土钉

苏永军 孔淑芹 王慧 刘风华

【摘要】文中以杨埕水库供水泵站深基坑工程为例，结合 FLAC3D程序有限差分分析软件，模拟杨埕水库供水泵站的地质、水文等条件建立了空间三维模型，对土钉—桩锚联合支护结构体系进行了三维动态数值模拟，并在此基础上改变某些条件后重新进行数值模拟，以便能够得到类似区域的模拟数据，为今后类似工程进行基坑支护提供理论依据。

【关键词】土钉与桩锚联合支护体系；数值仿真；FLAC3D

近年来，深基坑已经越来越普遍，工程项目所在地的地质条件也变得越来越复杂，同时还受到许多外部条件（如市政设施、地上建筑物、土地的集约利用等）的制约，单纯的放坡开挖已经不能满足工程施工的需要，需要寻求新的安全、经济的基坑支护体系。在此背景下，一种基坑上部土体使用土钉支护体系、下部采用灌注桩和锚索共同支护的组合形式（即土钉与桩锚联合支护结构）现已开始运用于地质条件较差的大、中型水利工程深基坑支护中，本文结合杨埕水库供水泵站深基坑项目，采用三维数值模拟分析的方法，对土钉和桩锚共同支护体系的作用原理进行分析。

1、仿真模型计算参数

杨埕水库供水泵站深基坑土体使用Mohr-Coulomb模型进行建模，其模型运行需要提供的参数有剪涨角d、积模量K、内摩擦角、粘聚力c、剪切模量G，其中由基坑土体的杨氏模量E依据以下两个公式转化为剪切模量G及体积模量K，以此作为能够被 FLAC3D软件所识别的塑性指标运算参数，公式见1-1，1-2。

杨埕水库供水泵站仿真模型将设计基坑土体从上至下分为七层，分别是壤土、粉质粘土、淤泥质粘土、砂壤土、壤土、砂壤土、壤土。在不同深度上每层土体的物理力学模拟参数详见表1-1，采用 FLAC3D软件中的锚索结构单元（CableSEL）和桩结构单元（PileSEL）进行数值模拟，其计算参数详见表1-2，1-3。2、模型建立

本文采用局部土地进行建模，其尺寸为：横向60m，纵向2m，竖直向26m。该模型左右制约方向为水平方向，上半部分是自由约束，底部为垂直约束。依据基坑土体应力、应变的相互关联性，优选适合本基坑土体的模型以及屈服准则，本文选用摩尔一库伦弹塑性单元进行不同情况的计算。

3、计算步骤

根据该供水泵站的基础设计，FLAC3D软件的数值模拟遵照土体开挖先后顺序进行计算边坡的水平位移、竖直位移、塑性变化，详见表1-4。

4、数值模拟

①土钉及锚索在不同长度时的水平位移量

当土钉设计长度为6米，锚索设计长度为25米时，最大水平位移量为38.755mm，当土钉及锚索长度变为设计长度的0.8倍时，最大水平位移量为43.331mm，当土钉及锚索长度变为设计长度的1.2倍时，最大水平位移量为38.324mm。上述模拟成果显示，当土钉及錨索的长度变小时，最大水平位移量增大的比较明显，然而当土钉及锚索的长度变大时，最大水平位移量减小幅度较小，故该土钉及锚索的设计长度是比较合理的。

②土钉及锚索在不同长度时的垂直位移量

当土钉与锚索的长度为设计长度时，基坑开挖完成后垂直方向的位移的最大值为16.567mm，当土钉与锚索的长度为设计长度的0.8倍时，基坑开挖完成后垂直方向的位移的最大值为16.538mm，当土钉与锚索的长度为设计长度的1.2倍时，基坑开挖完成后垂直方向的位移的最大值为16.562mm，以上结果表明土钉与锚索长度的变化对基坑开挖完成后基坑底部垂直位移量的影响不明显，并且对将来建筑物的沉降量的影响也同样不明显。

③基坑土体塑性区变化特征

通过对土钉与锚索的长度分别为设计长度、0.8倍设计长度、1.2倍设计长度分别进行数值模拟，得出的结论为当土钉及锚索长度变化时，塑性区域几乎没有影响。

综上所述，当土钉及锚索的长度发生变化时，受到影响最大是基坑边坡水平方向的位移量，而水平方向的位移量正是决定基坑边坡支护体系是否安全的最重要指标，故在基坑设计时，应做到在基坑边坡水平方向位移符合要求的情况下，尽可能降低施工的成本。

5、结论与展望

本文对桩锚与土钉联合支护结构的研究主要是利用FLAC3D软件在不同情况下进行数值模拟，通过对在不同土钉及锚索长度的情况下进行模拟，分别分析了基坑边坡支护体系的水平位移、竖直位移、塑性区的变化情况，最后依据分析数据指出土钉及锚索长度的变化造成以上3项指标变化的主要影响因素及变化规律，为今后对基坑边坡的支护采用土钉与桩锚联合支护结构提供了依据。

参考文献：

[1]何健. 基于FLAC3D的桩锚与土钉联合支护结构的数值计算. 华南理工大学硕士论文.2010.10.

[2]周勇，张磊.深基坑土钉加预应力锚杆支护结构设计参数的灵敏度分析.岩土工程学报.2014.11.

[3]王邓峮，叶帅华，朱彦鹏.考虑预应力作用的土钉复合锚杆支护结构的稳定性分析.兰州理工大学学报.2015.02.

作者简介：苏永军，山东寿光人，1981.06出生 河北水利电力学院讲师，长期从事水利工程研究。