北地层区，整体属于黄河中下游地段，历来受黄河影响较大，处于黄河泛滥带中心位置。该工程位于开封市安康路与第五大街交叉口西南角，基坑开挖深度为9.5 m，地下2层为地下车库属于框架结构，地上10层为拟建大厦属于框剪结构。该工程的重要性等级为二级、场地复杂程度为二级(中等复杂)场地，地基复杂程度为二级(中等复杂)地基，岩土工程勘察等级为乙级。

1.1 工程地质条件

该场地地势平坦，所处地貌为冲洪积平原，场地比较稳定，地层结构比较明显，场地内地层可划为6层，其各层土体具体参数如表1所示，土样分析结果表明土对建筑材料有微腐蚀性。

表1 土体物理力学参数

1.2 水文地质条件

该场地上部砂层赋水性能好，含丰富的浅层地下水。地下水类型属孔隙潜水类型，水位变化主要受大气降水和人为活动影响。勘察期间，稳定地下水位埋深在地面下约4.5 m，历史最高水位地面下2.0 m(水位标高-2.0 m)，抗浮水位按地面下2.0 m(抗浮水位标高-2.0 m)。据场地水质化验结果：该场地地下水对混凝土结构具微腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋在干湿交替环境中有微腐蚀性。

2 仰斜式理论分析

法国学者库伦在1776年提出了一种计算土压力的理论，称为库伦土压力理论。该理论是根据挡土墙后的静力平衡条件进行分析。假设挡土墙体属于刚性的。如图1所示，当土体在挡土墙的支挡下达到极限平衡时，墙后的土体以三角楔体的形式沿着滑动面或者墙背向下滑动(图1中R为滑裂面BC上的反力，E为墙背对土楔的反力)。根据挡土墙后三角状楔体的力学平衡条件，可得出墙背所受到的库伦主动土压力[8]。

图1 挡土墙与三角滑动土体

(1)

(2)

其中：Ea-库伦主动土压力；Ka-库伦主动土压力系数；H-挡土墙高；γ-墙后土体重度；ε-墙背与垂线的夹角；β-土体表面与水平面夹角；θ-滑裂面与水平面夹角；φ-土体内摩擦角；δ-墙背与土体的摩擦角。

由公式(1)可以看出，主动土压力主要与土体重度，挡土墙高度以及库伦主动土压力系数有关，在前两个参数保持一定时库伦主动土压力又主要与ε，δ，φ，β四个参数有关。而在普通的基坑支护中墙后土体表面一般为水平，也即β为零。另外，在土体内摩擦角φ和墙背与土体的摩擦角δ一定的情况下，支挡墙体所受到的库伦主动土压力就仅仅与墙背与垂线的夹角ε相关。经过代入具体参数验算以及查表容易得出，在其他参数一定时，墙背与垂线夹角ε为负值时的主动土压力系数均比ε为正值或零时小(ε自垂线起，顺时针为负，逆时针为正)，具体数据见表2。采用仰斜式支挡结构要比垂直式支挡结构的支挡体所受到的库伦主动土压力小，这也是本文中超前微桩复合土钉支护要采用仰斜式的主要原因，如图2所示。

图2 仰斜式挡土墙与滑动土体

εφ20°25°30°20°0．6480．5690．49810°0．5600．4780．4070°0．4900．4060．333-10°0．4330．3440．270-20°0．3800．2870．212

注：表中数据为在δ= 0，β= 0时得出。

3 FLAC3D模拟

3.1 模型建立

考虑到基坑开挖范围太大，另外基坑坑底标高不一致，因此选择其中一段开挖深度最大(考虑最不利情况)的一段进行数值模拟。为了降低模拟边界条件对基坑开挖模拟过程的影响，使计算结果更加准确，模型在水平方向上的大小取开挖深度的4倍，在竖直方向上取3倍开挖深度[9-10]。模型的尺寸大小为长×宽×高=30 m×1.5 m×25 m，共有9 000个实体单元、12 444个网格节点、20个pile结构单元、72个cable结构单元(计算模型如图3所示)。

