基坑工程土釘支護優化設計

蘇 亮

（湖南水利水電職業技術學院 長沙市 410131）

引 言

土釘技術作為一種主動受力支擋結構出現在20世紀70年代，是用于加固土體和保持邊坡穩定的一種新型內部加固技術，具有經濟、可靠和施工快等優點，因此應用十分廣泛[1-4]。然而很多傳統的基坑土釘支護工程設計中，雖然采用的各種方法尋找滑動面的具體位置，但是最終的設計方案均采用等長度的土釘對基坑進行加固處理[5-8]。雖然這種傳統的方法很好地解決了基坑穩定性的問題，但是設計僅僅基于經驗而缺乏合理的科學依據，且傳統的設計方法往往造成材料的浪費，因此，很有必要對基坑土釘支護工程進行優化設計。

1 算例分析

1.1 模型尺寸、邊界條件、材料參數設定

某調水工程一建筑基坑開挖深度為10m，其計算區域幾何尺寸和分析模型如圖1所示，該基坑底部土體為均質土體，基坑內部無地下水及滲流等水頭作用。在基坑開挖過程中按照設計要求采用5層土釘對該基坑進行支護，其中每層土釘的設計長度均為8m，土釘在基坑內部橫向布置間距為1m，縱向布設間距為1.5m，第一層土釘距離地表距離為2m。

圖1 土釘支護分析模型

1.2 數值計算結果分析

由于該基坑距離相對較長，且斷面尺寸在長距離范圍內基本保持不變，因此在用商業軟件對基坑土釘支護進行數值計算的過程中，假定該基坑為平面應變問題，在二維范圍內進行數值計算。

該工程土釘支護的前后數值計算模型如圖2所示，本計算模型的邊界處理過程中，參考工程的實際情況，在模型左右兩側施加橫向位移約束，在模型底部施加縱向位移約束，未開挖側頂部受一均布荷載。在數值計算過程中，土體采用傳統的摩爾庫倫模型，混凝土層選用線彈性本構模型，土體、地基及混凝土的材料性能參數如表1。

圖2 支護前后數值計算模型

表1 材料參數表

通過數值計算可得該基坑工程在利用土釘支護前后的安全系數值及滑動區域的相對大小如圖3所示。通過圖中數據可知，基坑在未加固之前安全系數為0.630，處于極不安全的狀態，在利用設計方案對工程加固之后，基坑安全系數明顯增大，邊坡處于相對穩定的狀態。

圖3 支護前后數值計算結果

3 安全系數的敏感性分析

由圖3中所示的基坑土釘支護后數值模擬結果可知，由于土體內部的滑動面大致呈弧形，而設計支護方案中采用相等長度的土釘進行基坑加固，這一設計方案雖然很好地提高了基坑的安全性和穩定性，但是也導致了基坑底部位置的土釘由于超出滑動弧面距離過長而處于“閑置”狀態。這種傳統的設計方法不僅導致材料的浪費，而且增加了工程施工的工作量，因此筆者借助敏感性分析方法針對這一問題進行了優化。

3.1 土釘布設角度、間距及長度對安全系數影響

土釘外部參數設置對基坑穩定性的敏感性分析中，以基坑的安全系數為研究對象，采用單因素分析法探究基坑安全系數隨土釘的角度、間距及長度變化過程中的變化規律。

選取與上文相同的基坑模型及材料力學特性參數對基坑穩定性進行數值計算，在保持土釘斷面面積、力學性能參數、支護數目等條件不變的情況下，分別選取土釘支護的角度、間距以及長度作為變動因素，探究不同支護方案下的邊坡穩定性，具體計算工況的設定如表2。

表2 土釘支護單因素分析表

通過數值計算可得不同工況條件下的基坑安全系數隨土釘角度、間距和長度的變化曲線如圖4所示。由圖中數據可知，土釘間距、長度保持不變時，基坑安全系數隨土釘支護角度變化大致呈線性變化，但是變化幅度相對較小；當土釘支護角度、長度為保持不變時，基坑安全系數隨土釘間距變化大致呈線性變化，且變化幅度比較明顯；當土釘支護角度、間距保持不變時，基坑安全系數隨土釘長度變化大致呈線性變化，變化幅度較大。因此在土釘支護設計中應優先考慮土釘長度和布設間距兩個因素，次要考慮土釘支護角度。

3.2 土釘支護優化設計

為了充分利用材料節省工期及工程成本，以未加任何支護的基坑滑動面為基礎，參考滑動面使土釘的長度依次遞減且成弧形排布，以此減少基坑底部土釘的冗余部分，使所有材料均能在支護過程中有效地發揮作用。以該調水工程為例進行優化設計，通過數值計算可得基坑未加支護時的最大滑動面如圖4所示，按照支護設計方案選取支護點進行弧形邊長度土釘支護如圖5所示，已知該滑動弧面的圓心及半徑并結合計算模型的尺寸參數可得圖中從上到下各層支護土釘的長度分別為：13.5m、11.8m、10 m、8.0m、5.4m。

圖4 土釘布設參數敏感性分析圖

圖5 土釘支護優化設計圖

為了與傳統的等長土釘支護設計方案進行對比分析，筆者選取傳統方式的土釘支護角度為0°，間距為1.5m，支護土釘長度為8m。在兩種方法的對比分析中，保持土釘支護總長度保持不變，利用等比關系計算可得弧形遞減支護方式下各層土釘的長度依次為：11.2m、9.8m、8.3m、6.6m、4.5m。

通過數值計算可得兩種條件下的土釘支護結果如圖6所示，傳統支護方式的基坑安全系數為1.113，與優化后的基坑支護方式所得安全系數1.228相比較而言明顯偏小。通過圖中安全系數在0～1.25范圍內的滑動面范圍對比分析可知，采用新型支護方式后的基坑滑動面安全系數明顯提高，對基坑的安全穩定更加有利，證明這種新型的支護方法較傳統的方式更優。

圖6 不同支護效果對比分析

4 結 論

本文以某調水工程中的基坑支護工程為例，利用數值計算的方法說明了土釘支護在提高基坑安全穩定性方面的有效性。在此基礎上，結合影響基坑穩定性的土釘外部參數的敏感性分析，得到了該工程基坑安全系數隨土釘支護各因素變化的規律性方程。最后，提出了基于基坑原始滑動面的土釘支護優化設計方案，并與傳統的優化設計方案進行了同等條件下的對比分析，結果表明新型的土釘支護方案有效可行且效果更優，可為后期工程設計及基坑穩定性防治提供有效的參考依據。

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