深基坑土钉墙与桩锚联合支护结构数值模拟与优化

王振峰

（中国建筑材料工业地质勘查中心陕西总队）

土钉墙支护是一种以土钉作为主要受力构件的支护体系。土钉是指通过一定加工和布置，插入土体中的一种杆件。在土体中设置一定密度的土钉，利用土钉与土体之间的摩擦力和粘聚力，形成一种较为稳定的墙体，从而起到支护作用。土钉墙支护结构的组成主要包括土钉、钢筋网、喷射混凝土等[1]。其中，土钉是主要受力构件，通过与土体形成摩擦力和粘聚力来维持墙体稳定；钢筋网的作用是增加墙体的整体性和抗拉强度；喷射混凝土则是起到保护土钉和钢筋网的作用，同时增强墙体的整体性能。

桩锚支护结构是一种利用桩身和锚杆共同作用来维护基坑稳定的支护结构，主要由桩身、锚杆、腰梁等组成[2]。腰梁是连接桩身和锚杆的重要构件，能够将桩身承受的荷载传递到锚杆上，从而增强整个支护结构稳定性[3]。为深化该联合支护结构的应用，下文展开研究。

1 深基坑土钉墙与桩锚联合支护结构数值模拟

本文拟建的工程项目的规范化施工，对该项目的基本情况进行分析，如表1所示。

在此基础上，对基坑工程的基本情况进行分析，如表2。掌握基坑工程基本情况后，参照弹性模型，进行岩体本构应力-应变关系的分析，如图1 所示。在此基础上，设计支护结构参数，将其作为模型设计材料参数，如表3。

图1 岩体本构应力-应变关系

表2 基坑基本情况

表3 支护结构参数

在此基础上，将上部结构中的土钉墙进行等效荷载处理，进行项目施工的开挖，对等效超载模型开挖前、后示意图进行分析，如图2。在此基础上，进行模拟开挖支护施工工序的设计，如表4所示。

图2 等效超载模型开挖前、后示意图

表4 模拟开挖支护施工工序

根据施工现场的特点与工程项目施工的具体规范、要求，在保证构筑物基础结构安全的前提下，在基坑周围布置测点，各边位置每间隔10m～15m 设置一个监测点，每边必须保证有一个监测点，同时，在基坑的拐角位置、四周分别设置一组监测点，以此种方式，监测在施工过程中基坑周边的沉降、位移[4]。为确保施工中结构的稳定性，参照表5设计基坑周边环境在监测中的预警值。

表5 基坑周边环境在监测中的预警值

通过实时记录各个施工工序下测点的位移、变形、沉降，绘制不同监测点位连续变形情况，以该方式，掌握联合支护结构是否能在工程项目实际应用中发挥预期作用，从而实现对联合支护结构在施工中的数值模拟。

为实现在工程领域对此种联合支护结构进行推荐与应用，在后续的工作中，可从规范深基坑支护结构施工入手，发挥联合支护结构的更高效能与价值[5]。需要注意以下几点：①安全：施工前应充分考虑地质条件、地下水状况、周边环境等因素，选择合适的支护方式，确保施工安全；②质量：严格控制原材料质量，确保制作、运输、安装等环节符合规范和设计要求，以提高支护结构的质量和稳定性；③施工顺序：按照设计要求的施工顺序进行施工，确保各工序的衔接顺畅，避免因施工顺序不当导致的事故。

2 深基坑土钉墙与桩锚联合支护结构优化

2.1 支护桩间隔距离优化

对于深基坑施工而言，支护桩之间的距离设置合理性起到较大的决定性作用。在正常基坑开挖施工模型中，原有的支护桩结构间隔距离为1.5m[6]。在此基础上，间隔距离分别为1.2m、1.5m 和1.8m，三种条件下的基坑施工周围环境变形情况进行对比分析，以此确定最佳的支护桩间隔距离。在深基坑开挖区域范围内，从地表提取多个点对其沉降情况进行测定，并以此得到不同支护桩间隔距离基坑地表沉降变化曲线图，如图3。

图3 不同支护桩间隔距离基坑地表沉降变化曲线图

结合图3 中三条曲线可以看出，与深基坑开挖位置相距越远，地表沉降越明显。在距离基坑边缘26m 的位置上，基坑地表沉降量最大，沉降绝对值按照间隔距离为1.2m、1.5m 和1.8m 排 序，分 别 为1.86m、2.46m、3.34m。随着距离的进一步增加，沉降绝对值呈现出逐渐减小的趋势，在距离基坑边缘90m 的位置上，沉降绝对值最小。同时，三种不同的支护桩间隔距离条件下，地表沉降的总体变化趋势一致，均为先增加后减小的趋势。由以上比较可知，采用不同的桩距，其变形趋势大致相同，但其幅度随桩间距的增加而有所改变，一般呈现出随距离增加而增加的趋势[7]。在1.2m 的支护桩间隔距离情况下，产生的沉降均小于15m和1.8m条件下的地表沉降，其中1.8m 支护桩间隔距离条件下，地表沉降量最大。因此，综合上述分析可以得出，支护桩间隔距离取1.2m 时，此时可以更好地实现对基坑施工周围地表沉降的控制[8]。但在这一过程中考虑沉降范围误差较小，同时为了节省工程造价，对支护桩间隔距离的设置选取1.8m。

2.2 支护桩嵌固深度优化

项目拟选取12m、9m、6m，三种支护桩作为研究对象，研究不同嵌入深度对地面与支护结构变形与应力的影响。图4表示了基坑支护桩嵌固深度的示意图。

图4 三种不同基坑支护桩嵌固深度方案示意图

结合图4 的三种不同基坑支护桩嵌固深度方案，分别记录不同支护桩嵌固深度下基坑形变量，如表6。

表6 不同支护桩嵌固深度下基坑形变量

结合表6 的数据对不同支护桩嵌固深度条件下的基坑变形情况进行分析。支护桩嵌入深度越大，地面最大沉降越小，桩顶的竖向位移越小，桩顶的水平位移和弯矩越小。研究表明，适当的加固深度可以提高基坑的稳定性，但当加固深度超出一定的程度时，其对基坑的稳定作用就会降低，如果再加大的话，不仅造价会更高，而且效率也会降低。总之，在确定支护桩嵌固深度时，以9m的嵌固深度最佳，实现对支护桩嵌固深度的优化。

3 结束语

在深基坑工程施工中，支护结构的选择和使用对于保障施工安全和稳定性有重要意义。深基坑土钉墙与桩锚联合支护结构是一种常用的支护方式，此种支护方式结合了土钉墙和桩锚的优点，具有较好的支护效果。

在未来的发展中，随着工程技术不断创新和完善，深基坑土钉墙与桩锚联合支护结构将会得到进一步优化和改进，以适应更高的安全性和稳定性要求。同时，随着对地下空间利用的日益重视，深基坑工程将不断增多，这种联合支护结构的应用将具有更为广阔的前景。