竹筋土釘支護電氣設(shè)備房基坑邊坡的研究

毛璐明，楊玉群，田 威

（1.陜西省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，陜西西安710075；2.長安大學建筑工程學院，陜西西安710061）

竹筋土釘支護電氣設(shè)備房基坑邊坡的研究

毛璐明1，楊玉群1，田 威2

（1.陜西省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，陜西西安710075；2.長安大學建筑工程學院，陜西西安710061）

為了探究竹筋土釘對基坑邊坡的支護作用，在ABAQUS中建立某電氣設(shè)備房基坑邊坡的三維數(shù)值模型，利用有限元強度折減理論計算出該邊坡在自重條件下的安全系數(shù)，發(fā)現(xiàn)存在安全隱患。于是模擬用常見的竹子代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼筋制成土釘對其進行支護。對支護后的邊坡仍然按先前的工況條件進行穩(wěn)定性分析。結(jié)果表明竹筋土釘有效地提高了邊坡的整體穩(wěn)定性，而且其承受的軸向拉應力均未超過竹子的抗拉強度，不會出現(xiàn)被拉斷的現(xiàn)象。該研究為竹筋土釘作為臨時支護措施加固邊坡提供了可靠的依據(jù)。

土釘；電氣設(shè)備房；基坑邊坡；有限元強度折減法

改革開放以來，我國經(jīng)濟飛速發(fā)展，GDP總值已超越日本成為世界第二大經(jīng)濟強國。但對能源需求量的日益增長、工業(yè)化進展迅速以及機動車數(shù)量激增等問題的出現(xiàn)，導致空氣質(zhì)量發(fā)生了嚴重惡化。報告顯示［1］：中國最大的500個城市中，只有不到1%達到了世界衛(wèi)生組織推薦的空氣質(zhì)量標準；世界上污染最嚴重的10個城市之中，有7個在中國。越來越多的環(huán)境污染問題已經(jīng)對人體健康和生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了極為惡劣的影響，亟待全社會通力解決。

為了響應國家“節(jié)能減排建設(shè)節(jié)約型社會”的號召，工程師們努力探尋在保證工程質(zhì)量的前提下，用綠色環(huán)保材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)建材。陳昌富等［2］通過室內(nèi)三軸試驗方法研究了草根加筋土的應力-應變及強度特性；魏麗、李敏等［3-4］對麥秸稈加筋石灰土和濱海鹽漬土進行了大量的試驗研究，取得了豐碩的成果；呂韜等［5-6］運用竹筋格柵加固攀枝花學院內(nèi)高差33 m、長175 m的土質(zhì)高邊坡，肯定了竹筋在高填方土質(zhì)邊坡中應用的可行性。

本文從環(huán)保與控制成本的角度出發(fā)，選用我國山區(qū)最為普遍的竹子代替鋼筋與砂漿組成鉆孔注漿釘，通過有限元數(shù)值模擬，探討其作為電氣設(shè)備房基坑邊坡臨時支護的可能性。

1 竹子的工程力學性質(zhì)

我國是產(chǎn)竹大國，竹類植物資源非常豐富。竹材是一種可再生、可降解的天然生物材料，生長快、產(chǎn)量高、成材早、材性好、用途廣。一般3 a～5 a就可以成材，而木材一般則需要20 a～40 a才能成材。竹子的抗拉強度高達370 MPa，比HRB400鋼筋的抗拉強度設(shè)計值（360 MPa）略高，其彈性模量可達20 000 MPa。試驗表明我國南方毛竹的抗壓強度在47 MPa到62.8 MPa之間，大于C30混凝土抗壓強度設(shè)計值（14.3 MPa）。由此可見竹材無疑是替代上述材料的最好選擇。

竹子的物理力學指標主要包括：彈性模量、順紋抗拉強度、順紋抗壓強度以及順紋剪切強度等。Mously針對3種竹子的物理力學指標開展了大量的試驗研究。結(jié)果證明，由于具有較高的抗拉強度和壓縮強度，竹子可以在譬如空間桁架等工程中，替代鋼筋等建筑材料使用［7-10］。

植物學家研究發(fā)現(xiàn)：對于毛竹來說，它的順紋抗拉強度、徑向和弦向的抗彎強度以及密度等指標，會隨著年齡的增長而逐漸增大，一般在5 a～6 a可以達到最大值［11］。呂韜等［5］選取直徑大于50 mm，壁厚4 mm以上，5 a～6 a生長期的毛竹進行相關(guān)試驗。試驗結(jié)果表明，毛竹試樣的抗拉強度和彈性模量非常高。本文所選用竹子的物理力學指標如表1所示。

表1 竹子的物理力學指標

2 計算模型及計算方法

隨著我國城鎮(zhèn)化進程的不斷加快，基坑工程已成為了城市建設(shè)中主要的巖土工程課題之一。土釘支護具有經(jīng)濟有效、施工便捷等優(yōu)點，因此被廣泛用于基坑邊坡的支護中［12-13］。

