风化凝灰岩土钉支护基坑工程的数值分析和模拟

严耿明 黄建华,2

(1．福建工程学院土木工程学院 福建福州 350108；2．地下工程福建省高校重点实验室 福建福州 350108)

0 引言

土钉支护是一种运用于基坑开挖支护、隧道和边坡加固的挡土技术，土钉支护具有占地面积小、施工效率高、成本低廉、施工过程简易等特点。所谓土钉支护，就是用土钉作为应力构件加固原位岩土体，同时与被土钉锚固的岩土体、喷射混凝土面组成支护结构，抵抗基坑侧壁的土压力以及位移。

目前针对土钉支护结构的研究主要集中在支护结构变形研究[1-3]，土钉支护结构的压力分布模式，以及土钉支护结构的优化模拟分析[4-5]等方面。沿海地区风化凝灰岩地质条件下的土钉支护结构的力学表现和变形性质，对工程施工安全有着重要的指导作用，对于支护工程的建设有非常重要的理论意义和工程应用价值。

本文结合工程实例以及数值模拟，对土体受力、位移、变形进行分析，得到其在稳定、变形等方面的一些基本规律，进而提出土钉支护技术在风化凝灰岩地质条件下基坑设计建议，为优化支护设计提供参考。

1 工程概况及地质条件

拟建建筑物施工场地属山前准平原地貌单元。项目总规划用地面积约6.1万m2，拟建项目由9栋高层住宅楼和裙楼及地下室组成。其中，5栋住宅楼为18层，4栋住宅楼为33层，裙楼均为1层，地下室为2层。场地东侧与村庄接壤，西侧北侧与住宅楼相接。场地经大致整平地势较平坦，标高为4.20m～15.70m。

1.1 场地岩层特征

拟建工程岩土层典型剖面图见图1，土层分布特征如下。

图1 岩土层典型剖面图

① 杂填土：灰-灰黄色，稍湿-饱和，松散状态，主要由粘性土、碎石及建筑垃圾等组成，厚度0.50m～5.30m。

② 淤泥：深灰色，流塑-饱和，主要由粘、粉粒组成，含少量腐植质和细砂，厚度1.20m～6.30m，平均厚度3.23m。

③ 凝灰岩残积粘性土：褐黄-灰黄色，湿，可塑-硬塑状态，残余原岩结构，主要以粘性土为主，厚度1.30m～17.30m。

④ 全风化凝灰岩：褐黄-灰黄色，凝灰结构，散体状构造，岩体极破碎，为极软岩，质量等级为Ⅴ级，层厚1.90m～4.80m。

⑤ 砂土状强风化凝灰岩：褐黄-灰黄色，凝灰结构，散体状构造，岩体极破碎，为极软岩，质量等级为Ⅴ级，层厚4.50m～30.60m。

⑥ 碎块状强风化凝灰岩：灰黄色，凝灰结构，碎裂状构造，孔隙发育充分，岩体破碎，为极软岩-软岩，质量等级为Ⅴ级，揭露厚度2.20-19.00m。

1.2 场地水文地质条件

施工场地的地下水主要受降雨的下渗补给及渗流补给，通过蒸发及侧向渗流排泄。场地初见水位埋深2.21m～4.27m，混合稳定水位埋深为2.09m～4.13m。③凝灰岩残积粘性土中的网状分布的孔隙裂隙水，为潜水，透水性较差，富水性较差。④全风化凝灰岩的基岩孔隙裂隙水具弱承压性，渗透性主要受孔隙的性质及丰度控制，张性裂隙丰度较差，其水量一般。因此，应在基坑内布置井点降水体系确保土钉支护施工顺利。

2 支护方案选择

二层地下室基坑工程开挖土层以①杂填土、②淤泥、③凝灰岩残积粘性土、④全风化凝灰岩为主，开挖深度不大(介于1.80m～6.10m)，由于存在①杂填土、②淤泥软弱土层，基坑在放坡开挖过程，基坑侧壁土体在自重、土压力及地下水渗流作用下可能发生坍塌、滑坡等破坏，须采取防护措施。

由于工程工期紧，在保证基坑安全前提下采取快速有效的基坑支护可加快施工进度。其次，基坑工程面积大，支护范围广，需要采用最经济的支护手段，在适应地质要求同时尽可能减少成本，降低工程造价。同时施工现场施工设备多，占用大部分场地，留给支护结构的空间较少。结合工程场地的地质条件及周边情况，基坑开挖支护方式采用土钉支护结构形式。土钉支护结构剖面图如图2所示。

