深基坑复合土钉支护可靠度分析

张安玉，吕 惠

(1.山东同圆设计集团有限公司，山东济南250000；2.青岛理工大学土木工程学院，山东青岛266033)

基坑支护设计时，传统方法(即确定性分析方法)只是通过计算安全系数来衡量基坑支护稳定与否。然而众所周知，土体具有空间变异性，单单利用安全系数来评定基坑支护所得结果并不准确。由此，又引进了不确定性分析方法，即可靠度分析方法。本文拟采用可靠度分析方法，探究土钉参数对深基坑稳定的影响，希望得到一些有益的结论。

1 复合土钉支护概述

土钉支护充分利用了原状土的自承能力，把本来完全靠外加围护结构来支挡的被动土体，通过土钉技术的加固使其本身成为一个复合的挡土结构[1]。但是土钉支护无法用于例如软弱与泥质土、砂性土层、地下有潜水和承压水以及水量丰富的深基坑地质条件。复合土钉支护的出现很好地弥补了土钉支护的缺陷。复合土钉支护是以土钉支护为主，辅以其他补强措施以保持和提高边坡稳定的复合支扩形式[2]。

复合土钉支护有很多优点，如基坑施工无需设置支撑、围檩。施工方便，材料用量和工程量小，工期短，经济可靠[3]。

2 蒙特卡洛法简介

蒙特卡洛法，又称统计试验法或随机抽样技巧法。它适用于随机变量的概率密度分布形式已知或符合假定的情况，在目前可靠度计算中，是一种相对精确的方法[4]。蒙特卡洛法是从概率的角度出发来求解失效概率的。基本原理为：

设X1，X2，……Xn为N个独立的随机变量，建立功能函数：

F=G(X1,X2，……Xn)

(1)

依次将这N个独立的随机变量代入功能函数F，得到N个Fi值，统计其中F>0的个数，记做M,确定失效概率为：

Pf=M∕NN→∞

(2)

由于蒙特卡洛法是通过随机抽样来获得失效概率的，所以随着抽样次数的增加我们所得到的的频率才越接近边坡的失效概率。

3 算例分析

3.1 工程概况

(1)某拟建高层住宅，框剪结构，地上21层，高65 m，基础埋深6 m，基坑开挖长34 m，宽34 m，深6 m。

(2)地层结构及主要参数见表1。

表1 地层结构及主要参数

(3)复合土钉墙支护结构参数。

基坑开挖深度为6 m，改变土钉参数：

情况一：分别加1 m、 3 m、 4 m、 5 m、 6 m长锚杆，纵向设计3排土钉，横向间隔1 m，水平夹角10°，直径0.1 m。

情况二：深基坑内壁设置厚0.5 m混凝土面层。取混凝土容重19.1 kN/m3，粘聚力5 000 kPa,摩擦角35°，分别加1 m、3 m、4 m、5 m、6 m长土钉，纵向设计3排土钉，横向间隔1 m，水平夹角10°，直径0.1 m。

3.2 结果分析

土钉支护和复合土钉支护最危险滑动面位置对比，如下图1、图2、图3所示。

(1)当土钉长度为1 m时：

图1(a) 土钉支护最危险滑动面

图1(b) 复合土钉支护最危险滑动面

(2)土钉长度为3 m时：

图2(a) 土钉支护最危险滑动面

图2(b) 复合土钉支护最危险滑动面

(3)土钉长度为5 m时：

图3(a) 土钉支护最危险滑动面

图3(b) 复合土钉支护最危险滑动面

土钉支护和复合土钉支护对比，如表2所示：

表2 计算结果汇总

(注：表中FS为安全系数，P为失效概率。)

由上表可知，无论是直接土钉支护，还是复合土钉支护，随着土钉长度的增加，安全系数逐渐增大，失效概率逐渐减小；土钉支护和复合土钉支护比较，对于相同的土钉长度而言，后者的安全系数明显大于前者，后者的失效概率明显小于前者。

4 结论

改变土钉参数对复合土钉支护影响巨大，且复合土钉支护方法比直接土钉支护基坑边坡更稳固。所以在深基坑稳定分析时，应在施工和经济允许的前提下尽量采用复合土钉支护方法，选择合适的土钉锚固长度，从而更好的增加土坡稳定性。

[1] 熊赞民，高全臣，王春来.SLIDE在深基坑支护可靠性分析中的应用[J].矿业研究与开发，2008,28(2)：39-41

[2] 张龙双.复合土钉支护分析与简介[J].建筑与预算，2012,(3):133-134

[3] 邓红刚.高层建筑深基坑开挖复合土钉支护技术的探讨[J].商品与质量:建筑与发展,2012,(11):84-85

[4] 陈祖煜.土质边坡稳定分析——原理、方法、程序[M].北京:中国水利水电出版社,2003

[5] 祝玉学. 边坡可靠度分析的蒙特卡洛模拟方法[J]. 露天采矿技术，1990,(4): 29-36

[6] 许文达. 基于蒙特卡洛-有限元法的边坡可靠度分[J]. 福州大学学报:自然科学版，2004,32(1): 73-77