長樂坊綜合樓基坑邊坡支護及數(shù)值模擬研究

李春峰　曾　耀　鄒源江

(1.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)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(shù)值模擬研究

李春峰1曾耀1鄒源江2

(1.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)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(shù)是綜合性的巖土工程難題，既涉及到土力學(xué)中典型的強度、穩(wěn)定和變形問題，同時還涉及到土與支護結(jié)構(gòu)(錨固體)共同作用問題、技術(shù)經(jīng)濟問題、綠色環(huán)保，以及美觀問題。結(jié)合工程實例，介紹了場地概況，對開挖邊坡進行穩(wěn)定性分析，結(jié)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(shè)計方案，利用2D-σ軟件進行土釘墻支護數(shù)值模擬分析。結(jié)果表明，基坑邊坡不滿足穩(wěn)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(wěn)定性滿足工程的要求，達到預(yù)期的目的；土釘頭的較大破壞度，是很小的局部現(xiàn)象，沒有形成破壞帶，所以不至于失穩(wěn)，噴射混凝土面層不會破壞，這與工程實際正好相符。

關(guān)鍵詞基坑支護邊坡穩(wěn)定性土釘墻數(shù)值模擬

高層、超高層建筑，基礎(chǔ)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(shè)計與施工已成為廣大設(shè)計施工人員普遍關(guān)注的熱點技術(shù)問題?；又ёo技術(shù)是個綜合性的巖土工程難題，既涉及到土力學(xué)中典型的強度、穩(wěn)定和變形問題，同時還涉及到土與支護結(jié)構(gòu)(錨固體)共同作用問題、技術(shù)經(jīng)濟問題、綠色環(huán)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(jié)構(gòu)，樁基或筏基，承臺尺寸4.50m×4.50m，設(shè)一層地下室，基礎(chǔ)埋深6.80m，基礎(chǔ)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(wěn)定性分析，結(jié)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(shè)計計算并提出支護設(shè)計方案，利用2D-σ軟件進行土釘墻支護數(shù)值模擬分析。

1工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件

1.1工程地質(zhì)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(qū)。

(2) 地層、巖性。場地內(nèi)地層自上而下依次由第四系全新統(tǒng)人工填土(Q4al)、上更新統(tǒng)風(fēng)積(Q32eol)黃土、殘積(Q31el)古土壤、中更新統(tǒng)風(fēng)積(Q22eol)黃土、沖洪積(Q21al+pl)粉質(zhì)粘土、沖湖積(Q21al+l)粉質(zhì)粘土構(gòu)成。

(3) 不良地質(zhì)作用。鉆探揭露的標志層(古土壤)層位穩(wěn)定，分布連續(xù)，未見被錯斷跡象。并對周圍已有建筑物進行了詳細調(diào)查、訪問，亦未發(fā)現(xiàn)地裂縫活動跡象。參照《西安城市工程地質(zhì)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(zhì)條件

勘察量測的穩(wěn)定水位深度為3.00～3.70m，相應(yīng)標高為394.33～397.49m，屬潛水類型，滲透系數(shù)取7m/d。據(jù)《西安城市工程地質(zhì)圖集》，該地區(qū)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(jié)構(gòu)無腐蝕性，在干濕交替條件下，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)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(shù)是由被加固土體、設(shè)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(wěn)定[4]。

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

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

(3) 土釘起著應(yīng)力傳遞與擴散作用。錨體通過其應(yīng)力傳遞作用，將滑裂域內(nèi)部分應(yīng)力傳遞到后邊穩(wěn)定土體中，并分散在較大范圍的土體內(nèi)，降低應(yīng)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(fù)合土體開裂面區(qū)域擴大并連成片時，摩擦力主要來自開裂區(qū)域后的穩(wěn)定土體。

3土釘支護結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1基坑邊坡穩(wěn)定性分析

擬建建筑物場地西側(cè)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(cè)分別有2層危房和1層活動中心?；娱_挖及施工對周圍建筑物有一定影響。依據(jù)《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》(JGJ120-99)，將基坑邊坡安全等級定為二級，邊坡重要性系數(shù)γ0=1.00。

據(jù)工程地質(zhì)勘察、室內(nèi)外試驗、工程地質(zhì)類比等方法綜合確定土體物理力學(xué)參數(shù)取值見表1。

表1　土體物理力學(xué)參數(shù)取值表

穩(wěn)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(yīng)的穩(wěn)定性系數(shù)。計算結(jié)果見表2。開挖邊坡不滿足穩(wěn)定性要求，不穩(wěn)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(shè)計

土釘支護設(shè)計過程為：土釘初步配置、內(nèi)部穩(wěn)定驗算、外部穩(wěn)定計算、局部抗拉驗算[5]。支護設(shè)計結(jié)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(wǎng)筋直徑6mm，網(wǎng)筋網(wǎng)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(jié)，在基坑壁從上至下0.8m處，加設(shè)0.5m的摩擦釘。土釘鋼筋和摩擦釘焊接到鋼筋網(wǎng)上或螺栓緊固。

4基坑邊坡支護數(shù)值模擬分析

4.1數(shù)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(yīng)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?shù)乃介g距取2m。邊坡土體采用莫爾-庫侖模型[6]。數(shù)值模擬模型與網(wǎng)格劃分見圖1。

圖1　數(shù)值模擬分析模型與網(wǎng)格劃分圖

根據(jù)巖土工程勘察成果及地區(qū)經(jīng)驗綜合選定本次計算所用參數(shù)見表4。

表4　土體物理力學(xué)參數(shù)取值表

4.2數(shù)值模擬結(jié)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(nèi)基底的土體也呈現(xiàn)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(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因除了土釘?shù)闹ёo作用，還有土的固結(jié)沉降作用。根據(jù)變形的數(shù)值，其變形很小，滿足工程的要求。這表明土釘支護后穩(wěn)定性滿足，達到預(yù)期的目的。

圖2　變形圖

圖3　土釘墻面層x方向位移

(2) 應(yīng)力及破壞分析。由圖4～圖5可見，在邊坡面層的最大主應(yīng)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(yīng)力值較小，較特殊的情況是在土體內(nèi)的土釘頭部附近最大主應(yīng)力值比鄰近部位土體大。與之對應(yīng)，在最大主應(yīng)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(xiàn)象，加之又沒有形成破壞帶，所以不至于造成失穩(wěn)。

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(wěn)滑塌，面層一般也很少見局部的破壞。從圖6～圖8的數(shù)據(jù)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(jié)論

(1) 土釘墻加固機理：土釘對復(fù)合體起骨架約束作用、土釘對復(fù)合體起分擔作用、土釘起著應(yīng)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(wěn)定性要求，不穩(wěn)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(nèi)基底的土體也呈現(xiàn)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(jù)變形的數(shù)值，其變形很小，土釘支護后穩(wěn)定性滿足工程的要求，達到預(yù)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(xiàn)象，加之又沒有形成破壞帶，所以不至于失穩(wěn)。模擬數(shù)據(jù)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