2.1 計算模型與參數(shù)的選取

本文以某電氣設(shè)備房基坑北側(cè)邊坡為例，在ABAQUS有限元軟件中分別建立未支護和利用竹筋土釘支護的三維基坑邊坡模型。坐標軸方向如圖1所示，該邊坡坡率為1∶0.6，坡高為8.4 m，基坑側(cè)壁安全等級為三級。坡頂?shù)接叶诉吔绲木嚯x為20 m，坡腳到左端邊界的距離為10 m，坡腳到左端邊界的距離為16 m。模型底面采用三個方向固定約束，前、后側(cè)以及兩個側(cè)面采用法向約束。

圖1 基坑邊坡實體模型

沿坡面從上到下一共布置5層土釘，釘長分別為6 m、7 m、5 m、3 m和3 m，傾角均為10°，梅花形布置，間距1.5 m，每層10根，最上層土釘距地面1.5 m，孔徑100 mm，如圖2所示。選用橫截面積為400 mm2的毛竹代替II級Ф20鋼筋，如圖2所示。

圖2 土釘墻模型

邊坡土體共分為四層，第一層素填土厚度為1.5 m，以黃褐色為主，主要為粉質(zhì)黏土，含少量磚瓦片，土質(zhì)不均；第二層黃土厚度為4 m，呈現(xiàn)褐黃色，可塑，土質(zhì)均勻，存在蟲孔及大孔隙，含少量蝸牛殼；第三層粉質(zhì)黏土層厚1.7 m，呈黃褐色，含鐵錳質(zhì)斑紋及零星鈣質(zhì)結(jié)核，局部地段鈣質(zhì)結(jié)核富集；第四層粉細砂厚1.2 m，呈灰黃色，飽和、密實，礦物成分以長石石英為主，含少量云母。對于土體選用八節(jié)點六面體單元（C3D8），采用Mohr-Coulomb破壞準則和非關(guān)聯(lián)流動法則的理想彈塑性模型。

土釘與混凝土噴層按彈性材料參與計算。土釘?shù)膹椥阅Ａ靠梢园凑找韵鹿接嬎恪?/p>

式中：A、Ac為土釘中竹筋的截面積和土釘體的截面積；Eb、Em分別為竹筋和砂漿的彈性模量。

土釘與土體之間的接觸在ABAQUS中利用Embedded region命令來實現(xiàn)，即將土釘嵌入到邊坡土體中。計算所需的材料物理力學參數(shù)見表2。

表2 有限元計算參數(shù)表

2.2 有限元強度折減法

所謂強度折減法就是將土體的強度指標c，φ，用一個折減系數(shù)Fs進行折減，然后用折減后的抗剪強度指標代替原來的抗剪強度指標，即：

Fs可以看作為強度折減系數(shù)。為保證計算開始時是一個近乎彈性的問題，F(xiàn)s的初始值應取足夠小。

利用有限元強度折減法計算時，判斷邊坡是否失穩(wěn)主要依據(jù)以下判據(jù)：結(jié)果不能收斂［14-15］，即強度參數(shù)經(jīng)折減后不能保證有限元計算在迭代次數(shù)極值內(nèi)收斂；塑性區(qū)發(fā)生貫通［16-17］，即邊坡內(nèi)部塑性區(qū)從坡腳貫通至坡頂；特征點位移出現(xiàn)陡增的現(xiàn)象［18-19］，即分析邊坡內(nèi)特征點的位移與折減系數(shù)之間關(guān)系曲線的變化趨勢確定失穩(wěn)破壞狀態(tài)，如當折減系數(shù)增大到某值時，特征點位移隨之發(fā)生突變，則認為邊坡發(fā)生失穩(wěn)。綜合考慮以上3種判據(jù)的優(yōu)缺點，本文定義邊坡特征點位移發(fā)生突變時對應的折減系數(shù)為此邊坡的安全系數(shù)。

3 計算結(jié)果與分析

首先，對基坑邊坡在自重條件下進行穩(wěn)定性計算。選取坡面中心位置坡腳、坡中和坡頂?shù)娜齻€節(jié)點作為特征點進行分析。將這三點的水平位移隨折減系數(shù)變化的曲線繪制于圖3。

圖3 支護前水平位移隨折減系數(shù)變化曲線圖

從圖3中可以看出，最大水平位移值（沿X軸正方向）隨著折減系數(shù)的增大而不斷增大，在折減系數(shù)小于1.027時，曲線變化較為平緩，說明邊坡在出現(xiàn)滑動破壞之前，最大水平位移值隨折減系數(shù)的增大變化不大；當折減系數(shù)大于1.027時，最大水平位移值突然增大，說明邊坡發(fā)生了很大的且無限發(fā)展的變形，此時土體所發(fā)揮的抗剪強度與實際剪應力達到臨界平衡?？梢哉J為突變點1.027就是該邊坡在自重狀態(tài)下的安全系數(shù)，即Fs1=1.027，不能滿足規(guī)范要求。

