長樂坊綜合樓基坑邊坡支護及數值模擬研究

李春峰　曾　耀　鄒源江

(1.貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司　貴陽　550081;　2.貴州交通巖土工程有限責任公司　貴陽　550081)

長樂坊綜合樓基坑邊坡支護及數值模擬研究

李春峰1曾耀1鄒源江2

(1.貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司貴陽550081;2.貴州交通巖土工程有限責任公司貴陽550081)

摘要基坑支護技術是綜合性的巖土工程難題，既涉及到土力學中典型的強度、穩定和變形問題，同時還涉及到土與支護結構(錨固體)共同作用問題、技術經濟問題、綠色環保，以及美觀問題。結合工程實例，介紹了場地概況，對開挖邊坡進行穩定性分析，結合工程特點和場地條件選擇支護類型，闡述了土釘墻支護加固機理，然后進行計算,并提出支護設計方案，利用2D-σ軟件進行土釘墻支護數值模擬分析。結果表明，基坑邊坡不滿足穩定性要求，需要對其進行支護或采取其他的處理方法；土釘支護后基坑變形很小，穩定性滿足工程的要求，達到預期的目的；土釘頭的較大破壞度，是很小的局部現象，沒有形成破壞帶，所以不至于失穩，噴射混凝土面層不會破壞，這與工程實際正好相符。

關鍵詞基坑支護邊坡穩定性土釘墻數值模擬

高層、超高層建筑，基礎埋深隨著建筑物高度的增加及城市空間利用的需要而加深，為確保深基坑工程安全施工，支護設計與施工已成為廣大設計施工人員普遍關注的熱點技術問題。基坑支護技術是個綜合性的巖土工程難題，既涉及到土力學中典型的強度、穩定和變形問題，同時還涉及到土與支護結構(錨固體)共同作用問題、技術經濟問題、綠色環保以及美觀問題(作為外露的永久支護時)[1-3]。

擬建綜合樓一棟，23層，高72.90m，框剪結構，樁基或筏基，承臺尺寸4.50m×4.50m，設一層地下室，基礎埋深6.80m，基礎底面處平均壓力(標準組合值)pk=400 kPa(柱荷載1 700 kPa)。本文介紹了場地概況，對開挖邊坡進行穩定性分析，結合工程特點和場地條件選擇支護類型，闡述了土釘墻支護的加固機理，進行設計計算并提出支護設計方案，利用2D-σ軟件進行土釘墻支護數值模擬分析。

1工程地質、水文地質條件

1.1工程地質條件

(1) 地形、地貌。擬建建筑物場地位于西安市興慶路以西，北鄰長樂坊。場地地形平坦，地面標高為397.39～398.09m。地貌單元屬黃土梁洼區。

(2) 地層、巖性。場地內地層自上而下依次由第四系全新統人工填土(Q4al)、上更新統風積(Q32eol)黃土、殘積(Q31el)古土壤、中更新統風積(Q22eol)黃土、沖洪積(Q21al+pl)粉質粘土、沖湖積(Q21al+l)粉質粘土構成。

(3) 不良地質作用。鉆探揭露的標志層(古土壤)層位穩定，分布連續，未見被錯斷跡象。并對周圍已有建筑物進行了詳細調查、訪問，亦未發現地裂縫活動跡象。參照《西安城市工程地質圖集》，擬建建筑物場地位于地裂縫f4，f5之間，北距地裂縫約為500 m，南距地裂縫約為600 m，擬建建筑物場地無地裂縫通過，可不考慮地裂縫對場地的影響。

1.2水文地質條件

勘察量測的穩定水位深度為3.00～3.70m，相應標高為394.33～397.49m，屬潛水類型，滲透系數取7m/d。據《西安城市工程地質圖集》，該地區的地下水位年變化幅度1～2m，勘察期間為平水期水位。地下水對混凝土結構無腐蝕性，在干濕交替條件下，對鋼筋混凝土結構中的鋼筋具弱腐蝕性。

2土釘墻的作用機理

土釘墻支護技術是由被加固土體、設置在土體中的土釘和噴射混凝土面層組成，形成一個類似重力式擋墻的土釘擋土墻，以此來抵抗墻后傳來的土壓力和其他荷載，從而保持開挖面的穩定[4]。

(1) 土釘對復合體起骨架約束作用，使復合土體構成一個整體，骨架有約束土體變形的作用。

(2) 土釘對復合體起分擔作用。在復合體內，錨釘與土體共同承擔外載荷和自重應力，土釘起著分擔作用。

(3) 土釘起著應力傳遞與擴散作用。錨體通過其應力傳遞作用，將滑裂域內部分應力傳遞到后邊穩定土體中，并分散在較大范圍的土體內，降低應力集中程度。

(4) 坡面變形的約束作用。噴射混凝土面板起到坡面變形的約束作用，面板約束力取決于土釘表面與土的摩擦力，當復合土體開裂面區域擴大并連成片時，摩擦力主要來自開裂區域后的穩定土體。

