土釘支擋結(jié)構(gòu)在地鐵基坑邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用

劉 盼,李新斌

(武漢地鐵股份有限公司建設(shè)二公司,湖北 武漢 430000)

商業(yè)化、人口密集化成為現(xiàn)在城市的主要特點(diǎn),地上空間的擁擠越來越嚴(yán)重,地下空間的開發(fā)和利用逐漸成為城市發(fā)展的主角,地下工程的數(shù)量隨之增加,施工難度逐步提高。以地連墻為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)開挖方式見于大多數(shù)基坑施工,但放坡開挖方式較少,因此如何保證基坑邊坡的穩(wěn)定是重中之重。基坑常見的邊坡支擋結(jié)構(gòu)有錨桿、土釘墻、擋土墻、圍護(hù)樁、地連墻等。邊坡穩(wěn)定性計(jì)算的極限平衡法[1]是以土的抗剪強(qiáng)度和靜力平衡為準(zhǔn)則,隨后在該基礎(chǔ)上又由Fellenius提出了瑞典圓弧法和簡化法,以靜力和力矩平衡為研究準(zhǔn)則[2]。采用平面滑動(dòng)法和瑞典圓弧法對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行研究,并用midas GTS NX數(shù)值模擬對不同支護(hù)參數(shù)進(jìn)行分析。

1 工程概況

武漢地鐵12號線某基坑處于長江一級階地,采用土釘墻支護(hù)放坡開挖方式,基坑長256 m,開挖深度6.2 m,放坡坡比率為1,處于城市交通樞紐地帶,按環(huán)境影響和失事程度定邊坡穩(wěn)定性為二級。工程地質(zhì)主要由近代人工雜填土(Qml)、粉砂層、第四系全新統(tǒng)湖積(Q4l)淤泥、第四系全新統(tǒng)沖積(Q4al)一般黏性土、淤泥質(zhì)土、互層土、砂土及第四系全新統(tǒng)沖洪積(Q4al+pl)碎石類土組成。水文地質(zhì)主要為第四系上層滯水、孔隙水承壓水和碎屑巖裂隙水三種類型。

2 邊坡穩(wěn)定性方法對比分析

根據(jù)靜力平衡和力矩平衡受力特征及假定條件,將邊坡穩(wěn)定性分析方法列表,詳見表1。

表1 各邊坡穩(wěn)定性分析方法的特征及假定條件

瑞典圓弧法適用于黏性土,可以將各土層的內(nèi)摩擦角和粘聚力進(jìn)行折算為一層土的計(jì)算參數(shù),適用于大多數(shù)邊坡工程,計(jì)算處安全系數(shù)較實(shí)際工程小,工程偏安全;簡化法考慮了水平間作用力,忽略豎向作用力;畢肖普法計(jì)算原理中增加了豎向作用力,計(jì)算過程較為復(fù)雜;簡化法和畢肖普法可滿足一般工程的精度要求,但其計(jì)算單元?jiǎng)澐忠筝^高,計(jì)算出安全系數(shù)接近實(shí)際,工程安全。不平衡推力法和Morgenstern-Price 法是建立在現(xiàn)代數(shù)值模擬計(jì)算基礎(chǔ)上[3],對理論數(shù)據(jù)掌握要求較高,實(shí)際工程中采用不多。平面滑動(dòng)法為假定滑動(dòng)面為平面,適用于大多數(shù)實(shí)際工程,也是邊坡計(jì)算中的經(jīng)典模式,并且計(jì)算過程和受力分析不太復(fù)雜,適用于該基坑邊坡穩(wěn)定性分析。通過對比各研究方法并結(jié)合現(xiàn)場工程實(shí)際情況,基坑邊坡靜力平衡采用平面滑動(dòng)法計(jì)算,力矩平衡采用瑞典圓弧法計(jì)算。