不考慮竹筋土釘自身強度的折減，通過有限元計算，得到三個特征點水平位移隨折減系數(shù)變化的曲線如圖4所示。

圖4 支護后水平位移隨折減系數(shù)變化曲線圖

從圖4中不難發(fā)現(xiàn)：三個特征點的水平位移都在折減系數(shù)為1.397時出現(xiàn)陡增，則認為在自重條件下利用竹筋土釘支護，基坑邊坡的安全系數(shù)Fs2，較未加固前提高了約36%，滿足規(guī)范要求。

竹筋土釘在土體中主要承受拉應力，選取每層中心位置的土釘為研究對象，在邊坡處于臨界狀態(tài)時，將它們承受的軸向拉應力沿土釘長度方向的分布情況繪于圖5中。由圖5可以看出，拉應力沿長度方向呈兩頭小中間大的拋物線狀分布，這也說明了土釘具有傳遞和擴散應力的作用，經(jīng)擴散作用改善了土釘應力較集中的狀態(tài)。自上而下，每層土釘?shù)淖畲笫芰c逐漸前移，由此也可判斷出邊坡土體的滑移面位置。

圖5 軸向拉應力沿土釘長度分布圖

不同深度處的土釘，其最大軸向拉應力值差別很大，總體來說頂部和底部的土釘受力較小，靠近中間部位的土釘受力較大，其中第三層所受的軸向拉應力最大，達到了14.2 MPa但遠遠小于竹子的抗拉強度150 MPa，說明了竹筋不會出現(xiàn)被拉斷的現(xiàn)象。

4 竹筋土釘?shù)慕?jīng)濟性

取單位長度土釘材料的造價作為目標函數(shù)，假設(shè)1 m3的砂漿價格為1，則目標函數(shù)為：

式中：n為土釘排數(shù)；d為土釘筋材直徑；D為土釘孔徑；S為土釘間距；L為土釘長度；a為土釘筋材與砂漿的價格比。

由于竹子的價格僅為鋼材價格的1/8～1/10，因此竹筋與砂漿的價格比要遠遠小于鋼筋與砂漿的價格比，上式中除了變量a以外，其他所有變量取定值時（約束條件都相同），竹筋土釘?shù)脑靸r要比常規(guī)土釘?shù)土芏啵杀靖咏?jīng)濟。

5 結(jié) 論

本文利用ABAQUS有限元軟件數(shù)值模擬利用竹筋土釘支護基坑邊坡，得到了以下結(jié)論：

（1）竹筋土釘能夠有效地提高基坑邊坡的穩(wěn)定性。竹子的耐久性雖然不及鋼筋，但基坑支護屬于臨時加固工程，竹筋土釘能夠滿足強度和耐久性的要求。

（2）當基坑邊坡處于臨界狀態(tài)時，竹筋土釘承受的最大軸向拉應力遠小于竹子的抗拉強度，竹筋不會出現(xiàn)被拉斷的現(xiàn)象。

（3）竹子的價格比鋼筋低廉很多，因此竹筋土釘比常規(guī)土釘造價更低，更容易控制施工成本。

綜上所述，利用竹子代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼筋制成土釘支護普通基坑是值得推廣的。

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Using Bamboo－reinforced Soil Nailing to Support Electrical Equipment Room’s Foundation Pit Slope

MAO Luming1，YANG Yuqun1，TIAN Wei2
（1.Shaanxi Electric Power Corporation Economic Research Institute，Xi’an，Shaanxi 710075，China；2.School of Civil Engineering，Chang’an University，Xi’an，Shaanxi 710061，China）

In order to explore the effects of bamboo－reinforced soil nailing supported foundation pit slope，a three－dimensional numerical model of an electrical equipment room’s foundation pit slope was developed by using ABAQUS，which adopted the strength reduction finite element method to calculate the safety factor of the slope under gravity conditions to find the hidden safety problems，and then soil nailing made by common bamboo was simulated to analyze the stability of the supporting slope under previous conditions.The results showed that the bamboo－reinforced soil nailing can effectively improve the overall stability of the slope without being broken，and the axial tensile stress did not exceed its tensile strength.This result could provide reliable basis for the bamboo－reinforced soil nailing as temporary support measures to reinforce a slope.

soil nailing；electrical equipment room；foundation pit slope；strength reduction FEM

TU472

A

1672—1144（2016）05—0136—04

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.05.026

2016－07－01

2016－07－30

陜西省自然科學基金資助項目（2015JM5160）

毛璐明（1985—），女，陜西西安人，工程師，主要從事電網(wǎng)工程建設(shè)等相關(guān)工作。E－mail：crystalmaolm@126.com