土釘支護設計計算程序開發(fā)及應用

狄圣杰,汪明元,魏 涌

(1.中國水電顧問集團華東勘測設計研究院,浙江,杭州 3100143;2.河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室,江蘇 南京 210098;3.中國南方電網有限責任公司 云南電力建設監(jiān)理咨詢有限公司,云南 昆明 650231)

土釘支護技術是用于基坑和邊坡穩(wěn)定的一種擋土技術,它不需要單獨的施工工期,可以與挖土同步操作,具有施工快、設備簡單、成本低、無噪音等優(yōu)點,一般其單位工程造價僅為傳統(tǒng)支護方法的1/3～1/2,在我國應用廣泛[1]。付文光等[2]對土釘支護、土釘墻等概念進行了詳盡的闡述,并評述了與錨噴技術的工作機理及力學性能的區(qū)別,建議對多種技術聯(lián)合應用時,采用分段、分級、組合、混合等命名方法。在深基坑土釘支護設計計算中,可使用極限平衡方法和有限元方法進行分析,但單一的有限元計算不一定能輸出定量數(shù)據,在實際工程應用中有一定局限性,極限平衡分析法簡單明了,基本能夠滿足工程設計要求,目前被普遍采用,亦有依據圓弧滑動面邊坡安全穩(wěn)定性工程類比的經驗判定方法,為土釘支護邊坡安全穩(wěn)定性分析提供參考[3-7]。一般情況下土釘支護設計計算量大,設計人員往往將土層簡化,憑借經驗進行設計,對其穩(wěn)定性分析不夠深入[8]。祝方才等[9]對土釘支護穩(wěn)定分析規(guī)范的極限平衡公式進行了探討,研究了土層參數(shù)平均化對計算的影響,得出了使用土層參數(shù)平均化可能造成較大誤差的結論。郭院成等[10]提出了均質土體中土釘受力的極限分析上限法,對JGJ120—99《建筑基坑支護技術規(guī)程》[11]和 CECS96—97《基坑土釘支護技術規(guī)程》[12]采用土壓力方法進行了比較,得出后者土壓力模式較合理的結論。

工程軟件的編制涉及土質參數(shù)、土壓力模型及修正等多個方面因素,隨著施工經驗的積累、設計規(guī)范的更新以及新技術、新成果的出現(xiàn),在基坑和邊坡工程的應用中,須對原有工程支護程序源代碼進行修改,但商品軟件都涉及版權并進行了封裝,難以取得源代碼,且基坑及邊坡支護區(qū)域性強,支護體系設計與施工亦要因地制宜,可見編制一套適用性強且方便可用的程序很有意義。

本文采用VB(Visual Basic)2005軟件為開發(fā)平臺,以基坑土釘支護技術規(guī)程[12]為基礎,開發(fā)了一套具有可視化交互操作及圖像輸出界面的土釘支護設計計算程序,可計算土釘側壓力、土釘設計內力、土釘抗拔力及土釘墻穩(wěn)定性等內容,對于穩(wěn)定性計算可動態(tài)搜索考慮土釘抗拔力作用時邊坡最危險圓弧滑動面及相應安全系數(shù)。

1 土釘支護設計計算

1.1 土釘側壓力及內力計算

在土體自重及地表均布荷載作用下,土體自重相應側壓力按基坑土釘支護技術規(guī)程取梯形分布,地面超載部分取矩形分布,則土釘長度中點處側壓力為

式中:P1,Pm為由支護土體自重引起的側向土壓力,kPa;Pq為地面超載引起的側壓力,kPa;K a為主動土壓力系數(shù);c為對應的土體黏聚力,kPa;ρ為土體密度,kg/m3;H為基坑深度,m;q為地面超載,kPa。

當計算深度 y≤0.25H時,P1=yPm/0.25H,當計算深度y＞0.25H時,P1=Pm。對于2c/ρgH≤0.05的砂土及粉土,Pm=0.55KaρgH;對于2c/ρgH＞0.05的一般性黏性土,則 Pm≥0.2ρgH。

土釘所受最大設計內力N由土釘側壓力求出:

式中:α為土釘與水平面夾角;Sv,Sh分別為土釘布置平面豎向間距及水平間距,m。

當有地下水及其他地面下荷載作用時,應考慮由此產生的側向壓力并在計算設計內力時計入其影響。土釘設計內力應較土釘鋼筋抗拉力小,考慮基坑穩(wěn)定安全系數(shù)應滿足:

式中:F為基坑穩(wěn)定安全系數(shù),一般取值1.2～1.4;f為鋼筋抗拉強度標準值,kPa;d為土釘鋼筋直徑,m。

式(5)給出了鋼筋直徑選用的下限值。土釘注漿后形成錨固體,薄弱環(huán)節(jié)即為土釘與漿體接觸面、砂漿錨固體與土體接觸面,根據已有試驗結果及實際工程經驗,后者接觸面的黏結強度一般較小,土釘破壞基本在錨固體與土體界面處,進行土釘抗拔力及穩(wěn)定性計算時以此作為控制標準。

1.2 土釘墻穩(wěn)定性計算

土釘支護的穩(wěn)定性分析是一項重要內容,可以校核初步設計方案的安全性和適用性。土釘墻穩(wěn)定性計算分為內部整體穩(wěn)定性及外部整體穩(wěn)定性計算,前者失穩(wěn)破裂面穿過土釘支護復合體的內部,后者失穩(wěn)破裂面則是在土釘加固體外部,主要表現(xiàn)為傾覆及滑動。按照瑞典條分法的穩(wěn)定安全系數(shù)定義,原始邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fs1為

式中:Wi,Qi分別為作用于土條i的自重和附加荷載,kN/m;θi為土條i破裂面切線與水平面夾角;bi為土條i寬度,m;ck為土條i破裂面處k土層的黏聚力,kPa;φk為土條i破裂面處k土層的摩擦角。

在此基礎上應考慮土釘支護后土釘提供的抗力,同時忽略土釘自重,則支護后邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)F s2為

式中:Rj為破裂面第j排土釘?shù)臉O限抗拔力,kN;s h j為第j排土釘水平方向的間距,m;αj為第j排土釘與水平面的夾角;lwj為土釘在圓弧面外的長度,m;τj為土釘穿過穩(wěn)定土層的土體與錨固體間的黏結強度,kPa;d0j為錨固體直徑,m。

設置圓心搜索范圍,一般設定為2H×H[4],H為坡高,如圖1所示。亦可擴大范圍來提高精度,本文以每個圓心至坡面的圓弧切線距離為初始值,對應于半徑步長Δr,則下一個循環(huán)值即為ri(x0,y0)+Δr,逐步擴大至邊坡內部,從中搜索最危險圓弧滑動面及最小安全系數(shù)。經過測試發(fā)現(xiàn),如果基坑底部土體抗剪強度參數(shù)較上部相差較多時,如底部為軟弱土體,圓弧滑動面會出現(xiàn)在坡底,如果整體土質良好,圓弧滑動面一般經過坡腳。由于土釘位置及幾何參數(shù)固定,對于每一個圓弧滑動面,土釘在圓弧滑動面內外的長度均可確定。

圖1 土釘支護圓弧滑動面穩(wěn)定分析

內部整體穩(wěn)定性計算時,先分析未加土釘時原始邊坡最小穩(wěn)定安全系數(shù)及對應圓弧滑動面,對原始邊坡進行評價。添加土釘后根據土釘在圓弧滑動面外長度,計算土釘抗拔力大小,求出支護后邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)。由于土釘抗拔力產生作用,土體內部受力亦發(fā)生改變,邊坡最小穩(wěn)定安全系數(shù)及圓弧滑動面亦發(fā)生變化,仍要依據上述條分法,對圓弧滑動面不變及變化后兩種情況穩(wěn)定性分別評判,綜合分析其影響。