图3 基坑计算模型图

开挖深度为9.5 m，在x=0 m及x=30 m约束x轴方向位移，y轴方向上的位移在y=1.5 m和y=0 m处进行约束，z轴方向只约束底面z=-25 m处的位移，基坑顶面自由。土体本构模型采用Mohr-Coulomb模型[11-12]，开挖用Null空模型模拟，钢管微桩选用pile结构单元来模拟(具体参数见表3)，土钉采用cable结构单元来模拟(具体参数见表4)，面层采用shell结构单元来模拟(具体参数见表5)。

3.2 数值模拟参数的确定

土体的剪切模量G和体积模量K可用下述公式3和公式4计算，即：

(3)

(4)

其中：E-弹性模量，ν-泊松比。

表3 仰斜微桩参数表

表4 土钉主要参数表

表5 面层参数表

3.3 基坑开挖及计算

模拟过程最大程度的还原基坑实际开挖支护过程，具体模拟计算过程为：

(1)建立理想基坑模型为各层土体赋参，进行初始应力平衡，得到平衡状态。

(2)初始各方向的位移、速度归零，加入仰斜pile结构单元，pile单元长度为0.5 m，间距1.5 m，直径0.09 m，整个桩长10 m，注浆采用M20水泥砂浆，然后对pile单元进行赋参，设置基坑顶部水平位移监测点、基坑顶部沉降监测点、基坑侧壁水平位移监测点等。

(3)工况一：基坑开挖至-2 m，即超挖0.5 m，以方便下一步的土钉施做，开挖部分用空单元进行模拟。工况二：开挖至-2 m后及时施做第一排土钉然后喷射混凝土面层，进行solve计算。工况三：开挖至-3.5 m，进行平衡计算。工况四：开挖至-3.5 m后及时施做第二排土钉然后喷射混凝土面层，进行平衡计算。工况五：基坑开挖至-5 m，进行solve计算。工况六：开挖至-5 m后尽快进行第三排土钉和混凝土面层的施做，然后进行平衡计算。工况七：基坑开挖至-6.5 m，进行平衡计算。工况八：待基坑开挖至-6.5 m后及时施做第四排土钉和混凝土面层，然后进行平衡计算。工况九：基坑开挖至-8m，然后进行平衡计算。工况十：待基坑开挖至-8m后，及时进行第五排土钉和混凝土面层的施做，然后进行平衡计算。工况十一：基坑开挖至9.5 m，进行solve计算。工况十二：待基坑开挖至-9.5 m后，及时施做第六排土钉和混凝土面层，进行平衡计算。

3.4 计算结果分析

(1)基坑顶水平位移分析

图4基坑顶水平位移模拟值图5基坑顶水平位移实测值

由图4可知：基坑顶部水平位移随基坑的开挖有逐渐增大的趋势，当开挖至-2m时变形速率较大，随后变形速率变小，这是由于在下一步的开挖过程中设置的第一排土钉起到了作用；基坑开挖完成后顶部位移稳定在14.5mm左右。由图5可知：基坑顶部水平位移模拟值与监测值变化规律基本一致，但在基坑开挖至-8m时水平位移有突然增大趋势。

由图6可知：随着基坑的开挖基坑侧壁水平位移逐渐增大，在-8 m到-9.5 m开挖时位移增长速度较快，说明此步开挖是基坑开挖全过程中最危险的一步，一定要加强监测加强防范措施；图6中显示随基坑开挖侧壁最大位移逐渐下移，在基坑深度-7 m位置达到最大，最大值为35.6 mm。

