土钉+喷射混凝土加固基坑边坡的稳定性分析

2022-11-18曾彩云西南交通大学希望学院四川成都610400

砖瓦 2022年11期

曾彩云（西南交通大学希望学院，四川成都 610400）

土钉+喷射混凝土组合支护加固基坑边坡的模式在工程中广泛存在，其构成的土钉墙具有一定的抗弯强度，因而在建筑基坑边坡加固工程中得到广泛认可，特别对于岩土的自稳性较高、开挖深度浅的基坑，更是一种有效控制基坑侧向位移变形的措施。众多学者对此开展了研究。林杭等[1]对土钉长度变化带来的边坡稳定系数差异进行了有限差分数值模拟研究，研究得到如下结论：土钉长度的变化对边坡稳定性的影响与其是否穿过滑动面密切相关。胡敏云等[2,3]结合工程实际主要研究了复合土钉墙（CSNW）在的应用和施工，对两种计算模型的土钉轴力分布、超前桩的受力以及土体的位移模式等进行研究，结果表明：复合土钉支护与一般土钉支护加固方式的性状有明确差异。王辉等[4,5]对三类支护加固体系的作用机理进行了分析，结果表明：不同加固体系的作用机制各异。段其品等[6]对深基坑加固设计方法进行了研究，结果表明：与基坑坑壁相关的大变形或坍塌问题构成了基坑的主要灾害形式。丁勇春等[7,8]采用FLAC3D 软件专门就基坑的变形特性进行了与荷载相关的机理研究，结果表明：放坡开挖阳角是基坑变形的不利区域，其最大侧向变形位于下部坡脚位置处。张荣平等[9,10]通过数值模拟手段土钉支护与分步开挖时变形和安全系数变化过程的数值模拟，结果表明：在FLAC3D 中构建的数值计算模型是合理的，软件所采用的分析方精度较高。朱剑锋等[11]提出了一种全局优化算法用于预测和计算土钉加固后边坡的滑动面，结果表明：结合了Morgenstern-Price的算法，能够有效体现加固后边坡的稳定性，可用于实际工程中。

通过对以上学者的研究手段的分析可知，目前针对加固后的基坑边坡变形和安全系数计算主要涉及三类方法：数值模拟、理论分析、模型试验。研究成果众多，本文主要根据陕西省宝鸡市一浅开挖建筑基坑工程，研究土钉+喷射混凝土方式组合支护形式的土钉墙加固基坑边坡的稳定性特征，采用MIDAS-GTS 数值模拟软件构建二维数值模型，主要通过分析不同坡率下的喷射混凝土型土钉墙的最大弯矩变化特征进行。

1 工程概况

本文以陕西省宝鸡市一浅开挖建筑基坑工程为依托，实体基坑模型图如图1 所示，计划开挖5.8m 深度，基坑开挖深度影响范围内共有三层粉质黏土。从上至下共有三排土钉，第一和第二排土钉长度设置为5m，最下部土钉长度为3m。三层粉质黏土的性状如下：

第一层，粉质黏土（Q4al+pl），土黄色、灰褐色，可塑，含铁锰质结核及灰白色泥质团块。干强度中等，中等韧性，摇振反应无，稍有光泽。层底埋深6.40m～7.30m，地层厚度2.50m～3.80m。

第二层，粉质黏土（Q3al+pl），褐黄色，硬塑，含铁锰质结核。干强度中等，中等韧性，摇振反应无，稍有光泽。层底埋深11.30m～12.50m，地层厚度4.50m～5.50m。

第三层，粉质黏土（Q3al+pl），黄褐色，硬塑，含铁锰质结核及灰白色泥质条带。干强度中等，中等韧性，摇振反应无，稍有光泽。层底埋深13.40m～14.40m，地层厚度1.30m～2.40m。

各层土体的相关物理力学参数如表1所示。

表1 地层物理力学参数

2 数值模型建立

按照图1 中所示的实体基坑模型首先在MIDAS/GTS软件构建长宽尺寸一致的长方形待开挖模型，通过网格剖分，将上述未开挖的土体模型剖分为8152 个有限单元体，其中，包含有8101个单元节点。根据表1给出的各层土体的参数对不同区域的土体进行材料属性设置。采用逐层分步开挖进行基坑开挖模拟和各阶段的基坑边坡支护，开挖后的基坑两侧边界设置25MPa的强度，以模拟喷射混凝土层，基坑底部设置为自由边界。

