止水帷幕提高土钉墙稳定系数的数值模拟研究

徐 学 贺

(河北工程大学土木工程学院，河北 邯郸 056038)



止水帷幕提高土钉墙稳定系数的数值模拟研究

徐 学 贺

(河北工程大学土木工程学院，河北 邯郸 056038)

以某复合土钉墙支护为例，利用FLAC 3D软件，结合强度折减法，计算了该类型土钉墙在有无止水帷幕两种工况下的安全系数，并对其结果进行了对比分析，同时与极限平衡法的计算结果作了比较验证，得出了一些有意义的结论。

土钉墙，止水帷幕，强度折减法，有限差分法

基于目前规范与工程设计中一般将止水帷幕作为安全储备不考虑其对基坑稳定性的影响，往往造成工程浪费，影响土钉墙支护技术的推广。因此止水帷幕对土钉墙稳定性影响的研究很有必要。本文针对一个实际工程采用基于有限差分法和强度折减理论的方法验算了有无止水帷幕两种情况下各工况土钉墙支护的稳定系数，并将其与传统极限平衡法的结果做了对比分析。

1 工程案例

1.1 工程概况

某工程基坑深度为10 m，周边放坡条件充分，基坑安全等级为二级，采用复合土钉墙支护作为围护结构，坡度为1∶0.3，地下水位3 m，坡后设置止水帷幕。各排土钉与锚索水平距离均为1.5 m，土钉、锚索的具体布置与土层参数见表1，表2。

止水帷幕采用水泥土搅拌桩，桩径600 mm，搭接200 mm，掺灰量不小于15%，水灰比0.5，进入基坑底部以下深度3 m。水泥土止水帷幕的比重取22 kN/m3，内摩擦角取40°，弹性模量E取420 MPa，粘聚力值为500 kPa，水泥土桩长度为11.0 m。

表1 土钉参数表

表2 土层参数表

1.2 计算模型

土体、止水帷幕采用摩尔—库仑模型。本文将止水帷幕考虑为加固土体，在止水帷幕和土体之间未设接触面单元。土钉、锚索注浆体与周围土体的接触面按法向和切向的非线性弹簧考虑。参考相关工程经验，支护中的喷射混凝土面层受力微小[4]，故在计算中不考虑面层作用。土钉、锚索注浆体与土体接触面粘聚力由现场拉拔试验获取，摩擦角取注浆体和土体之间的外摩擦角[5]。

模型边界参照张鲁渝、郑颖人等人的建议，X方向长度共43 m(左边界至坡脚15 m，坡脚至坡顶投影3 m)，Y方向按照一个单元长度取1.5 m，Z方向共20 m(坑底上下各10 m)。模型两侧面设为滚轮支座，底部设为固定支座并限制X与Z方向的位移，整个模型限制Y方向的位移和速度。模型网格划分见图1。

2 计算结果

2.1 不考虑止水帷幕的计算结果

结合强度折减法原理使用软件FLAC 3D计算各工况下的稳定系数，计算结果见表3。边坡安全系数、剪切应变增量云图及速度矢量图如图2所示。

表3 不考虑止水帷幕计算结果

2.2 考虑止水帷幕的计算结果

结合强度折减法原理使用FLAC 3D软件计算各开挖工况的稳定系数，计算结果见表4。边坡安全系数、剪切应变增量云图及速度矢量图如图3所示。

表4 考虑止水帷幕计算结果

工况开挖深度/m安全系数1110．51233．53352．20471．53591．246101．13

2.3 传统极限平衡法的计算结果

使用JGJ 120—2012建筑基坑支护技术规程[7]中的极限平衡法计算各工况的稳定系数。计算结果如表5所示。

表5 规程JGJ 120—2012计算结果

2.4 结果分析

1)强度折减法与传统极限平衡法的计算结果比较。由于大多数工程设计中使用传统极限平衡法计算，而该方法一般不考虑止水帷幕对土钉墙整体稳定性的影响，故在不考虑止水帷幕情况下各工况土钉墙的安全系数计算结果与极限平衡法的计算结果进行比较，如表6所示。

