土釘傾角對(duì)基坑側(cè)壁變形與穩(wěn)定性能的影響*

肖昔澤，張亞芳，劉 浩，吳慶華

(廣州大學(xué)土木工程學(xué)院，廣東廣州 510006）

隨著城市化進(jìn)程的加快，城市人口和規(guī)模的不斷膨脹帶動(dòng)了城市地下空間工程與高層建筑迅速發(fā)展，基坑面積不斷擴(kuò)大、開挖深度不斷增加對(duì)基坑的安全和穩(wěn)定帶來了更大的挑戰(zhàn)，對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)體系提出了更高的要求［1］。土釘支護(hù)是在深基坑工程施工中常采用的一種開挖邊坡和側(cè)壁加固支護(hù)方式，是由較密排列的土釘體和噴射混凝土面層所構(gòu)成的一種支護(hù)，適用于一般黏性土、粉土、雜填土和素填土、非松散的砂土、碎石土等地質(zhì)條件［2］。但土釘支護(hù)效果受土釘數(shù)量、位置布置、間距以及插入土層的傾角等因素影響。國內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)土釘支護(hù)對(duì)基坑的影響開展了研究并取得一批有價(jià)值的成果。馮志焱等［3］研究了一種用于土釘支護(hù)分析的簡化方法，為進(jìn)一步的模擬研究打下了基礎(chǔ);任連偉［4－6］作了類似的數(shù)值計(jì)算方面的研究;另還有一些學(xué)者則作了土釘支護(hù)相關(guān)的理論及試驗(yàn)研究［7－9］，國外也開展了土釘設(shè)計(jì)和性能方面的相關(guān)研究［10－11］。但現(xiàn)有的研究成果大多基于單一的數(shù)值模擬或獨(dú)立的理論研究，將理論分析和物理實(shí)驗(yàn)相結(jié)合并自行研發(fā)程序開展研究的相關(guān)成果不多見。

本文在理論分析基礎(chǔ)上，利用自行研制的物理模型進(jìn)行土釘傾角變化對(duì)基坑側(cè)壁變形與穩(wěn)定特征影響的研究，參照國家相關(guān)規(guī)范［12－13］，利用自行研發(fā)的3DVMS程序進(jìn)行有限元計(jì)算和實(shí)時(shí)監(jiān)測及預(yù)警可視化分析，并將結(jié)果與相關(guān)規(guī)范和其他學(xué)者的研究成果進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證所研發(fā)的3DVMS程序的有效性。

1 3DVMS預(yù)警系統(tǒng)

基坑工程三維可視化實(shí)時(shí)監(jiān)測及失穩(wěn)預(yù)警系統(tǒng)(3DVMS)是由廣州大學(xué)土木工程學(xué)院和計(jì)算機(jī)學(xué)院聯(lián)合研發(fā)的可運(yùn)用于基坑工程實(shí)時(shí)監(jiān)測和可視化預(yù)警的軟件系統(tǒng)。3DVMS程序具備一般CAE軟件的幾何建模、網(wǎng)格剖分、有限元運(yùn)算、后處理等功能，可與數(shù)據(jù)采集儀等設(shè)備兼容，將傳感器采集到的實(shí)時(shí)位移數(shù)據(jù)輸入有限元程序中，進(jìn)行實(shí)時(shí)可視化預(yù)警分析，讓用戶直觀實(shí)時(shí)了解基坑的位移變形及穩(wěn)定動(dòng)態(tài)，達(dá)到實(shí)時(shí)預(yù)警效果。

2 實(shí)驗(yàn)簡述

2.1 實(shí)驗(yàn)主要硬件設(shè)備及材料

物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ桶ㄗ孕性O(shè)計(jì)研制的厚度為15 mm的有機(jī)玻璃板制成的土箱，箱體尺寸1000 mm×1000 mm×1000 mm，箱內(nèi)為碾細(xì)的黏土;一臺(tái)HC－1210智能型數(shù)據(jù)采集儀;若干型號(hào)為WZG01和WZ－G02的位移傳感器;連接裝置如圖1所示。主要通過數(shù)據(jù)采集儀將接收采集到的數(shù)據(jù)信息輸入到3DVMS系統(tǒng)，進(jìn)行有限元分析，得到基坑全場的位移分布，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和預(yù)警。

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及連接圖Fig.1 Experimental devices and installation

本實(shí)驗(yàn)用粗細(xì)和材質(zhì)均勻的竹材料模擬土釘支護(hù)模型，所有土釘?shù)闹睆綖? mm，長度為400 mm。此外，還有20 kg標(biāo)準(zhǔn)加載塊若干。