图1 实体基坑模型

3 计算结果分析

为了分析边坡坡率对喷射混凝土弯矩的影响，并通过对不同坡率条件下的喷射混凝土土钉墙最大弯矩的分析比较，确定合理的开挖坡率，设置了三种坡率开挖工况，分别为坡率为1:0.25、1:0.5、1:0.75的工况1、2、3。通过数值分析，求解得坡率为1:0.25 时的喷射混凝土的Y方向的弯矩云图，如图2所示；坡率为1:0.5时的喷射混凝土的Y 方向的弯矩云图，如图3 所示；坡率为1:0.75 时的喷射混凝土的Y 方向的弯矩云图，如图4 所示；此外，绘制了不同坡率条件下的最大弯矩变化图5；最后，采用软件内置的强度折减法计算了三种工况下的基坑边坡稳定性，并绘制了如图6所示的不同坡率条件下的安全系数变化图。

3.1 坡率为1:0.25

当基坑边坡坡率设置为1:0.25时，求解得到了如图2 所示坡率为1:0.25 时喷射混凝土的Y 方向的弯矩云图。

由图2可知，基坑边坡坡率设置为1:0.25条件下喷射混凝土的Y 方向的最大弯矩为4.46kN·m，上部两排土钉附近处的弯矩较大，靠近坡脚处一排土钉处的最大弯矩约为1.49kN·m，喷射混凝土的弯矩分布整体呈现各排土钉位置处最大，向土钉两侧位置处的弯矩逐渐减小，减小规律呈现出线性变化特征。

图2 工况1喷射混凝土Y向的弯矩

3.2 坡率为1:0.5

当基坑边坡坡率设置为1:0.5 时，求解得到了如图3所示坡率为1:0.5时喷射混凝土的Y方向的弯矩云图。

图3 工况2喷射混凝土Y向的弯矩

由图3 可知，基坑边坡坡率设置为1:0.5 条件下喷射混凝土的Y 方向的最大弯矩为3.96kN·m，上部两排土钉附近处的弯矩较大，靠近坡脚处一排土钉处的最大弯矩约为1.98kN·m，喷射混凝土的弯矩分布整体呈现各排土钉位置处最大，向土钉两侧位置处的弯矩逐渐减小，减小规律呈现出线性变化特征。

3.3 坡率为1:0.75

当基坑边坡坡率设置为1:0.75时，求解得到了如图4 所示坡率为1:0.75 时喷射混凝土的Y 方向的弯矩云图。

图4 工况3喷射混凝土Y向的弯矩

由图4可知，基坑边坡坡率设置为1:0.75条件下喷射混凝土的Y 方向的最大弯矩为3.67kN·m，上部两排土钉附近处的弯矩较大，靠近坡脚处一排土钉处的最大弯矩呈现为反方向，大小约为1.83kN·m，喷射混凝土的弯矩分布整体呈现各排土钉位置处最大，向土钉两侧位置处的弯矩逐渐减小，减小规律呈现出线性变化特征。

3.4 最大弯矩变化

根据上述分析，绘制了最大弯矩随着工况条件的变化图，如图5所示。

图5 各工况喷射混凝土Y方向的最大弯矩变化

由图5 可知，随着基坑边坡坡率的降低，喷射混凝土Y方向的最大弯矩逐渐减小，相对于工况1，工况2条件下的喷射混凝土Y方向的最大弯矩减小了11.2%，工况3的喷射混凝土Y方向的最大弯矩减小了17.7%。

3.5 安全系数变化

采用软件内置的强度折减法计算三种工况下的基坑边坡稳定性，分别得到工况1 的安全系数为1.94，工况2 的安全系数为2.04，工况3 的安全系数为2.1，均能满足规范要求，绘制相应的变化趋势图，如图6所示，可见随着边坡变缓，安全系数逐渐增大。但是，考虑到坡率较大时的土方开挖量较小，从节约成本的角度，应采用工况1的基坑边坡坡率。