长乐坊综合楼基坑边坡支护及数值模拟研究

李春峰　曾　耀　邹源江

(1.贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司　贵阳　550081;　2.贵州交通岩土工程有限责任公司　贵阳　550081)

长乐坊综合楼基坑边坡支护及数值模拟研究

李春峰1曾耀1邹源江2

(1.贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司贵阳550081;2.贵州交通岩土工程有限责任公司贵阳550081)

摘要基坑支护技术是综合性的岩土工程难题，既涉及到土力学中典型的强度、稳定和变形问题，同时还涉及到土与支护结构(锚固体)共同作用问题、技术经济问题、绿色环保，以及美观问题。结合工程实例，介绍了场地概况，对开挖边坡进行稳定性分析，结合工程特点和场地条件选择支护类型，阐述了土钉墙支护加固机理，然后进行计算,并提出支护设计方案，利用2D-σ软件进行土钉墙支护数值模拟分析。结果表明，基坑边坡不满足稳定性要求，需要对其进行支护或采取其他的处理方法；土钉支护后基坑变形很小，稳定性满足工程的要求，达到预期的目的；土钉头的较大破坏度，是很小的局部现象，没有形成破坏带，所以不至于失稳，喷射混凝土面层不会破坏，这与工程实际正好相符。

关键词基坑支护边坡稳定性土钉墙数值模拟

高层、超高层建筑，基础埋深随着建筑物高度的增加及城市空间利用的需要而加深，为确保深基坑工程安全施工，支护设计与施工已成为广大设计施工人员普遍关注的热点技术问题。基坑支护技术是个综合性的岩土工程难题，既涉及到土力学中典型的强度、稳定和变形问题，同时还涉及到土与支护结构(锚固体)共同作用问题、技术经济问题、绿色环保以及美观问题(作为外露的永久支护时)[1-3]。

拟建综合楼一栋，23层，高72.90m，框剪结构，桩基或筏基，承台尺寸4.50m×4.50m，设一层地下室，基础埋深6.80m，基础底面处平均压力(标准组合值)pk=400 kPa(柱荷载1 700 kPa)。本文介绍了场地概况，对开挖边坡进行稳定性分析，结合工程特点和场地条件选择支护类型，阐述了土钉墙支护的加固机理，进行设计计算并提出支护设计方案，利用2D-σ软件进行土钉墙支护数值模拟分析。

1工程地质、水文地质条件

1.1工程地质条件

(1) 地形、地貌。拟建建筑物场地位于西安市兴庆路以西，北邻长乐坊。场地地形平坦，地面标高为397.39～398.09m。地貌单元属黄土梁洼区。

(2) 地层、岩性。场地内地层自上而下依次由第四系全新统人工填土(Q4al)、上更新统风积(Q32eol)黄土、残积(Q31el)古土壤、中更新统风积(Q22eol)黄土、冲洪积(Q21al+pl)粉质粘土、冲湖积(Q21al+l)粉质粘土构成。

(3) 不良地质作用。钻探揭露的标志层(古土壤)层位稳定，分布连续，未见被错断迹象。并对周围已有建筑物进行了详细调查、访问，亦未发现地裂缝活动迹象。参照《西安城市工程地质图集》，拟建建筑物场地位于地裂缝f4，f5之间，北距地裂缝约为500 m，南距地裂缝约为600 m，拟建建筑物场地无地裂缝通过，可不考虑地裂缝对场地的影响。

1.2水文地质条件

勘察量测的稳定水位深度为3.00～3.70m，相应标高为394.33～397.49m，属潜水类型，渗透系数取7m/d。据《西安城市工程地质图集》，该地区的地下水位年变化幅度1～2m，勘察期间为平水期水位。地下水对混凝土结构无腐蚀性，在干湿交替条件下，对钢筋混凝土结构中的钢筋具弱腐蚀性。

2土钉墙的作用机理

土钉墙支护技术是由被加固土体、设置在土体中的土钉和喷射混凝土面层组成，形成一个类似重力式挡墙的土钉挡土墙，以此来抵抗墙后传来的土压力和其他荷载，从而保持开挖面的稳定[4]。

(1) 土钉对复合体起骨架约束作用，使复合土体构成一个整体，骨架有约束土体变形的作用。

(2) 土钉对复合体起分担作用。在复合体内，锚钉与土体共同承担外载荷和自重应力，土钉起着分担作用。

(3) 土钉起着应力传递与扩散作用。锚体通过其应力传递作用，将滑裂域内部分应力传递到后边稳定土体中，并分散在较大范围的土体内，降低应力集中程度。

(4) 坡面变形的约束作用。喷射混凝土面板起到坡面变形的约束作用，面板约束力取决于土钉表面与土的摩擦力，当复合土体开裂面区域扩大并连成片时，摩擦力主要来自开裂区域后的稳定土体。