(2)坑外地表沉降分析

图6 基坑侧壁水平位移

图7坑外地表沉降模拟值图8坑外地表沉降实测值

由图7可知：基坑外土体沉降随基坑开挖先有逐渐增大的趋势，在距离基坑10 m左右的位置达到最大值，而后沉降开始逐渐变小，在17 m左右沉降值达到平衡，其变形曲线近似呈“碗口状”；-2 m到-5 m开挖过程沉降变化较小，最后一步开挖沉降明显增大且在坑外0到3 m位置沉降突然增大，在距坑边缘10 m远的位置达到最大值18.56 mm。图8中实测基坑外土体沉降规律与模拟值的规律呈现出一致性，同样在基坑开挖至-8 m时，基坑沉降突然增大，尤其在距基坑3 m范围内变化明显。分析其原因：实际基坑施工工程中，开挖至-8 m后有天降大雨情况的发生，增大了基坑土体自重，进而引起了基坑位移与沉降的突然增大。因此，在实际施工过程中一定要时刻关注天气变化，避免在雨天施工，且要有良好的基坑防排水措施。

(3)土钉轴力分析

图9开挖完成后土钉轴力模拟值图10开挖完成后土钉轴力实测值

土钉轴力仅分析基坑开挖完成后的受力状态，即开挖至-9.5 m时，图9显示，各排土钉轴力均为中间大，两头小[13]；第三、四排土钉轴力最大为86 kN，最大位置均出现在4.5 m左右，而第一、二和五排土钉最大轴力分别为50 kN、75 kN和45 kN，位置分别出现在距离土钉头约6 m、4.5 m和3.5 m，说明此时第三、四排土钉其主要作用。图10是开挖完成后实测到的土钉轴力值，图10中显示每排土钉轴力最大的位置出现在距离钉头约4 m处；第三排和第四排土钉轴力最大，最大值比模拟值要大一些，约为90 kN，但规律表现出一致性，这与实际施工过程中的环境条件有很大的关系；第六排土钉轴力较小，这说明土钉支护不能立即发挥作用，具有一定的滞后性。

(4)超前钢管微桩弯矩分析

图11仰斜微桩桩身弯矩模拟值图12仰斜微桩桩身弯矩实际值

由图11可知：随基坑开挖深度的增加桩身最大弯矩逐渐下移，最大弯矩的位置均出现在当前开挖深度附近。由桩的受力状况可知：仰斜微桩分担了一部分基坑的土侧压力，抑制了局部変形，提高局部稳定性。对比图11桩身弯矩模拟值，实测弯矩整体较大，分析其原因可能是数值模拟中只考虑了主要的影响因素，而忽略了一些偶然因素，工程现场可变因素较多，如恶劣天气、周围人的活动等。根据施工记录，在-8 m开挖后出现了大雨的恶劣天气，导致桩身弯矩的实测值比模拟值大。

4 结论

(1)在砂土与粉砂土等松散地质条件下，运用仰斜超前微桩技术和传统土钉技术相结合形成的新组合体系，可以抑制基坑开挖支护过程中的局部失稳现象，提高了局部稳定性。

(2)当基坑开挖至-9.5 m时，轴力最大的土钉位置出现在第3、4排，每排土钉的最大轴力位置距土钉头约4.5 m，呈向土钉两端递减趋势，说明此时这两排土钉发挥主要作用。建议以后在类似工程中加大这两排土钉的布设密度、长度和土钉直径。

(3)随着基坑的开挖，基坑侧壁水平位移以及基坑外土体沉降都逐渐增大；当开挖到-8 m到-9.5 m位置，即最后一步开挖时位移增长速度最快；开挖完成后基坑侧壁最大位移出现在深度-7 m的位置，最大沉降位置在距基坑边缘10 m处。建议在以后类似工程中可设置预应力锚索代替土钉。

(4)数值模拟数据和实际监测数据相比，实际监测结果略大，原因是数值模拟中只考虑了主要的影响因素，而忽略了一些偶然因素，而工程现场可变因素较多，尤其在恶劣天气条件下要加强监测、注意基坑降排水；本工程中各项监测指标实测值均在可控以及规范要求范围之内，同时监测数据显示的规律与模拟结果基本一致，进一步验证了FLAC3D模拟的可行性，而且说明了该支护体系在该工程中发挥了很好的支护作用。

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