由于土釘作用與所分土條數(shù)量無關,只在圓弧滑動面處產生土釘抗拔力影響?？紤]釘土相互作用,循環(huán)圓心坐標及對應半徑,可動態(tài)搜索出最小穩(wěn)定安全系數(shù)及對應的潛在圓弧滑動面。土釘支護外部整體穩(wěn)定性分析與重力式擋土墻穩(wěn)定分析類似,按基坑土釘支護技術規(guī)程[12]驗算抗滑移及抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)。

2 程序說明

以VB2005作為開發(fā)平臺進行程序編制,程序操作方便,直觀明了,所需參數(shù)由一個主界面和兩個副界面輸入,計算結果為一個主界面和兩個副界面輸出,程序的主要流程如圖2所示,主界面輸入邊坡的設計參數(shù),鏈接土釘參數(shù)輸入和土層參數(shù)輸入兩個副界面,輸出界面依據輸入信息可將計算結果直觀地顯示。

圖2 程序流程

土釘參數(shù)、土層參數(shù),滑動面圓弧圓心、半徑,土條及安全系數(shù)等均為動態(tài)數(shù)組,開發(fā)平臺所有數(shù)組都繼承自System命名空間中的Array類,其中有字符串、單精度、雙精度等類型,不同類型的數(shù)據可應用保存多種數(shù)據類型元素的Arraylist類。

程序的繪圖功能成為可視化編程的重要組成部分,其中以 Picturebox控件來繪圖,定義System.Drawing.Pen,依據其坐標系和命令流即可完成繪圖操作,具體方法參見文獻[13]。主界面能輸出根據參數(shù)和計算結果繪制的圖形,包括幾何尺寸、最危險圓弧滑動面位置、對應圓心半徑及添加土釘后的情況等。程序設計的優(yōu)勢主要是涵蓋了全面的土釘設計計算內容,可完成各界面間的交互操作,復雜繁多的參數(shù)和輸出信息既相互獨立又緊密結合,并通過繪圖功能動態(tài)直觀地輸出土釘墻最危險圓弧滑動面及對應的圓心、半徑。

3 工程應用

某基坑工程垂直開挖,土層參數(shù)輸入界面如圖3所示,其中包含各土層特性及物理學參數(shù),土釘參數(shù)輸入界面如圖4所示,包含各排土釘幾何參數(shù)及物理學參數(shù),程序主界面如圖5所示,包含邊坡特性及基本指標的輸入,以及計算結果及圖形的輸出。

圖3 土層參數(shù)輸入界面

圖4 土釘參數(shù)輸入界面

圖5 程序主界面

由程序計算可以看出,原始邊坡最小穩(wěn)定安全系數(shù)為0.560,不滿足穩(wěn)定性要求,添加土釘后原始圓弧滑動面穩(wěn)定安全系數(shù)為2.150,考慮內力重分布搜索圓弧滑動面最小穩(wěn)定安全系數(shù)為2.03,滿足穩(wěn)定性要求且有裕量。重新搜索得到的最小穩(wěn)定安全系數(shù)較小,表明在實際工程中使用原始圓弧滑動面判定土釘支護穩(wěn)定性不合理。

由于土釘較密,重新搜索的圓弧滑動面有避開土釘向后偏移的現(xiàn)象,而且通過其他實例計算發(fā)現(xiàn),土釘密度越大,圓弧滑動面偏移越多,越有試圖避開土釘加固區(qū)的趨勢,可以假設當土釘密度達到一定程度時,大大提高了土體復合抗剪強度參數(shù),形成一等效復合式擋土墻,從而起到擋土作用。土釘內力及抗拔安全系數(shù)輸出界面如圖6所示。

圖6 土釘內力輸出界面

考慮土釘施工步驟,開挖一層土體設置一排土釘,各開挖工況最小穩(wěn)定安全系數(shù)變化曲線如圖7所示,開挖第一層且未植入土釘時穩(wěn)定安全系數(shù)最小為1.454,最后開挖完畢且未植入土釘時穩(wěn)定安全系數(shù)亦較小,為1.776,開挖完畢植入土釘后穩(wěn)定安全系數(shù)變?yōu)?.030。故在分層開挖時,禁止超挖,超挖可能導致邊坡失穩(wěn),應引起注意。

