基于强度折减法的基坑土钉支护稳定性分析

曾酉源 唐延贵

基于强度折减法的基坑土钉支护稳定性分析

曾酉源 唐延贵

（成都四海岩土工程有限公司 成都 610041）

运用FLAC3D建立基坑土钉支护数值计算模型，以理想边坡为例，对比不同极限平衡法与强度折减法所得安全系数，验证强度折减法在稳定性计算的可行性。将强度折减法应用到实际工程，对成都某土钉支护基坑，分析均质土层和非均质土层情况下边坡稳定系数，并与理正计算结果对比，计算结果吻合较好，可为土钉支护设计提供参考。

土钉支护；强度折减法；FLAC3D；稳定系数；基坑

1 引言

土钉作为一种主动受力的支护结构，被广泛用于基坑支护中。通过在基坑边坡中插入土钉以约束连接土体，提高土体本身的强度和自稳能力。相比其他支护结构，土钉支护具有施工速度快、材料用量少、对场地适应性强以及安全经济等优点。土钉主要依赖土体变形后接触界面的粘结力或摩擦力发挥作用，使加固土体保持稳定，其支护效果在很大程度上取决于土体本身抵抗破坏的能力，因此土钉支护的稳定性分析就显得十分重要。

对土钉支护稳定性分析主要分为三类：1)极限平衡分析方法，即先假定破坏面的形状，通过试算确定每个可能破坏面所对应的稳定安全系数，找出临界破坏面位置并给出对应的安全系数。2)工程简化分析方法，即直接给定临界破坏面的位置、不同部位土钉的最大拉力，以此确定土钉直径以及伸入稳定土体的长度。3)数值计算方法，即考虑土体的应力应变关系，模拟开挖过程以及考虑土和结构的变形协调，同时可以考虑土体的非均匀性和各向异性等。

本文首先通过理想边坡安全系数计算，验证FLAC3D强度折减法的可行性，并利用该方法计算均质土层与非均质土层情况下，基坑土钉支护的安全系数，并与理正设计软件进行对比。

2 现行规程中土钉支护稳定计算方法

根据《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120-2012)的要求，在进行土钉墙设计时，应对其整体稳定性进行验算。基坑整体稳定性包括内部整体稳定和外部整体稳定。通常的整体稳定性是指基坑内部稳定性而言，土钉支护的内部整体稳定性分析是指边坡土体中可能出现的破坏面发生的在支护内部并穿过全部或部分土钉。对于普通土钉墙，规程规定锚拉式支挡结构的整体稳定性可采用圆弧滑动条分法进行验算。当挡土构件底端以下存在软弱下卧土层时，整体稳定性验算滑动面中尚应包括由圆弧与软弱土层层面组成的复合滑动面[1]。

3强度折减法

强度折减法首先给定强度折减系数Fs，通过弹塑性计算确定基坑边坡应力应变场，并对应力应变或位移的某些分布特征进行分析。同时，通过不断增大折减系数，应用公式(1)调整土体的强度指标，并根据相应的破坏失稳判据判断边坡失稳破坏，破坏时的折减系数即为稳定安全系数。

目前强度折减法尚无统一的破坏失稳判据，即安全系数求解过程的终止条件。本文 FLAC3D 求解安全系数时，单次安全系数的计算主要采用数值计算的收敛性作为失稳判据[2]。

4理想边坡验证

为验证基于FLAC3D的强度折减法的可行性，选取理想边坡进行分析。理想边坡坡脚45°，土体计算参数为：重度γ= 17.5kN/m3，黏聚力c=10kPa，内摩擦角φ=10°，弹性模量 E=18MPa，泊松比μ=0. 25，本构模型采用Mohr-Coulomb模型。且在折减过程中不考虑弹性模量与泊松比的修正，土体抗拉强度忽略不计。根据张鲁渝、郑颖人等[3]的建议，边坡左边界至坡脚的距离等于1.5H，其中坡高H为6.5m，坡顶至右边界的距离等于2.5H，坡顶部到底部边界等于2H进行数值计算建模。

通过计算得到瑞典条分法、毕肖普法和强度折减法的安全系数分别为0.854、0871和0.881。瑞典条分法计算得到安全系数相对较小，强度折减法得到的安全系数与毕肖普法相近。

5实例分析

选取成都某基坑，坡高H为6.5m，坡脚为45°。勘察报告土体力学参数没有提供变形模量、泊松比值。变形模量可由压缩模量换算得到，如下式：

式中，E0为变形模量(MPa)；Es为压缩模量(MPa)；μ为泊松比。

土钉采用HRB400级钢筋，锚杆钻孔注浆材料为水泥浆，强度不低于M30。土钉长度依次为6m、5m、4m、3m，竖向间距为1.5m，除第四排土钉与水平方向角度为30°外，其余土钉与水平方向角度均为20°。

对于均质土层情况，土层为素填土。由计算得到均质土层情况下土钉支护基坑安全系数为1.001。增设土钉后，基坑边坡安全系数从0.881提高到1.001。相同模型通过理正深基坑计算得到安全系数为0.979，相较于FLAC3D计算得到的安全系数，理正得到的安全系数相对较小。

对于非均质土层情况，土层从上到下依次为杂填土(层厚1.25m)、素填土(层厚3.5m)以及粉质粘土，土钉设置与均质土层情况相同。根据理正深基坑设置5个工况，运用强度折减法计算得到非均质土层情况下不同工况的安全系数分别为2.495、1.756、1.721、1.633和1.633，理正计算结果分别为2.191、1.608、1.318、1.511和1.619。

通过不同工况下的安全系数的对比可知，与FLAC3D计算得到的安全系数相比，理正得到的不同工况下安全系数相对较小，计算结果相对较保守。

6结论

本文通过理想边坡验证，对比强度折减法与极限平衡法得到的安全系数，得出强度折减法计算基坑土钉支护安全系数是可行的。对于理想边坡，采用强度折减法给出的安全系数与极限平衡法得到的安全系数相近。对于增设土钉的基坑边坡，采用FLAC3D计算得到的安全系数较极限平衡方法得到的安全系数大。对于非均质土层，不同工况下理正深基坑得到的安全系数均较为保守。

[1]中华人民共和国住房和城乡建设部. JGJ120-2012建筑基坑支护技术规程[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2012.

[2]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.

[3]张鲁渝，郑颖人，赵尚毅，等. 有限元强度折减系数法计算土坡稳定安全系数的精度研究[J]. 水利学报, 2003(1):21-27.

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