3 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算

3.1 按靜力平衡法

(1)天然工況。

邊坡在沒有支擋結(jié)構(gòu)的情況下,計(jì)算邊坡是否處于自穩(wěn)狀態(tài)。天然工況邊坡安全系數(shù)計(jì)算示意圖如圖1所示,計(jì)算過程如下。

圖1 靜力平衡法天然工況

邊坡傾角:α=45°;滑動(dòng)面破裂角:

安全系數(shù):ks=[0.5×6.2×6.2×18.3×cos36°×tan28°+6.2×5÷tan36°]÷[0.5×6.2×6.2×18.3×sin36°]=0.938<1.2;

計(jì)算出的安全系數(shù)為0.938小于規(guī)范要求的1.2,故邊坡在天然工況下處于不安全狀態(tài)。

(2)土釘支擋工況。

邊坡在打設(shè)土釘?shù)淖饔孟?計(jì)算邊坡安全狀態(tài),計(jì)算過程如下。

一根土釘錨固力:Nk=3.14×0.022×130×10=89.8(kN/m);

總的錨固力:N=3×89.8=269.4(kN/m);

滑動(dòng)力矩:MS=0.5×6.22×18.3×sin 36°=206.7(kN·m);

抗滑力矩:MR=0.5×6.22×18.3×0.5×6.22×18.3×cos36° × tan28°+269.4×sin51°×tan28°+ 269.4×cos51°+6.2×5/tan36°=473.4(kN·m);

3.2 按力矩平衡法

(1)天然工況。

邊坡在沒有支擋結(jié)構(gòu)的情況下,計(jì)算邊坡是否處于自穩(wěn)狀態(tài)。天然工況計(jì)算示意圖如圖2所示,計(jì)算過程如下。

圖2 天然工況

根據(jù)計(jì)算簡圖3取計(jì)算參數(shù):圓弧半徑R=15 m、滑塊力臂d=7.1 m、滑塊體積V=21 m3、粘聚力長度L=18 m。

圖3 土釘支擋工況

(2)土釘支擋工況。

根據(jù)計(jì)算簡圖3取計(jì)算參數(shù):圓弧半徑R=15 m、滑塊力臂d=7.1 m、滑塊體積V=21 m3、粘聚力長度L=18 m、各土釘?shù)目够Ρ踕1=6.63 m、d2=8.8 m、d3=11.9 m。

則安全系數(shù):ks=(5×15×18+89.8×6.63+89.8×8.8+89.8×11.9)÷(21×18.3×7.1)=1.39>1.2,在土釘支擋結(jié)構(gòu)下邊坡的安全系數(shù)為1.39大于規(guī)定值1.2,故邊坡處于安全狀態(tài)。

3.3 結(jié)論

對邊坡不同工況下的安全系數(shù)進(jìn)行對比分析,見表2。

表2 不同工況下的邊坡的安全系數(shù)

由計(jì)算結(jié)果可知,在天然工況的情況下邊坡穩(wěn)定的安全系數(shù)均小于規(guī)定值1.2?；拥纳蠈痈餐林饕獮殡s填土和素填土,土的內(nèi)摩擦角和抗剪強(qiáng)度較低,致使土體內(nèi)部的抗滑阻力克服不了下滑力,在坡面傾角大于內(nèi)摩擦角時(shí)會(huì)引起失穩(wěn)?；娱_挖控制坡面為45°,遠(yuǎn)大于土的內(nèi)摩擦角28°,因此在天然工況下邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。對邊坡打設(shè)土釘支擋后,邊坡的安全系數(shù)均滿足要求,土釘?shù)氖┳鰳O大地提高了土體的抗滑力,增大了抗滑力矩。

