市政道路基坑開挖與土釘墻支護技術數值分析

胡建中，呂強

（湖南路橋建設集團有限責任公司，湖南長沙 410004）

市政道路基坑開挖與土釘墻支護技術數值分析

胡建中，呂強

（湖南路橋建設集團有限責任公司，湖南長沙 410004）

針對市政道路基坑開挖支護問題，運用FLAC2D對道路基坑未支護及土釘墻支護后結構狀態進行數值分析，得出了基坑土體在未支護和土釘墻支護條件下的應力狀態、位移等值線分布和位移矢量分布。結果表明，土釘墻支護能有效阻止基坑土體的坍塌，增強基坑土體穩定性。

公路；市政道路；基坑；土釘墻支護

城市道路深基坑是一項系統工程，包含多方面因素，還涉及道路行駛及周圍構筑物的安全，深基坑支護成為道路施工過程中尤為關注的問題。土釘墻支護以其支護效果較好、施工便捷、可根據工程實際進行動態調整、經濟性較好等特點而在基坑工程中得到廣泛應用。

基坑工程的設計與施工均較復雜，目前基坑工程力學分析計算的常用方法是在一定條件下假設土壓力已知（如朗金土壓力），嵌固段地基反力計算采用彈性地基梁方法，支護結構內力和位移計算采用桿系有限元法。FLAC軟件可模擬地質巖土體在外界荷載作用下的屈服、塑性流動、軟化直至大變形等力學行為，同時可考慮支護結構與地質材料之間的相互作用，能更為合理地進行數值分析。該文結合工程實例，運用FLAC2D對城市道路深基坑開挖與土釘墻支護進行數值分析。

1 工程概況

1.1地質狀況

某市政道路施工需開挖的基坑深度為8.6 m，基坑尺寸為（20×20）m。根據地質勘察報告，場區試驗斷面的地層自上而下描述如下：

（1）雜填土。厚0.6～1.9 m；呈黃褐色；局部散亂堆積、碾壓差，總體結構松散、欠固結，軟硬不均；成分雜亂，以黏土、粉質黏土為主，間夾角礫、碎石及建筑垃圾。

（2）粉質黏土。厚4.9～10.7 m；以灰褐、褐黃色為主；土體較光滑、細膩，干強度高，韌性高，軟塑狀為主。

（3）砂質粉質黏土。厚6.8～8.2 m；呈褐色；中濕，可塑狀為主。

1.2支護結構

采用土釘+噴射砼復合土釘墻支護方法。沿開挖坑壁設置5層錨桿，間距為1.5 m，錨桿傾角為15°，長度為6.0 m，錨噴砼面板厚度為80mm。

2 基坑數值模擬

根據工程地質特征和施工進度，按施工階段分別對基坑在支護與未支護條件下進行開挖的力學性能及穩定性進行數值模擬分析。

2.1計算模型和參數選擇

根據FLAC數值模擬經驗，建立模型時，模型邊界范圍應為模擬區域對象大小（長度和寬度）的2倍以上。該工程數值模擬區域的總寬度設為30 m，采用對稱結構，界限為基坑開挖中心線至區域的后邊界。基坑寬度為10 m，后緣土體寬度為20 m；模型高度為20 m，約為開挖深度的2倍。靠近基坑側面及地面邊緣附近的網格密度增加1倍（見圖1）。

圖1　基坑開挖網格劃分

初始條件為模擬區域兩側全部約束，底部完全固定，頂部為自由邊界。初始地應力場為自重應力場。模擬采用摩爾-庫侖破壞準則，假設允許產生大變形。

噴射砼采用梁單元、錨桿及土釘采用錨索單元模擬。各結構體的物理力學參數見表1～3。

表1　巖土體的物理力學參數

表2　土釘的計算參數

表3　砼面層的參數

2.2數值模擬方案

基坑開挖及支護工序如下：開挖至地面以下1.5 m時，設置第一層土釘并掛網噴射砼面層；開挖至地面以下3.0 m時，設置第二層土釘并掛網噴射砼面層；開挖至地面以下4.5、6.0、7.5 m時，分別在相應層位設置土釘并掛網噴射砼面層，直至開挖至基底標高-8.6 m。

