兰州地区土钉墙支护受力研究

梁潇文，张福龙

(陕西铁路工程职业技术学院，陕西 渭南 714000)

兰州地区土钉墙支护受力研究

梁潇文，张福龙

(陕西铁路工程职业技术学院，陕西 渭南 714000)

虽然兰州地区在基坑开挖时多采用土钉墙支护，但由于地层的复杂性，使得土钉墙的受力变形分析变得较为复杂，尤其是土钉墙在开挖期间土压力及土钉的受力分析，在理论与实践应用中还存在一定差距。以兰州城市规划展览馆基坑工程为例，结合理正深基坑支护结构设计软件FSPW-7.0，分析基坑在开挖时土压力及土钉拉应力的变形规律，并与现场实际监测数据进行对比分析。研究表明：采用软件FSPW-7.0计算分析时，所得的计算结果与现场实测的土钉最大拉应力及土压力吻合度较高，其计算结果可作为设计土钉墙参数选取的依据，并用以施工指导。

基坑；土钉墙；土压力；拉应力

0 前 言

传统的支挡结构均基于被动制约机制，即以支挡结构自身的强度和刚度，承受其后面的侧向土压力，防止土体整体稳定性破坏。土钉墙支护原理与传统的支挡结构的支护原理不同，在基坑开挖时，通过打入土体内不同长度与密度的土钉与边坡土体共同作用，形成了类似于加筋土的复合结构土体[1]。通过土钉与土的共同作用，从而达到加固与稳定边坡的目的。从某种意义上来说，土钉加固边坡土体可以理解为土体的一种改良措施。因土体的抗拉、抗剪强度远低于土钉，当边坡土体中打入土钉时，在复合作用下，土体的抗剪强度、抗拉强度、整体稳定性均有显著的提高，并且由于土钉的作用，延缓了边坡土体的塑性变形发展阶段，把“脆性”破坏转变为“塑性”破坏，即使边坡土体丧失承载能力，也不会发生突发性的整体滑坡破坏[2]。

1 工程概况及支护方案

1.1 工程概况

兰州城市规划展览馆工程总建筑面积16 460 m2，地上4层，地下1层，建筑基础采用筏板基础，基础埋深-6.3 m，其中机械开挖深度为-5.6 m，剩余0.7 m采用人工开挖。工程勘察资料[3]显示，该场地地下水为阶地型潜水，主要含水层为卵石层，卵石层渗透系数为85 m/d。该场地紧临黄河，在枯水期地下水主要接受大气降水和地表水入渗等补给黄河，丰水期黄河补给地下水。地下水变化幅度约1.5～3.0 m。根据《建筑基坑支护技术规程》规定，该基坑安全等级为二级，支护结构重要性系数取1.0。

1.2 支护设计原则与土钉参数

根据现场实际情况，依据《建筑基坑支护技术规程》JGJ 120-2012，该基坑支护设计包括两部分：a用极限平衡法进行局部抗拉计算，得出土钉参数；b使用条分法分层进行稳定性分析计算，之后进一步调整土钉参数，再进行包括外部稳定性计算在内的稳定分析[4]。设计验算采用北京理正深基坑支护结构设计软件FSPW-7.0版本，并手工验算复核，最终确定支护设计计算结果。以计算结果为依据，结合兰州地区工程实践进行适当调整，形成本工程最终设计。

1.3 验算结果与参数整理

根据验算结果，现取具有代表性的2-2′剖面为例。表1～2分别为土层参数、土钉参数。最终抗拔承载力验算结果如表3所示。

2 土钉开挖受力分析

分析基坑在开挖时，土钉受力的变化情况，然后归纳土钉在基坑开挖时的受力特征，并总结变形特征，找出变化规律。在数据分析时，着重考虑主要的，最常见的影响因素，如土钉的长度、布置等，暂不考虑偶然的，人为的因素，以突出重点。

表1 土层参数

表2 土钉参数

表3 抗拔承载力验算结果

基坑在开挖时，随着土体中的应力释放，土体中应力来不及调整，并呈现逐渐变小的趋势，为了保证基坑土体的稳定，此时的土钉将受到一定的土压力。在进行土钉开挖受力分析时，以纵坐标为土钉开挖时受到的拉力F，横坐标为土钉的长度L，并对每排土钉实测的数据进行拟合，得出基坑在开挖时土钉沿长度方向的受力变化图。通过分析各排土钉在开挖时的图形及数据，可将受力分为3个阶段。

第1阶段：当土钉刚打入基坑边坡时，由于边坡土层已基本完成了大部分的位移，土钉打入土层的侧向位移发展不大，因此，作用在土钉上的土压力并不大，此时土钉沿全段长度的拉应力基本为零。

第2阶段：当土钉打入边坡土体时，与土体形成类似于加筋土的结构。根据加筋土的受力特性，当基坑在开挖下一层土体时，上一层土体会因下一层土体开挖产生的侧向位移而产生相应的侧向位移，上层土体相应的侧向位移约为下层土体侧向位移的20%左右，此时，处于上一层土体中的土钉就会产生拉应力[5]。

第3阶段：随着基坑开挖深度不断增加，土体水平及垂直位移量因开挖卸荷而逐渐增加，土钉受到的拉应力也呈现增大的趋势，并且拉应力最大值逐渐向后移动，拉应力峰值所处位置会因不同土层而不同，一般情况下，越靠近上层土体的土钉拉应力峰值越靠后，越接近下层土体的土钉拉应力峰值越靠前，将各排拉应力峰值所在的土钉横断面连起来，既是基坑开挖时边坡潜在的危险滑移面。

3 结 语

结合现场实测数据及理正深基坑设计软件的计算结果，可总结以下几点。

1) 当基坑在开挖下层土体时，必定会引起上层土钉的应力增加，并且上层土体会因下层土体的开挖而继续产生侧向位移，但是上层土体的侧向位移值并不等于下层土体开挖时的侧向位移值。

2) 随着基坑开挖深度的增加，土钉受到的拉应力也会逐渐增加，并且发生在开挖下一层土体的时候。随着开挖面层的远离，土钉拉应力的增加值呈现逐渐减小的趋势。

3) 土钉在基坑开挖过程中所受到的拉应力是一个不断调整与变化的值，随着基坑开挖深度的不同，其所受到的最大拉应力值大小、应变增加量都不同，并按一定的规律分布。

[1] 孙铁成, 张明聚, 杨茜. 深基坑复合土钉支护模型试验研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2004, 23(15): 2385-2392.

[2] 高盟, 高广运, 张远芳. 土钉支护结构优化设计的有限元分析[J]. 岩土力学, 2007, 28(11): 2463-2470.

[3] 魏焕卫, 宋丰波, 孙剑平. 基于明德林解的土钉内力计算方法[J]. 岩土力学, 2011, 32(1): 2464-2471.

[4] 刘国彬, 王卫东. 基坑工程手册[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 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

国家自然科学基金项目(50978128)

梁潇文(1986-)，女，甘肃定西人，助教，研究方向：地基基础，手机：15706092100，E-mail：510393233@qq.com.

TU971

B

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2017.03.055