图2 土钉支护剖面图

3 有限元分析

3.1 有限元模型的建立

在方便计算的前提下，对土钉支护结构进行有限元模拟时有如下4种假定：(1)设定模型为二维平面，支护问题是平面应变问题；(2)基坑岩土体为各向同性且颗粒均匀的弹塑性体；(3)土钉结构为理想弹性体；(4)不考虑车载影响[6-8]。

本文对基坑支护模型分析采用二维分离式模型，把土体、土钉结构和喷射混凝土面视作3种独立的单元结构，并考虑单元间相互作用。土钉支护结构模型长度取25m，高度取11.5m，模拟的基坑开挖深度为10.6m。模型使用15节点的三角形单元进行网格划分，模型两侧设置水平约束，模型底部设置水平和垂直两方向约束。模型中，混凝土面用板单元来模拟，板单元表面的界面单元用来模拟岩土体、土钉以及喷射混凝土面的相互作用；土钉仅考虑其抗拔能力，且与土体紧密贴合，不考虑被拔出土体，用锚锭杆单元来模拟[9-11]。土体中，浅黄色为粘性土层，淡绿色为强风化凝灰岩土层，具体土层物理力学参数见表1。土钉支护模型见图3(a)，根据工程设计施工参数，建立网格划分图3(b)，初始应力分布图4(a)，初始水压力分布图4(b)。

(a)

(b)图4 初始应力和水压力分布图

表1 各土层物理力学参数表

3.2 施工步骤模拟

为了模拟实际施工过程，减少有限元模拟与实际的偏差，将有限元模拟分为7个步骤，具体程序如下：(1)通过重力加载形成土层的初始应力状态，激活岩土体单元及边界条件，仅计算土体的初始应力场。(2)开挖第一层岩土体，建立第一层土钉并配置喷射混凝土面。(3)开挖第二层岩土体，建立第二层土钉并配置喷射混凝土面。(4)开挖第三层岩土体，建立第三层土钉并配置喷射混凝土面。(5)将基坑水位降低至开挖面以下，开挖第四层岩土体，建立第四层土钉并配置喷射混凝土面。(6)将基坑水位降低至开挖面以下，开挖第五层岩土体，建立第五层土钉并配置喷射混凝土面。(7)将基坑水位降低至开挖面以下，开挖第六层岩土体，配置喷射混凝土面[12]。

3.3 基坑变形分析

图5为基坑开挖过程中基坑变形的模拟图。

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)图5 基坑开挖变形图

随着基坑开挖的进行，基坑侧壁受周围岩土体产生的侧向土压力的影响会向基坑开挖侧发生水平位移，如图5所示，基坑侧壁侧向位移由基坑开挖坡面呈现曲线状分布，随着开挖深度的不断增加，基坑侧壁侧向位移也随之逐渐增加，且有变形加快的趋势。前两步工序水平位移量较少，在第三步、第四步工序开挖支护时，基坑侧壁发生了相对较大的变形，第五步与第六步工序造成的位移又有所减少。开挖支护稳定后，基坑坑壁最大位移在基坑的中下部，距离坡顶7m位置，最大位移为7.22cm，基坑侧壁侧向位移随开挖深度呈现出类似于括号的曲线。具体各工序坑壁水平位移如图6所示。

实测的最大位移为7.35cm，略大于模拟的结果，其原因是数值模拟是一个理想化的过程，忽略了在实际开挖时岩土体可能因为开挖而产生强度降低现象。

图6 各工序水平位移统计

由于基坑的开挖，基坑底部出现隆起现象，这有两个原因：一是原位土体被开挖后卸载荷载产生的回弹，二是因为基坑四周的岩土体产生的侧向压力对基坑底部具有挤压的效果。随着基坑开挖的进行，在开挖卸荷和挤压作用的影响下，基坑底部隆起量不断增大，呈现出在粘性土层隆起较少，在风化凝灰岩层隆起较大且较为均匀。基坑底部隆起量的最大值部位向基坑底部中心位置靠近，开挖施工结束后，基坑底部隆起量最大值出现在基坑中心位置，最小值在坑壁坡脚处，最大隆起量为8.41cm。基坑中心位置岩土体的隆起量比基坑侧壁位置岩土体的隆起量更大，且随着开挖的进行，两个位置隆起量差值逐渐增大。基坑底部隆起量数据如图7所示。

实测的隆起量最大值为8.19cm，略小于模拟的结果，其原因是数值模拟受限于模型的边界，不能完美地模拟出基坑底部隆起的整体过程，但其变形趋势与实际基本相同。

图7 各工序基坑坑底隆起量统计

基坑周围地表由于基坑的开挖会产生沉降，并随着开挖量增加，沉降量不断增加，但切增速较为均匀。基坑四周地面的沉降量沿远离坑壁的方向呈现出下凹曲线状分布，在距离基坑一定距离后，地表沉降量将归零。基坑开挖完成后，沉降量最大值出现在离基坑侧壁1.5m位置，沉降量最大值为2.74cm。开挖的前4个步骤，基坑侧壁附近沉降量为正值，其原因是基坑开挖卸荷造成的回弹变形。各工序具体沉降量如图8所示。