表6 FLAC 3D与规程JGJ 120—2012计算结果对比

通过以上分析比较得出，规程计算结果均满足二级基坑整体稳定安全系数不小于1.3的要求；而在开挖深度达到7 m以上时FLAC 3D计算结果偏小，但在7 m以内计算结果比规程大。 因为规程方法假设滑裂面为圆弧形，随开挖深度加大到超过7 m，边坡滑动由浅层转变为深层滑动，滑动面变缓，滑动面上缘离坡顶变远，滑动体积增大，故超过7 m用规程方法计算结果偏大。通过与规程计算对比，参考图2剪应变增量云图，强度折减法计算相对合理，超过7 m用该方法计算比较安全。

2)强度折减法的计算结果比较。采用有限差分软件FLAC 3D结合强度折减法计算有无止水帷幕各工况整体稳定安全系数，对其计算结果对比分析如表7所示。

通过表7对比，参考图2，图3，用强度折减法计算考虑止水帷幕比不考虑止水帷幕的安全系数均有提高，但提高幅度随开挖深

度的加大而有所减小，进一步说明使用该方法计算相对合理，超过7 m计算结果偏安全。另外，从表7可以看出，是否考虑止水帷幕，安全系数最大可提高20%以上，因此考虑止水帷幕的强度很有必要，而且在7 m以内安全系数按不超过20%的提高幅度考虑较为适宜。

表7 FLAC 3D强度折减法计算结果对比

3 结语

结合本文工程案例，通过FLAC 3D建模计算是否考虑止水帷幕两种情况下各工况的复合土钉墙整体稳定安全系数并对比分析，同时用极限平衡法的计算结果对比验证，得出以下结论，为今后该类型土钉墙设计提供一些参考，有利于指导基坑开挖的安全施工。

1)极限平衡法在求安全系数时因为预先假设滑裂面位置、形状，土体与支挡结构的共同作用、变形协调以及土体内部的应力应变关系没有考虑，故超过一定深度其计算结果偏大。

2)强度折减法计算该类型基坑相对合理，超过7 m计算结果偏安全。

3)是否考虑止水帷幕，安全系数最大可提高20%，因此考虑止水帷幕的强度很有必要。

4)强度折减法计算考虑止水帷幕比不考虑止水帷幕的安全系数均有提高，滑裂面有所后移且通过止水帷幕底部，在设计该类型基坑时，建议7 m以内安全系数按20%的提高幅度考虑。

[1] 尹 骥,杨林德,管 飞.强度折减法确定的复合土钉支护整体稳定系数[J].岩石力学与工程学报,2005(21):3882-3886.

[2] 赵尚毅,郑颖人,时为民,等.用有限元强度折减法求边坡稳定安全系数[J].岩土工程学报,2002,24(3):343-346.

[3] 迟世春,关立军.基于强度折减的拉格朗日差分方法分析土坡稳定性[J].岩土工程学报,2004,26(1):42-46.

[4] 李象范,徐水根.复合型土钉挡墙的研究[J].上海地质,1999(3):1-11.

[5] 彭文斌.FLAC 3D实用教程[M].北京:机械工业出版社,2007.

[6] 陈育民,徐鼎平.FLAC/FLAC3D基础与工程实例[M].北京:中国水利水电出版社,2009.

[7] JGJ 120—2012，建筑基坑支护技术规程[S].

Numerical simulation study of improving soil nailing wall stability coefficient with waterproof curtain

Xu Xuehe

(CollegeofCivilEngineering,HebeiUniversityofEngineering,Handan056038,China)

Taking the composite soil nailing wall support as an example, applying FLAC 3D software, combining with strength reduction method, the paper calculates the safety coefficient of the soil nailing wall with and without waterproof curtain, comparatively analyzes its results, and compares the result to the calculation result with limiting equilibrium method, and finally draws some meaningful conclusions.

soil nailing wall, waterproof curtain, strength reduction method, finite difference method

1009-6825(2016)32-0078-02

2016-09-04

徐学贺(1989- )，男，在读硕士，一级建造师

TU463

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