3土釘支護結構設計

3.1基坑邊坡穩定性分析

擬建建筑物場地西側有一棟6層樓，北鄰街道，南為7層的水利廳家屬樓，且在南部的東西兩側分別有2層危房和1層活動中心。基坑開挖及施工對周圍建筑物有一定影響。依據《建筑基坑支護技術規程》(JGJ120-99)，將基坑邊坡安全等級定為二級，邊坡重要性系數γ0=1.00。

據工程地質勘察、室內外試驗、工程地質類比等方法綜合確定土體物理力學參數取值見表1。

表1　土體物理力學參數取值表

穩定計算方法采用圓弧法計算，自動多滑面搜索，尋找最危險滑面及相應的穩定性系數。計算結果見表2。開挖邊坡不滿足穩定性要求，不穩定，需要對其進行支護或其他的處理方法。

3.2土釘墻支護設計

土釘支護設計過程為：土釘初步配置、內部穩定驗算、外部穩定計算、局部抗拉驗算[5]。支護設計結果見表3。

表3　土釘配置

3.3噴射混凝土面層

(1) 厚度。 80mm。

(2) 混凝土強度等級。C20。

(3) 面層配筋。網筋直徑6mm，網筋網格200m×200mm。加強筋直徑14mm，沿土釘水平方向布置，沿上下層土釘相錯的斜向布置。為了增強噴射混凝土和填土的連結，在基坑壁從上至下0.8m處，加設0.5m的摩擦釘。土釘鋼筋和摩擦釘焊接到鋼筋網上或螺栓緊固。

4基坑邊坡支護數值模擬分析

4.1數值模型

邊坡支護的土釘采用錨桿作為其模型，噴射混凝土作為梁。該問題是平面應變問題，考慮到土釘布置時的間距，模擬模型的厚度采用土釘的水平間距取2m。邊坡土體采用莫爾-庫侖模型[6]。數值模擬模型與網格劃分見圖1。

圖1　數值模擬分析模型與網格劃分圖

根據巖土工程勘察成果及地區經驗綜合選定本次計算所用參數見表4。

表4　土體物理力學參數取值表

4.2數值模擬結果及分析

(1) 變形分析。由圖2～圖3可見，支護的基坑邊坡將會有變形。具體的變形是：基坑外的土體整體下沉(即y方向的位移為負)，基坑內基底的土體也呈現下沉的趨勢，但是靠近坡腳的部位下沉的幅度較大；噴射混凝土面層向坑外方向移動(即x方向的位移為負)。出現這一現象的主要原因除了土釘的支護作用，還有土的固結沉降作用。根據變形的數值，其變形很小，滿足工程的要求。這表明土釘支護后穩定性滿足，達到預期的目的。

圖2　變形圖

圖3　土釘墻面層x方向位移

(2) 應力及破壞分析。由圖4～圖5可見，在邊坡面層的最大主應力較大，在遠離基坑的土體和基坑基底下部土體的最大主應力值較小，較特殊的情況是在土體內的土釘頭部附近最大主應力值比鄰近部位土體大。與之對應，在最大主應力較大的地方破壞接近度也較大。這與土體破壞的理論相一致。從圖中很明顯可看出破壞接近度大的部位僅在噴射混凝土層下的表層土體，這通過噴射混凝土面層可予以改善。至于土釘頭的較大破壞度，因為是很小的局部現象，加之又沒有形成破壞帶，所以不至于造成失穩。

圖4　σ1等值線圖(單位：MPa)

圖5　σ2等值線圖(單位：MPa)

(3) 土釘及面層軸力分析。在工程實際中，土釘墻的破壞通常是穿過土釘在坡腳處呈圓弧形失穩滑塌，面層一般也很少見局部的破壞。從圖6～圖8的數據和土釘面層的物理指標可得出土釘和面層不會破壞，這與工程實際正好相符。

圖6　破壞接近度

圖7　土釘軸力(單位：kN)

圖8　面層軸力(單位：kN)

5結論

(1) 土釘墻加固機理：土釘對復合體起骨架約束作用、土釘對復合體起分擔作用、土釘起著應力傳遞與擴散作用、坡面變形的約束作用。

(2) 開挖邊坡不滿足穩定性要求，不穩定，需要對其進行支護或其他的處理方法。

(3) 基坑外的土體整體下沉(即y方向的位移為負)，基坑內基底的土體也呈現下沉的趨勢，但是靠近坡腳的部位下沉的幅度較大；噴射混凝土面層向坑外方向移動(即x方向的位移為負)。根據變形的數值，其變形很小，土釘支護后穩定性滿足工程的要求，達到預期的目的。

(4) 破壞接近度大的部位僅在噴射混凝土層下的表層土體，這通過噴射混凝土面層可予以改善。至于土釘頭的較大破壞度，因為是很小的局部現象，加之又沒有形成破壞帶，所以不至于失穩。模擬數據和土釘面層的物理指標可得出土釘和面層不會破壞，這與工程實際正好相符。

收稿日期：2014-09-17

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.01.040