3土钉支护结构设计

3.1基坑边坡稳定性分析

拟建建筑物场地西侧有一栋6层楼，北邻街道，南为7层的水利厅家属楼，且在南部的东西两侧分别有2层危房和1层活动中心。基坑开挖及施工对周围建筑物有一定影响。依据《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120-99)，将基坑边坡安全等级定为二级，边坡重要性系数γ0=1.00。

据工程地质勘察、室内外试验、工程地质类比等方法综合确定土体物理力学参数取值见表1。

表1　土体物理力学参数取值表

稳定计算方法采用圆弧法计算，自动多滑面搜索，寻找最危险滑面及相应的稳定性系数。计算结果见表2。开挖边坡不满足稳定性要求，不稳定，需要对其进行支护或其他的处理方法。

3.2土钉墙支护设计

土钉支护设计过程为：土钉初步配置、内部稳定验算、外部稳定计算、局部抗拉验算[5]。支护设计结果见表3。

表3　土钉配置

3.3喷射混凝土面层

(1) 厚度。 80mm。

(2) 混凝土强度等级。C20。

(3) 面层配筋。网筋直径6mm，网筋网格200m×200mm。加强筋直径14mm，沿土钉水平方向布置，沿上下层土钉相错的斜向布置。为了增强喷射混凝土和填土的连结，在基坑壁从上至下0.8m处，加设0.5m的摩擦钉。土钉钢筋和摩擦钉焊接到钢筋网上或螺栓紧固。

4基坑边坡支护数值模拟分析

4.1数值模型

边坡支护的土钉采用锚杆作为其模型，喷射混凝土作为梁。该问题是平面应变问题，考虑到土钉布置时的间距，模拟模型的厚度采用土钉的水平间距取2m。边坡土体采用莫尔-库仑模型[6]。数值模拟模型与网格划分见图1。

图1　数值模拟分析模型与网格划分图

根据岩土工程勘察成果及地区经验综合选定本次计算所用参数见表4。

表4　土体物理力学参数取值表

4.2数值模拟结果及分析

(1) 变形分析。由图2～图3可见，支护的基坑边坡将会有变形。具体的变形是：基坑外的土体整体下沉(即y方向的位移为负)，基坑内基底的土体也呈现下沉的趋势，但是靠近坡脚的部位下沉的幅度较大；喷射混凝土面层向坑外方向移动(即x方向的位移为负)。出现这一现象的主要原因除了土钉的支护作用，还有土的固结沉降作用。根据变形的数值，其变形很小，满足工程的要求。这表明土钉支护后稳定性满足，达到预期的目的。

图2　变形图

图3　土钉墙面层x方向位移

(2) 应力及破坏分析。由图4～图5可见，在边坡面层的最大主应力较大，在远离基坑的土体和基坑基底下部土体的最大主应力值较小，较特殊的情况是在土体内的土钉头部附近最大主应力值比邻近部位土体大。与之对应，在最大主应力较大的地方破坏接近度也较大。这与土体破坏的理论相一致。从图中很明显可看出破坏接近度大的部位仅在喷射混凝土层下的表层土体，这通过喷射混凝土面层可予以改善。至于土钉头的较大破坏度，因为是很小的局部现象，加之又没有形成破坏带，所以不至于造成失稳。

图4　σ1等值线图(单位：MPa)

图5　σ2等值线图(单位：MPa)

(3) 土钉及面层轴力分析。在工程实际中，土钉墙的破坏通常是穿过土钉在坡脚处呈圆弧形失稳滑塌，面层一般也很少见局部的破坏。从图6～图8的数据和土钉面层的物理指标可得出土钉和面层不会破坏，这与工程实际正好相符。

图6　破坏接近度

图7　土钉轴力(单位：kN)

图8　面层轴力(单位：kN)

5结论

(1) 土钉墙加固机理：土钉对复合体起骨架约束作用、土钉对复合体起分担作用、土钉起着应力传递与扩散作用、坡面变形的约束作用。

(2) 开挖边坡不满足稳定性要求，不稳定，需要对其进行支护或其他的处理方法。

(3) 基坑外的土体整体下沉(即y方向的位移为负)，基坑内基底的土体也呈现下沉的趋势，但是靠近坡脚的部位下沉的幅度较大；喷射混凝土面层向坑外方向移动(即x方向的位移为负)。根据变形的数值，其变形很小，土钉支护后稳定性满足工程的要求，达到预期的目的。

(4) 破坏接近度大的部位仅在喷射混凝土层下的表层土体，这通过喷射混凝土面层可予以改善。至于土钉头的较大破坏度，因为是很小的局部现象，加之又没有形成破坏带，所以不至于失稳。模拟数据和土钉面层的物理指标可得出土钉和面层不会破坏，这与工程实际正好相符。

收稿日期：2014-09-17

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.01.040