实测的沉降量最大值为2.81cm，略大于模拟的结果，基坑周围土体的沉降量与基坑侧壁的位移相关，基坑侧壁水平位移的实际值大于理论值，导致土体沉降量的实际值大于理论值。

图8 基坑周围土体沉降量

3.4 基坑内应力分析

图9为基坑开挖过程剪应力分布。

其中，图9(g)为剪应力分布图的色度表，单位为(kN/m2)。

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

(g)图9 基坑开挖剪应力分布

由于侧向土压力，开挖基坑会造成基坑坑壁底部剪应力集中，第一步、第二步开挖时产生的剪应力较小，后4步开挖产生剪应力较大。基坑开挖分两层，在第三步开挖之后，上层坡脚处剪应力基本不变，保持在18kN/m2左右。基坑开挖完成后，剪应力最大值出现在坡脚处，最大值为37kN/m2，小于抗剪强度，并未出现剪切破坏现象，基坑整体处于较为稳定状态。

3.5 基坑内渗流场分析

图10为基坑开挖过程渗流场的分布。

(a)

(b)

(c)

(d)图10 基坑开挖渗流场

其中，d图为渗流场色度表，单位为m/d。

工程拟建场地地下水位为6.0m，第四步到第六步工序开挖原地下水位以下岩土体，基坑内需布设井点降水装置降低地下水位至开挖深度以下再进行开挖支护。降水后的基坑内的地下水位与场地外的地下水位之间的水头差形成渗流场。图10是有限元模拟的第四步到第六步基坑内的渗流场。在坑壁坡脚处，渗流速度较快，基坑开挖完成后最大渗流速度为19.08m/d。工程实际中，岩土体在自重压力下仍保持完整和稳定，未有流沙流土等破坏现象。

4 基坑稳定性验算

4.1 土钉抗拔承载力验算

为了控制单根土钉拔出后造成的土钉墙支护局部段失稳，需要单独算出每根土钉在侧向土压力作用下产生的轴向应力和每根土钉的抗拔承载力，同时计算得出的两种参数必须符合下式的公式规定:

式中Kt为土钉抗拔安全系数，安全等级为二级的土钉墙，Kt应不小于1.6，Nk,j为第j层土钉的轴向拉力标准值(kN)，Rk,j第j层土钉极限抗拔承载力标准值(kN)。经计算，Kt最小值为6.169，满足上述公式要求。

4.2 整体稳定性验算

土钉支护结构的整体稳定性验算应该参照施工期间各工序可能产生的滑动面，采用圆弧滑动简单条分法进行计算，计算公式如下：

min{Ks1,Ks2…Ks3, …}≥Ks

代入参数Ksmin值为4.35大于1.3，满足上述公式要求。

5 结论

本文运用理论分析结合数值模拟的方法，对风化凝灰岩地质基坑土钉支护安全稳定性的问题进行研究。二维分离式模型模拟了基坑在开挖全过程中变形以及受力。研究结果表明：

(1)PLAXIS有限元软件能很好地模拟整个基坑开挖并进行土钉支护过程，采用摩尔库伦模型计算的坑壁位移、基坑底部隆起以及基坑四周地面沉降的数据可靠，与实测监测数据先吻合，对变形的分析与工程实际变形基本相似。

(2)由各工序水平位移统计可以看出，土钉支护下基坑坑壁水平位移呈先增大后缓慢减小，最大位移出现在基坑中下部距离坡顶7m处，最大位移为7.22cm。由各工序坑底隆起统计可以看出，基坑坑底隆起量在基坑中心最大，眼两侧逐渐减小，隆起量最大值为8.41cm。由基坑周围土体沉降统计可以看出，基坑周围地表沉降深度随离基坑的距离增加而减少，沉降量最大值为2.74cm。基坑变形在允许值之内，整体结构较为稳定，满足工程需求。

(3)由基坑各工序开挖剪应力分布可以看出，基坑坑壁底部形成剪应力集中区，在坡脚出现最大值，剪应力沿远离坡脚方向逐渐减少，最大值为37kN/m2。小于土体抗剪强度，并未产生剪切破坏。

(4)由基坑各工序开挖渗流场分布可以看出，在开挖低于原地下水位的岩土体时，基坑内部产生渗流场，在坡脚处渗流速度最大，最大渗流速度为19.08m/d，拟建场地岩土体性质较好，并未产生渗流破坏。