2.3未支護狀況下數值模擬分析

未支護狀況下深基坑數值模擬結果見圖2～6。

圖2　未支護基坑最大不平衡力曲線

由圖2可知：在未支護條件下，基坑土體最大不平衡力一直處于變化狀態且不收斂，說明土體已產生塑性形變直至模型破壞。

圖3　未支護基坑破壞后的情形

圖4　未支護基坑水平方向位移云圖（單位：m）

圖5　未支護基坑豎直方向位移云圖（單位：m）

圖6　未支護基坑塑性區云圖

從圖3可知：基坑壁發生側陷坍塌，基地隆起，整體結構變形。基坑開挖時，坑內的土體被挖出，坑底原來承受的被挖出土體的重力獲得釋放，基底的土向上回彈，同時基坑坑壁內側處于臨空狀態，坑壁墻體由于失去原有土體的支撐發生側向移動。側向移動壓擠基坑墻壁前的土體，斷面方向基坑兩側墻體同時擠壓導致基底隆起。判斷基坑是否穩定，基底隆起量是一個重要指標。由于FLAC模型相鄰網格是連續的，滑塌發生時計算被中止。

由圖4、圖5可知：在未支護條件下進行基坑開挖時，沿基坑坑壁向后約3 m范圍內后緣土體將沿一定坡面發生水平方向和豎直方向移動，且坑壁頂處土體位移量最大。

由圖6可知：在未支護條件下進行基坑開挖時，坑壁后緣相當一部分土體處于剪切或張拉狀態，且已形成的塑性區域和坑壁后緣土體形成滑坡體，滑動面曲線也初步形成，若不采取支護措施，基坑會發生坍塌。

2.4支護狀況下數值模擬分析

土釘+噴射砼復合土釘墻支護狀況下深基坑數值模擬結果見圖7～11。

圖7　支護后基坑位移矢量云圖

圖8　支護后基坑塑性區云圖

圖9　支護后基坑水平方向位移云圖（單位：m）

圖10　支護后基坑豎直方向位移云圖（單位：m）

圖11　支護后基坑主應力矢量云圖

由圖7可知：在土釘支護條件下開挖，坑壁頂面有小部分范圍內的土體發生移動，與水平方向成一定夾角向基坑坑底坍落。

由圖8可知：在土釘支護條件下開挖，坑壁土體只有少部分處于張拉或剪切狀態，且分布區域較為離散，沒有構成連續的塑性區，說明土釘墻有效阻止了土體繼續變形。

由圖9、圖10可知：土釘墻支護后，只有基坑坑壁頂面后緣小部分范圍內的土體會發生水平、豎直方向移動，且位移量相對未支護時小很多，部分土體水平位移量較小。

由圖11可知：土釘墻腳附近出現了應力集中現象，如果不進行支護，基坑坑腳處將會發生破壞。

另外，從數值分析結果來看，基坑土體的變形量相對于實際情況大得多。土體這類介質屬于連續性介質，運用FLAC進行網格劃分時單元格劃分相對較大，且單元格在受力運動變形時所受的不平衡力集中在網格節點處，而實際連續介質的變形具有連續性和協調性，對此FLAC數值模擬不能完全滿足，在一定程度上忽略了土顆粒之間的剪切作用及相互變形約束的作用，故FLAC數值模擬分析所得基坑變形結果比實測值更大。

3 結論

（1）土釘墻支護措施在基坑開挖過程中會阻止土體產生塑性變形，能有效防止基坑坑壁土體過多沉降而導致滑塌，使坑壁土體水平及豎向位移減小，從而提高基坑邊坡坡體的承載力。

（2）運用FLAC建立模型時存在缺陷，另外程序中輸入的土體力學參數與實際土體的物理力學特性不完全相符，將數值模擬結果作為參考的同時應與現場實際觀測結果相結合，以使所分析結果與實際更相符。

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U416.1

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2016-04-15