蘭州地區(qū)土釘墻支護(hù)受力研究

梁瀟文，張福龍

(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714000)

蘭州地區(qū)土釘墻支護(hù)受力研究

梁瀟文，張福龍

(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714000)

雖然蘭州地區(qū)在基坑開(kāi)挖時(shí)多采用土釘墻支護(hù)，但由于地層的復(fù)雜性，使得土釘墻的受力變形分析變得較為復(fù)雜，尤其是土釘墻在開(kāi)挖期間土壓力及土釘?shù)氖芰Ψ治?，在理論與實(shí)踐應(yīng)用中還存在一定差距。以蘭州城市規(guī)劃展覽館基坑工程為例，結(jié)合理正深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件FSPW-7.0，分析基坑在開(kāi)挖時(shí)土壓力及土釘拉應(yīng)力的變形規(guī)律，并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。研究表明：采用軟件FSPW-7.0計(jì)算分析時(shí)，所得的計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的土釘最大拉應(yīng)力及土壓力吻合度較高，其計(jì)算結(jié)果可作為設(shè)計(jì)土釘墻參數(shù)選取的依據(jù)，并用以施工指導(dǎo)。

基坑；土釘墻；土壓力；拉應(yīng)力

0 前 言

傳統(tǒng)的支擋結(jié)構(gòu)均基于被動(dòng)制約機(jī)制，即以支擋結(jié)構(gòu)自身的強(qiáng)度和剛度，承受其后面的側(cè)向土壓力，防止土體整體穩(wěn)定性破壞。土釘墻支護(hù)原理與傳統(tǒng)的支擋結(jié)構(gòu)的支護(hù)原理不同，在基坑開(kāi)挖時(shí)，通過(guò)打入土體內(nèi)不同長(zhǎng)度與密度的土釘與邊坡土體共同作用，形成了類似于加筋土的復(fù)合結(jié)構(gòu)土體[1]。通過(guò)土釘與土的共同作用，從而達(dá)到加固與穩(wěn)定邊坡的目的。從某種意義上來(lái)說(shuō)，土釘加固邊坡土體可以理解為土體的一種改良措施。因土體的抗拉、抗剪強(qiáng)度遠(yuǎn)低于土釘，當(dāng)邊坡土體中打入土釘時(shí)，在復(fù)合作用下，土體的抗剪強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、整體穩(wěn)定性均有顯著的提高，并且由于土釘?shù)淖饔茫泳徚诉吰峦馏w的塑性變形發(fā)展階段，把“脆性”破壞轉(zhuǎn)變?yōu)椤八苄浴逼茐模词惯吰峦馏w喪失承載能力，也不會(huì)發(fā)生突發(fā)性的整體滑坡破壞[2]。

1 工程概況及支護(hù)方案

1.1 工程概況

蘭州城市規(guī)劃展覽館工程總建筑面積16 460 m2，地上4層，地下1層，建筑基礎(chǔ)采用筏板基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深-6.3 m，其中機(jī)械開(kāi)挖深度為-5.6 m，剩余0.7 m采用人工開(kāi)挖。工程勘察資料[3]顯示，該場(chǎng)地地下水為階地型潛水，主要含水層為卵石層，卵石層滲透系數(shù)為85 m/d。該場(chǎng)地緊臨黃河，在枯水期地下水主要接受大氣降水和地表水入滲等補(bǔ)給黃河，豐水期黃河補(bǔ)給地下水。地下水變化幅度約1.5～3.0 m。根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，該基坑安全等級(jí)為二級(jí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.0。

1.2 支護(hù)設(shè)計(jì)原則與土釘參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，依據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》JGJ 120-2012，該基坑支護(hù)設(shè)計(jì)包括兩部分：a用極限平衡法進(jìn)行局部抗拉計(jì)算，得出土釘參數(shù)；b使用條分法分層進(jìn)行穩(wěn)定性分析計(jì)算，之后進(jìn)一步調(diào)整土釘參數(shù)，再進(jìn)行包括外部穩(wěn)定性計(jì)算在內(nèi)的穩(wěn)定分析[4]。設(shè)計(jì)驗(yàn)算采用北京理正深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件FSPW-7.0版本，并手工驗(yàn)算復(fù)核，最終確定支護(hù)設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果。以計(jì)算結(jié)果為依據(jù)，結(jié)合蘭州地區(qū)工程實(shí)踐進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，形成本工程最終設(shè)計(jì)。

1.3 驗(yàn)算結(jié)果與參數(shù)整理

根據(jù)驗(yàn)算結(jié)果，現(xiàn)取具有代表性的2-2′剖面為例。表1～2分別為土層參數(shù)、土釘參數(shù)。最終抗拔承載力驗(yàn)算結(jié)果如表3所示。

2 土釘開(kāi)挖受力分析

分析基坑在開(kāi)挖時(shí)，土釘受力的變化情況，然后歸納土釘在基坑開(kāi)挖時(shí)的受力特征，并總結(jié)變形特征，找出變化規(guī)律。在數(shù)據(jù)分析時(shí)，著重考慮主要的，最常見(jiàn)的影響因素，如土釘?shù)拈L(zhǎng)度、布置等，暫不考慮偶然的，人為的因素，以突出重點(diǎn)。

表1 土層參數(shù)

表2 土釘參數(shù)