2.2 基坑支護(hù)與加載方案設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)在基坑模型側(cè)壁中央位置等間距布置三支位移傳感器，從上到下依次定義為A、B、C處。將位移傳感器、采集儀、計(jì)算機(jī)等依次相連。位移傳感器接收到位移信號(hào)后，經(jīng)過采集儀的數(shù)據(jù)處理，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào) (A/D轉(zhuǎn)換)，并作為數(shù)值分析的數(shù)據(jù)輸入，經(jīng)過有限元計(jì)算和后處理，分別得到不同土釘傾角支護(hù)的基坑整體節(jié)點(diǎn)處的位移值?；幽Ｐ偷母┮晥D和立面圖分別見圖2所示，數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)的流程圖見圖3。

利用角度尺等工具將粗細(xì)和材質(zhì)相同的竹材料按照設(shè)定的角度插入土中形成基坑土釘支護(hù)模型，土釘一共8根，分兩排、每排4根布置，如圖4所示。

為模擬真實(shí)的基坑邊界條件，同時(shí)也為縮短實(shí)驗(yàn)周期，實(shí)驗(yàn)中在基坑邊緣指定區(qū)域加上質(zhì)量為20 kg的統(tǒng)一規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)加載塊。共設(shè)置了三種不同等級(jí)的工況，在指定區(qū)域作用2個(gè)加載塊的即為一級(jí)加載工況;在指定區(qū)域作用4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)加載塊的即為二級(jí)加載工況;在指定區(qū)域作用6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)加載塊的即為三級(jí)加載工況。圖5(a)為荷載作用區(qū)域，圖5(b)即為三級(jí)加載工況。

圖5 荷載Fig.5 Loading 2.3加載與位移測量

本研究共進(jìn)行了土釘傾角 (與水平方向的夾角)分別為 0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°的10組實(shí)驗(yàn)。每組實(shí)驗(yàn)開始前均對(duì)土體重新松動(dòng)，將土釘按照預(yù)設(shè)的角度從側(cè)壁插入土體中，其他影響因素盡量控制到一致。實(shí)驗(yàn)時(shí)首先開啟各項(xiàng)硬件設(shè)備，運(yùn)行采集儀軟件以記錄傳感器傳輸來的的實(shí)時(shí)位移數(shù)據(jù)，建模并啟動(dòng)3DVMS程序，對(duì)采集儀輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行有限元運(yùn)算，計(jì)算結(jié)果以渲染圖形式實(shí)時(shí)在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示，達(dá)到預(yù)設(shè)的預(yù)警閥值即刻蜂鳴報(bào)警。

對(duì)每個(gè)角度的土釘支護(hù)基坑，均完成了三種工況的實(shí)驗(yàn)研究，即首先施加一級(jí)工況荷載，觀察采集儀上讀取到的傳感器實(shí)時(shí)位移數(shù)據(jù)，待其值穩(wěn)定后，對(duì)模型施加二級(jí)工況荷載;同樣的方法施加三級(jí)工況荷載直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 土釘支護(hù)的理論模型分析

基坑土體的破壞主要與其抗剪強(qiáng)度有關(guān)，而抗剪強(qiáng)度的主要參數(shù)包含兩個(gè)，即土的黏聚力c與土的內(nèi)摩擦角φ。對(duì)于本實(shí)驗(yàn)采用的碾細(xì)黏土，c取值10 kPa;內(nèi)摩擦角 φ取值35°;土的重度取18 kN/m3。

要防止基坑側(cè)壁的滑移面發(fā)生剪切破壞，土釘提供的抵抗摩擦力需平衡滑移面能承受的最大剪切力和土體重力的合力，才能使基坑不至于產(chǎn)生過大變形甚至破壞 (圖6)?？紤]到此實(shí)驗(yàn)由于存在加載塊的外力，參考文獻(xiàn)［14］的分析，在臨界土體失穩(wěn)時(shí)，綜合公式表述如下:

圖6 土釘支護(hù)受力分析圖Fig.6 The stress analysis of soil nails bracing

其中，W為土的有效重力;F為土體滑移面的剪切力;T為土釘提供的有效抗力;σ為土體剪應(yīng)力;S為滑移段土體的面積;G為加載塊所施加的外力。

從上述公式可見，當(dāng)土釘?shù)牟馁|(zhì)一定時(shí)，可通過改變其傾角來達(dá)到更好的支護(hù)效果。

3.2 基坑位移變形特征討論

本實(shí)驗(yàn)的位移監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置在基坑模型側(cè)壁的中央位置。圖7為三級(jí)工況下不同土釘傾角時(shí)的位移擬合曲線圖。采用位移傳感器與基坑側(cè)壁土體直接接觸，測得基坑側(cè)壁A、B、C處三個(gè)測點(diǎn)的實(shí)時(shí)位移數(shù)據(jù)，采用ORIGIN擬合成曲線圖，圖7中A－1代表基坑側(cè)壁A處在一級(jí)工況的位移，A－2代表A處二級(jí)工況的位移，以此類推。

