復合土釘墻結構在放坡基坑中的應用

李飛 范孟華

摘要：復合土釘墻是一種介于樁錨和土釘支護方式之間的半剛性支護。通過復合土釘墻在放坡基坑中對于退臺間距和錨桿結構的受力性能的分析，發現設置退臺間距有效的改變基坑的土壓力分布和穩定基坑邊坡效果。

關鍵詞：退臺間距；二級放坡；有限元

一、復合土釘墻支護構件受力性能分析

復合土釘墻組合各個構件，形成了常見的四種不同的支護結構，每一種支護構件擁有不同的受力特性，在組成的不同類型的復合土釘墻中發揮著合作協同的作用。

（一）土釘

土釘是復合土釘墻的基本受力構件，土釘在基坑中得布置形式有矩形、梅花式，基本的土釘結構靠密集的布置形式，成為土體的骨架，讓土釘和周圍的土體形成一種密集效應，來穩定土體形成了一種復合形式的重力擋墻結構。

（二）預應力錨桿

預應力錨桿是在土釘的基礎上，對部分深入土體的結構澆筑混凝土從而與混凝土、土體以及穩定的巖土體錨固在一起，另外對部分施加先張的預應力，將錨桿的錨頭固定在有一定的強度的網噴混凝土面層，提高了對土體的抗拉[1]。抗剪能力。錨固端離開了潛在的滑裂面土體，提高了土體的抗滑移能力，減小了塑性區，破壞區。

（三）微型樁

預先植入土體中的微型樁有超前加固土體作用。在微型樁施工對樁孔和樁周多次注入水泥漿，提高了樁和樁周土體的強度，使得樁與周圍土體形成了巨大的強度差，他們之間的差異限制了一定范圍內的土體變形，也改善了開挖后土體應力釋放影響的土體受力和變形。

二、工程案例

以鄭汴物流大道北側的龍王廟村安置房一永盛家園，擬建設場地原為龍王廟村，場地標高變化為82.0m-83.5m，場地高程起伏較小。場地所在區域主要為四系全系統河流堆積物，工程地質條件較好。地下水位較低，可以忽略不計。

本文的工程案例所采用的是微型樁一復合土釘墻支護結構的二級放坡基坑，深度是十米，開挖工況分為七步，分別對基坑的上下兩部分采用土釘墻支護結構和復合土釘墻結構。

三、有限元數值模擬模型

采用了巖土結構常用的仿真模擬有限元軟件ABAQUS，對基坑進行模擬，模擬的尺寸要求達到以不影響計算為準[2]，開挖深度為10米，放坡間距是5米。基坑坑外取開挖深度的2.5倍，豎向取開挖深度的3倍，考慮到開挖的三維效應，深度為6米，綜合基坑的尺寸為40×6×30m。

對基坑開挖面層具有一定的強度，面層應該與土體緊密的相連接，在有限元ABAQUS中面層要與土體存在著切向和法向應力[3]，在切向采用罰（Penalty）公式來確認由于網格劃分單元尺寸在土體和面層的小滑移；在法向采用硬（hard）接觸本構模型。在有限元模擬中，將面層按照不同的層高設置分割成為不同的區域，每開挖完成一層土體，將激活該層的面層達到模擬實際中的達到一定強度的網噴混凝土。

四、數值模擬分析

把工程實際監測數據和數值模擬所得到的數據對比分析，發現所表現的趨勢是一致的，可見所選擇做得有限元分析模型對實際工程具有一定的指導意義。

（一）各構件受力分析

土釘打入基坑中，依靠群集效應，成為土體的骨架控制著基坑的變形。土釘是被動受力構件，隨著基坑的開挖深度的增加，基坑的土體應力釋放，靠近邊坡的土體開始移動，各不同深度的土釘構件開始受拉產生變形，其中靠近基坑中部的土釘受最大軸較其他位置大。

錨桿受力分布在自由端是最大軸力，其中在自由端是不與土體接觸的，所以自由端受力是一樣大小的，錨桿的錨固端澆筑在穩定的巖土體中，自由端固定在面層上，施加一定值得預應力，對土體是一種主動約束，整體受力在錨固端是逐漸減小的。

（二）對比分析二級放坡和放坡基坑

在相同的地質條件下，應用復合土釘墻支護結構在二級放坡基坑和放坡基坑中進行數值模擬對比分析，對基坑的深度水平位移，不同支護構件的最終軸力進行對比分析，基坑頂部的最終沉降對比發現：

隨著基坑開挖深度的增加，二級放坡得基坑支護構件的最大軸力35.61kN，較放坡基坑最大軸力69.76kN減小了48.9%，深層土體位移29.51mm較放坡基坑小了15.62mm。其中二級放坡基坑深層水平位移處由于微型樁的預加固作用和二級放坡基坑的退臺作用，使得基坑的水平位移在基坑的中部有一些減小，對基坑位移的減小有很大的作用。

在二級放坡基坑中微型樁的預加固作用，減小基坑邊坡的水平位移，另外由于退臺寬度設置，基坑內側的主動土壓力相對于放坡基坑是一定的，外側的由于一定寬度的退臺作用，增加了一定的被動土壓力，在微型樁的預加固作用下，在剪切阻力的作用下阻擋了一部分土體的位移，分擔了基坑下部支護結構的受力，另外在基坑下部，退臺寬度引起了應力的重分布，對支護結構軸力影響較大。

預應力錨桿在設置的開始就開始擠壓土體，有預應力的存在使得復合土釘墻變成了一種介于剛性與柔性支護之間的一種支護結構，預應力錨桿擠壓土體相遠離向基坑方向運動，使得周邊的土釘構件由于土體向基坑內移動而被動受力的土體位移得到減小，從而達到減小一定范圍內的土釘軸力作用。

五、總結與結論

本文以工程案例為依據，采用有限元軟件ABAQUS進行數值模擬，得出在有限的用地紅線范圍內，二級放坡之間的設置一定寬度的退臺，能夠減小了支護構件上的最大軸力，對上部結構受力不產生明顯的作用，退臺的存在在減小基坑水平位以上效果明顯；另外預應力錨桿對一定范圍內的構件軸力作用。

參考文獻：

[1]彭文祥，謝雨軍，徐松山，等.預應力錨桿復合土釘墻工作性狀試驗研究[J].中南大學學報（自然科學版），2015（4）：1468-1474.

[2]Yue.Z.Q.Automatic drilling processmonitoring for soil androck strengths andtheir spatial distribution in ground[A].Proceedings of the 2nd World Forum of ChineseScholars inGeotechnical Engineering[C]Nanjing.2005.85-90.（in chinese）

[3]錢天平.坑中坑對基坑性狀影響分析[D].浙江大學，2012.