4 數(shù)值模擬計(jì)算

4.1 模型建立

該基坑邊坡無大幅度起伏,斷面規(guī)則平穩(wěn),選取與力學(xué)計(jì)算相同的斷面建立二維計(jì)算模型。采用midas GTS NX數(shù)值模擬,邊坡內(nèi)土體采用二維平面應(yīng)變單元分析,打設(shè)土釘支擋結(jié)構(gòu)采用一維植入式桁架單元模擬,邊坡坡面噴錨支護(hù)等材料采用摩爾庫倫計(jì)算準(zhǔn)則[4]。邊界條件根據(jù)圣維南原理取3倍的開挖深度,即坡頂取6.2 m,坡底取6.2 m,數(shù)值分析模型圖如圖4所示,并輸入巖土力學(xué)參數(shù),見表3。

圖4 數(shù)值分析模型

4.2 天然工況與土釘支擋對比分析

對邊坡分別進(jìn)行天然工況下和施做土釘支擋結(jié)構(gòu)下穩(wěn)定性分析,其位移圖和塑性應(yīng)變圖如圖5、圖6所示。

圖5 天然工況下位移

圖6 土釘支擋下位移

據(jù)圖分析,天然工況下土體的豎向最大位移出現(xiàn)在中部4 m位置處,位移大約5.7 mm,坡體有滑裂趨勢。施工土釘墻支擋結(jié)構(gòu)后邊坡穩(wěn)定,最大位移大約1.8 mm,在邊坡中上部位置。普通的滑坡地質(zhì)災(zāi)害研究表明,邊坡滑裂最大原因是局部豎向位移突然變大,或者在外部干擾因素下土體抗剪強(qiáng)度下滑,因此施工土釘墻后,控制了局部豎向位移,可提高邊坡穩(wěn)定,研究與實(shí)際工程相符。天然工況下塑性變形區(qū)范圍較大,體現(xiàn)土體有效應(yīng)力區(qū)滑裂張力較大,但具體不能直接表明邊坡會(huì)發(fā)生失穩(wěn),故塑性區(qū)體現(xiàn)出貫通面不是客觀的邊坡滑動(dòng)面,采用豎向位移增幅大小能更好體現(xiàn)失穩(wěn)狀態(tài)。

4.3 土釘桿體直徑對比分析

研究土釘桿體直徑對邊坡穩(wěn)定性的影響,設(shè)定其他參數(shù)不變,僅研究土釘桿體直徑d=22 mm和d=28 mm時(shí)對邊坡豎向位移和塑性區(qū)的影響。取土釘打入角度15°,錨固段長度10 m,其他參數(shù)如上,計(jì)算結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 土釘直徑d=22 mm位移

圖8 土釘直徑d=28 mm位移

據(jù)圖分析,當(dāng)邊坡植入土釘后,其豎向位移和塑性區(qū)均得到有效改善。d=22 mm土釘影響邊坡豎向位移最大值為1.2 mm,d=28 mm土釘為1.0 mm,二者幾乎無差距,并且都能達(dá)到施工要求。對此從施工成本經(jīng)濟(jì)角度出發(fā),選擇d=22 mm的土釘既能達(dá)到穩(wěn)定邊坡的目的,又能節(jié)材降低成本。

4.4 邊坡噴混凝土厚度對比

研究邊坡噴射混凝土厚度不同對邊坡穩(wěn)定性的影響,設(shè)定其他參數(shù)不變,僅研究混凝土厚度h1=80 mm和h2=150 mm時(shí)對邊坡豎向位移和塑性區(qū)的影響。計(jì)算結(jié)果如圖9、圖10所示。

圖9 混凝土h1=80 mm位移

圖10 混凝土h2=150 mm位移

由圖可知,150 mm厚度混凝土的塑性變形區(qū)較80 mm厚度小,更加有利于控制土體的變形,但在豎向位移值中無明顯體現(xiàn),分析原因是土釘植入使得邊坡穩(wěn)定,土體未形成潛在滑動(dòng)面,并且開挖的土體表面及時(shí)噴射混凝土,可進(jìn)一步控制由有效應(yīng)力失散引起的回彈變形,減小塑性區(qū)土體變形,故施工選擇150 mm厚度噴射混凝土。