表3 抗拔承載力驗(yàn)算結(jié)果

基坑在開(kāi)挖時(shí)，隨著土體中的應(yīng)力釋放，土體中應(yīng)力來(lái)不及調(diào)整，并呈現(xiàn)逐漸變小的趨勢(shì)，為了保證基坑土體的穩(wěn)定，此時(shí)的土釘將受到一定的土壓力。在進(jìn)行土釘開(kāi)挖受力分析時(shí)，以縱坐標(biāo)為土釘開(kāi)挖時(shí)受到的拉力F，橫坐標(biāo)為土釘?shù)拈L(zhǎng)度L，并對(duì)每排土釘實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得出基坑在開(kāi)挖時(shí)土釘沿長(zhǎng)度方向的受力變化圖。通過(guò)分析各排土釘在開(kāi)挖時(shí)的圖形及數(shù)據(jù)，可將受力分為3個(gè)階段。

第1階段：當(dāng)土釘剛打入基坑邊坡時(shí)，由于邊坡土層已基本完成了大部分的位移，土釘打入土層的側(cè)向位移發(fā)展不大，因此，作用在土釘上的土壓力并不大，此時(shí)土釘沿全段長(zhǎng)度的拉應(yīng)力基本為零。

第2階段：當(dāng)土釘打入邊坡土體時(shí)，與土體形成類似于加筋土的結(jié)構(gòu)。根據(jù)加筋土的受力特性，當(dāng)基坑在開(kāi)挖下一層土體時(shí)，上一層土體會(huì)因下一層土體開(kāi)挖產(chǎn)生的側(cè)向位移而產(chǎn)生相應(yīng)的側(cè)向位移，上層土體相應(yīng)的側(cè)向位移約為下層土體側(cè)向位移的20%左右，此時(shí)，處于上一層土體中的土釘就會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力[5]。

第3階段：隨著基坑開(kāi)挖深度不斷增加，土體水平及垂直位移量因開(kāi)挖卸荷而逐漸增加，土釘受到的拉應(yīng)力也呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，并且拉應(yīng)力最大值逐漸向后移動(dòng)，拉應(yīng)力峰值所處位置會(huì)因不同土層而不同，一般情況下，越靠近上層土體的土釘拉應(yīng)力峰值越靠后，越接近下層土體的土釘拉應(yīng)力峰值越靠前，將各排拉應(yīng)力峰值所在的土釘橫斷面連起來(lái)，既是基坑開(kāi)挖時(shí)邊坡潛在的危險(xiǎn)滑移面。

3 結(jié) 語(yǔ)

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及理正深基坑設(shè)計(jì)軟件的計(jì)算結(jié)果，可總結(jié)以下幾點(diǎn)。

1) 當(dāng)基坑在開(kāi)挖下層土體時(shí)，必定會(huì)引起上層土釘?shù)膽?yīng)力增加，并且上層土體會(huì)因下層土體的開(kāi)挖而繼續(xù)產(chǎn)生側(cè)向位移，但是上層土體的側(cè)向位移值并不等于下層土體開(kāi)挖時(shí)的側(cè)向位移值。

2) 隨著基坑開(kāi)挖深度的增加，土釘受到的拉應(yīng)力也會(huì)逐漸增加，并且發(fā)生在開(kāi)挖下一層土體的時(shí)候。隨著開(kāi)挖面層的遠(yuǎn)離，土釘拉應(yīng)力的增加值呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。

3) 土釘在基坑開(kāi)挖過(guò)程中所受到的拉應(yīng)力是一個(gè)不斷調(diào)整與變化的值，隨著基坑開(kāi)挖深度的不同，其所受到的最大拉應(yīng)力值大小、應(yīng)變?cè)黾恿慷疾煌?，并按一定的?guī)律分布。

[1] 孫鐵成, 張明聚, 楊茜. 深基坑復(fù)合土釘支護(hù)模型試驗(yàn)研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2004, 23(15): 2385-2392.

[2] 高盟, 高廣運(yùn), 張遠(yuǎn)芳. 土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的有限元分析[J]. 巖土力學(xué), 2007, 28(11): 2463-2470.

[3] 魏煥衛(wèi), 宋豐波, 孫劍平. 基于明德林解的土釘內(nèi)力計(jì)算方法[J]. 巖土力學(xué), 2011, 32(1): 2464-2471.

[4] 劉國(guó)彬, 王衛(wèi)東. 基坑工程手冊(cè)[M]. 北京: 中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2009.

[5] Simth I M. Three-dimensional analysis of reinforced and nailed soil[C]//Proceedings of the International Symposium on Numerical Models in Geomechanics. Rotterdam: Balkema A A, 1992.

Soil Nailing Wall Supporting Stress Research in Lanzhou Area

LIANG Xiaowen, ZHANG Fulong

(ShaanxiInstituteofTechnologyofProfessionofRailwayEngineering,Weinan,Shanxi714000,China)

Although soil nailing wall in foundation pit excavation support is adopted in in Lanzhou area, the complexity of the strata makes an analysis of stressed deformation of soil nailing wall relatively complex, especially in the soil nailing wall during the excavation of earth pressure and force analysis of soil nailing. It still exists in a certain gap to be theory and practice applications. In LanZhou city, the planning exhibition hall of foundation pit engineering, for example, is combined with the principle of the deep foundation pit in supporting structure design software FSPW-7.0. There is an analysis of earth pressure when foundation pit excavation and soil nail tensile stress are in the deformation law to be compared with the actual monitoring data. Our research analysis of software FSPW-7.0 calculation will show that the calculation results with the field measurement of soil nailing the maximum tensile stress and soil pressure alignment are higher. The calculation results can be taken as the basis for design of soil nailing wall parameters selection to guide construction.

Foundation pit; Soil nailing wall; Earth pressure; Tensile stress

2017-02-28

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50978128)

梁瀟文(1986-)，女，甘肅定西人，助教，研究方向：地基基礎(chǔ)，手機(jī)：15706092100，E-mail：510393233@qq.com.

TU971

B

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2017.03.055