圖7 各開挖工況最小穩(wěn)定安全系數(shù)

計算得到土釘總體抗拔安全系數(shù)為3.650,滿足抗拔穩(wěn)定要求,同時驗算整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為3.160,整體抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)為7.030,均滿足要求。

此外,分析了土體參數(shù)的敏感性,原始邊坡整體穩(wěn)定安全系數(shù)受土體黏聚力c影響較大;土釘抗拔安全系數(shù)和支護后邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)受摩擦角 φ影響較大;同時發(fā)現(xiàn)隨土釘錨固體直徑及錨固力的增大,穩(wěn)定安全系數(shù)提高幅度較大,說明通過壓力灌漿措施對土釘支護安全穩(wěn)定性提高有較大作用;隨著坡頂荷載的增大,穩(wěn)定安全系數(shù)有所降低,坡頂荷載對土釘抗拔力影響較大。

4 結 語

基于VB2005軟件平臺開發(fā)了土釘支護設計計算程序,涵蓋了全面的土釘支護設計計算內容,彌補了在土釘支護工程應用中只驗算某單一指標,而未協(xié)調統(tǒng)一的缺陷。程序設計條理清楚、可視化輸出,搜索圓弧滑動面模塊亦可用于土坡穩(wěn)定分析、滑坡治理等方面,可為工程設計人員提供有益的參考。在考慮土釘作用時,最危險圓弧滑動面隨土釘設計參數(shù)動態(tài)變化,實現(xiàn)了土釘支護中邊坡最危險圓弧滑動面的動態(tài)搜索,這對于保證開挖過程中其安全穩(wěn)定性具有一定意義,通過土釘支護邊坡各開挖工況穩(wěn)定性計算發(fā)現(xiàn),安全系數(shù)呈現(xiàn)出先增大再降低的規(guī)律性。

本文研究內容仍屬于土釘支護校核驗算范疇,在此基礎上如何擴充一套方便可用的優(yōu)化設計程序和支護體位移計算程序,因地制宜,優(yōu)化出土釘最佳布置方案,如土釘橫豎間距、土釘傾角及釘長分布等,同時對支護結構的變形進行控制,提高工程的安全性和經濟性,是下一步研究的重點。

[1]王志勇,李培錚.土釘墻作用機理及其與傳統(tǒng)支護的比較[J].西部探礦工程,2003(11):49-50.

[2]付文光,卓志飛.對“土釘墻”等術語命名的探討[J].巖土工程學報,2010,32(7):46-51.

[3]鄧建剛,傅旭東.土釘支護結構的優(yōu)化設計[J].巖土力學,2003,24(10):321-324.

[4]朱彥鵬,李忠.深基坑土釘支護穩(wěn)定性分析方法的改進及軟件開發(fā)[J].巖土工程學報,2005,27(8):939-943.

[5]劉志凱,鄭毅,左廣州.基坑開挖與土釘支護的數(shù)值模擬[J].吉林大學學報:地球科學版,2004,34(增刊 1):103-106.

[6]楊志銀,張俊,王凱旭.復合土釘墻技術的研究及應用[J].巖土工程學報,2005,27(2):153-156.

[7]狄圣杰,李曉敏,魏檣.GRNN在邊坡穩(wěn)定預測分析中的應用[J].水利水電科技進展,2011,31(3):80-83.

[8]張百紅,李國富,韓立軍.基坑土釘支護設計的簡單算法研究[J].巖土力學,2008,29(11):3041-3046.

[9]祝方才,何杰,戴益民.土釘支護穩(wěn)定分析的規(guī)范公式研究[J].地下空間與工程學報,2005,29(7):1037-1040.

[10]郭院成,秦會來.均質土體中土釘受力的極限分析上限法[J].巖土力學,2008,29(12):3241-3245.

[11]JGJ120—99 建筑基坑支護技術規(guī)程[S].

[12]CECS96—97 基坑土釘支護技術規(guī)程[S].

[13]狄圣杰,徐衛(wèi)亞.黏性土求主動土壓力的庫爾曼法及應用[J].巖土工程學報,2010,32(6):970-974.