由圖7(a)可見:在一級(jí)工況下，不同傾角的土釘支護(hù)所發(fā)生的位移各有差異。在0°傾角時(shí)，A處和B處位移的位移明顯比其他傾角時(shí)大，而C處位移卻與其它傾角的趨于相近。從5°到15°時(shí)，A、B、C處位移均非常接近，變化不明顯。而傾角在30°時(shí)，除A處位移與35°和45°相當(dāng)之外，其余均明顯小于其他角度的位移值。

圖7 各級(jí)工況條件下不同土釘傾角的基坑側(cè)壁位移Fig.7 The displacement of sidewall vs inclination of soil nails in each loading case

由圖7(b)可知:在二級(jí)工況時(shí)，0°傾角的位移變化情形與一級(jí)荷載下基本相似，而10°、15°、20°下的位移形變和穩(wěn)定情形也基本相同。而30°對(duì)應(yīng)的A處位移和C處位移明顯小于其它傾角時(shí)，支護(hù)效果最好，而此時(shí)B處位移則與35°時(shí)相當(dāng)，也為最小的。

由圖7(c)可知:在三級(jí)工況下，0°角的位移形變情形與前兩者加載情況下基本相同，而10°、15°、20°時(shí)的位移變化也基本相似。土釘傾角30°時(shí)，所對(duì)應(yīng)的各測點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位移均小于其它傾角，說明該角度的土釘對(duì)基坑支護(hù)效果最佳。

綜合圖7(a)、(b)、(c)可知，在工況逐級(jí)遞增的情況下，基坑側(cè)壁A、B、C三測點(diǎn)的位移均逐步增大。但A處位移增長較快，B處次之，C處較小，可見基坑側(cè)壁靠近上部位置更危險(xiǎn)，在施工過程中需要重點(diǎn)關(guān)注。同時(shí)，研究表明，當(dāng)土釘傾角為30°時(shí)，各工況荷載作用下所產(chǎn)生的位移均為最小，說明該傾角下的土釘對(duì)基坑的支護(hù)效果最佳，該結(jié)果與香港地區(qū)土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)基坑穩(wěn)定性能影響的相關(guān)文獻(xiàn)相吻合［15］。

3.3 預(yù)警分析

基坑工程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測和預(yù)警是信息化施工的重要保證，它能為施工人員提供即時(shí)預(yù)警信息，使基坑在遭遇過大變形或失穩(wěn)破壞前得到即時(shí)補(bǔ)救，保證基坑的安全?？梢暬A(yù)警尤其高效，而對(duì)于可視化基坑變形狀態(tài)顯示及預(yù)警，有學(xué)者也做了該領(lǐng)域的研究［16］，取得了初步進(jìn)展。

本實(shí)驗(yàn)針對(duì)基坑側(cè)壁位移變化也作了預(yù)警分析，預(yù)警值的大小根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范要求及物理模型等效比例原則綜合設(shè)定。根據(jù)各工況下監(jiān)測點(diǎn)A、B及C的位移值，輸入到3DVMS程序中，經(jīng)過有限元計(jì)算分析實(shí)現(xiàn)了對(duì)基坑整體的實(shí)時(shí)預(yù)警。云圖結(jié)果表明，加載區(qū)域基坑側(cè)壁的土體首先出現(xiàn)代表基坑位移較大的紅色，隨著工況荷載的增加，紅色區(qū)域不斷增大。當(dāng)超過預(yù)警閥值時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出蜂鳴報(bào)警訊號(hào)。圖8(a)是加載前期的位移預(yù)警云圖，圖8(b)是加載后期的位移預(yù)警云圖。

圖9為不同土釘傾角的各測點(diǎn)達(dá)到預(yù)警閥值所需的時(shí)間。可見當(dāng)土釘傾角為30°時(shí)，各測點(diǎn)達(dá)到預(yù)警閥值所用的時(shí)間最長。同樣表明土釘傾角30°的支護(hù)效果最好，與香港地區(qū)基坑土釘支護(hù)的相關(guān)文獻(xiàn)相一致［15］。

4 結(jié)論

1)在受到逐級(jí)遞加的豎向荷載作用時(shí)，基坑側(cè)壁水平側(cè)向位移逐步增大?；觽?cè)壁開挖面的上部位移增加的幅度和速度較大，而下部位移則增加的較為平緩。

2)當(dāng)土釘傾角為30°時(shí)，基坑側(cè)壁的水平位移最小，同時(shí)達(dá)到預(yù)警閥值所需的時(shí)間最長，說明30°為最佳土釘支護(hù)傾角，此時(shí)基坑的支護(hù)效果最佳。

3)通過物理實(shí)驗(yàn)分析，并通過與其他學(xué)者研究成果和相關(guān)規(guī)范的對(duì)照和檢驗(yàn)，說明了自行研發(fā)的3DVMS程序的有效性。

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