4.5 數(shù)值模擬結(jié)論

在土釘支擋結(jié)構(gòu)工況下,邊坡的豎向位移為1.8 mm小于天然工況下的5.7 mm,打設(shè)土釘可以增加滑裂面的抗滑力。直徑為22 mm和28 mm的桿體對豎向位移和塑性區(qū)的改善相差甚微,因此選用直徑為22 mm的土釘既能達(dá)到穩(wěn)定邊坡的目的,又能節(jié)材降低成本。150 mm厚度混凝土的塑性變形區(qū)較80 mm厚度小,表明混凝土保護(hù)層可以起到抵抗有效應(yīng)力失散作用。

5 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

為更好的掌握基坑施工的安全狀態(tài),及時(shí)掌握施工過程中的異常情況,評價(jià)對周圍環(huán)境和建筑物的影響,監(jiān)測成為現(xiàn)在項(xiàng)目管理中重要一環(huán)。監(jiān)測還可以反映地層變形發(fā)展的規(guī)律及工程施工所造成的影響,判斷前一步施工工藝和施工參數(shù)是否符合預(yù)期要求,以確定和優(yōu)化下一步的施工參數(shù),為后續(xù)施工取得信息,達(dá)到經(jīng)濟(jì)目的[5]。

根據(jù)地質(zhì)條件選取代表性斷面即基坑開挖第55軸區(qū),根據(jù)《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(GB 50911-2013)相關(guān)要求和條文說明,在施工主要影響區(qū)內(nèi)的坡頂、邊坡中部、坡頂處布設(shè)監(jiān)測點(diǎn),進(jìn)行地表沉降、豎直位移監(jiān)測、預(yù)警值見表4。

表4 邊坡監(jiān)測項(xiàng)目及預(yù)警 單位:mm

5.1 影響區(qū)域劃分

圖11 斷面監(jiān)測布置

5.2 監(jiān)測點(diǎn)的布設(shè)

坡頂和地表監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)采用固定中桿結(jié)合配套棱鏡。其埋設(shè)方法如下:沿邊坡頂部堅(jiān)固區(qū)域按4 m 間距用電鉆成孔植入Φ16 圓鋼,鋼頭采用長度為8 mm 的對中螺牙,露出地面長度為10～15 mm。

邊坡中部和坡底監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)采用土釘支擋穩(wěn)固結(jié)構(gòu)焊接鋼筋測頭,粘貼測量反光貼,沿基坑縱向布設(shè)間距4 m。施工過程中需對監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行保護(hù)。

5.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

(1)地表沉降監(jiān)測。

地表沉降變化趨勢如圖12所示。由圖可知,測點(diǎn)1和測點(diǎn)2的沉降變化有著相同的趨勢,基坑放坡開挖形成邊坡后,土體自重應(yīng)力減小,產(chǎn)生回彈變形,于是在前九天內(nèi)沉降呈增大趨勢,后續(xù)土體自重應(yīng)力重新分布外加應(yīng)力擴(kuò)散,使得沉降趨于穩(wěn)定,后續(xù)隨時(shí)間沉降慢慢減小。沉降最大值監(jiān)測顯示在第九天,其中測點(diǎn)1的最大值為4.6 mm,測點(diǎn)2的最大值為4 mm,均小于監(jiān)測預(yù)警值6 mm,顯示邊坡安全可控狀態(tài)。

圖12 地表沉降變化

(2)坡頂豎向位移。

坡頂豎向沉降變化趨勢如圖13所示。由圖可知,坡頂?shù)呢Q向位移在隨著時(shí)間呈增長狀態(tài),測點(diǎn)1在初期較測點(diǎn)2增長慢,但后續(xù)測點(diǎn)2變化值較大。第十一天測點(diǎn)1豎向位移達(dá)到最大值4.5 mm,但測點(diǎn)2的豎向位移最大值2.6 mm在第九天,分析原因基坑坡頂施工荷載影響測點(diǎn)1的數(shù)據(jù)變化,基坑土方開挖對邊坡頂部的影響較小,而施工堆載影響較大。豎向位移最大值均小于預(yù)警值8 mm,邊坡處于安全可控狀態(tài)。

圖13 坡頂豎向沉降變化

(3)邊坡中部豎向位移。

邊坡中部豎向位移變化趨勢如圖14所示。由圖可知,邊坡中部豎向位移變化較復(fù)雜,前四天時(shí)間內(nèi)測點(diǎn)1和測點(diǎn)2的豎向位移急劇增大,分析原因邊坡放坡傾角45°較大,基坑開挖后土體無法達(dá)到自穩(wěn)狀態(tài),上部土體下滑致使土體的抗剪強(qiáng)度和抗滑阻力不足,致使土體有較大位移。第四天后豎向位移呈減小趨勢,說明在施工土釘支擋結(jié)構(gòu)后,增大了土體抗滑力和抗滑力矩,外部因素干擾了失穩(wěn)狀態(tài),人為達(dá)到了邊坡穩(wěn)定。第九天后土體豎向位移進(jìn)一步減小,后續(xù)達(dá)到2.2 mm左右。中部邊坡豎向位移最大值為7 mm,距預(yù)警值8 mm較近,施工現(xiàn)場及時(shí)組織相關(guān)技術(shù)人員進(jìn)行商討,及時(shí)采取邊開挖邊支護(hù)的施工措施,加大監(jiān)測頻率,隨時(shí)掌握邊坡穩(wěn)定狀態(tài)。

圖14 邊坡中部豎向位移變化

(4)邊坡底部豎向位移。

邊坡底部豎向位移變化趨勢如圖15所示。由圖可知邊坡底部監(jiān)測位移值較小,基本穩(wěn)定在1.5 mm左右,遠(yuǎn)小于預(yù)警值6 mm。邊坡底部土體擾動(dòng)性小,其底部大多數(shù)為未開挖部分,巖土應(yīng)力變化小,只要不人為破壞坡腳,不造成坡腳懸空,其長時(shí)間可處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。

圖15 邊坡底部豎向位移變化

5.4 監(jiān)測結(jié)論

通過監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示,地表和坡頂?shù)某两底兓厔菹嗨?均在前期呈增長趨勢,后期隨支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工,土體抗剪強(qiáng)度增大,抗滑阻力增加,土體的變形量減小。坡底的土體由于擾動(dòng)量小,豎向位移長期趨于穩(wěn)定狀態(tài),但邊坡中部變形量較大,故在實(shí)際工程支護(hù)結(jié)構(gòu)施工中要做到早開挖、早支護(hù)、勤測量。

6 結(jié) 論

(1)采用土釘支擋結(jié)構(gòu)后,邊坡安全系數(shù)提高至1.39,大于天然工況下的0.495,邊坡的豎向位移為1.8 mm小于天然工況下的5.7 mm,表明土釘支擋提高了邊坡穩(wěn)定性,增加了滑裂面的抗滑力,因此選用土釘支護(hù)可行。

(2)通過數(shù)值模擬對比,直徑為22 mm和28 mm的桿體對豎向位移和塑性區(qū)的改善相差甚微,因此選用直徑為22 mm的土釘既能達(dá)到穩(wěn)定邊坡的目的,又能節(jié)材降低成本。150 mm厚度混凝土的塑性變形區(qū)較80 mm厚度小,表明混凝土保護(hù)層可以起到抵抗有效應(yīng)力失散作用。

(3)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示邊坡中部豎向位移變化量最大為7 mm,在土釘施工后穩(wěn)定在3.5 mm,因此在施工中盡早施工土釘并及時(shí)噴錨,提高土體抗滑力,減小邊坡位移。