复合土钉墙结构在放坡基坑中的应用

李飞 范孟华

摘要：复合土钉墙是一种介于桩锚和土钉支护方式之间的半刚性支护。通过复合土钉墙在放坡基坑中对于退台间距和锚杆结构的受力性能的分析，发现设置退台间距有效的改变基坑的土压力分布和稳定基坑边坡效果。

关键词：退台间距；二级放坡；有限元

一、复合土钉墙支护构件受力性能分析

复合土钉墙组合各个构件，形成了常见的四种不同的支护结构，每一种支护构件拥有不同的受力特性，在组成的不同类型的复合土钉墙中发挥着合作协同的作用。

（一）土钉

土钉是复合土钉墙的基本受力构件，土钉在基坑中得布置形式有矩形、梅花式，基本的土钉结构靠密集的布置形式，成为土体的骨架，让土钉和周围的土体形成一种密集效应，来稳定土体形成了一种复合形式的重力挡墙结构。

（二）预应力锚杆

预应力锚杆是在土钉的基础上，对部分深入土体的结构浇筑混凝土从而与混凝土、土体以及稳定的岩土体锚固在一起，另外对部分施加先张的预应力，将锚杆的锚头固定在有一定的强度的网喷混凝土面层，提高了对土体的抗拉[1]。抗剪能力。锚固端离开了潜在的滑裂面土体，提高了土体的抗滑移能力，减小了塑性区，破坏区。

（三）微型桩

预先植入土体中的微型桩有超前加固土体作用。在微型桩施工对桩孔和桩周多次注入水泥浆，提高了桩和桩周土体的强度，使得桩与周围土体形成了巨大的强度差，他们之间的差异限制了一定范围内的土体变形，也改善了开挖后土体应力释放影响的土体受力和变形。

二、工程案例

以郑汴物流大道北侧的龙王庙村安置房一永盛家园，拟建设场地原为龙王庙村，场地标高变化为82.0m-83.5m，场地高程起伏较小。场地所在区域主要为四系全系统河流堆积物，工程地质条件较好。地下水位较低，可以忽略不计。

本文的工程案例所采用的是微型桩一复合土钉墙支护结构的二级放坡基坑，深度是十米，开挖工况分为七步，分别对基坑的上下两部分采用土钉墙支护结构和复合土钉墙结构。

三、有限元数值模拟模型

采用了岩土结构常用的仿真模拟有限元软件ABAQUS，对基坑进行模拟，模拟的尺寸要求达到以不影响计算为准[2]，开挖深度为10米，放坡间距是5米。基坑坑外取开挖深度的2.5倍，竖向取开挖深度的3倍，考虑到开挖的三维效应，深度为6米，综合基坑的尺寸为40×6×30m。

对基坑开挖面层具有一定的强度，面层应该与土体紧密的相连接，在有限元ABAQUS中面层要与土体存在着切向和法向应力[3]，在切向采用罚（Penalty）公式来确认由于网格划分单元尺寸在土体和面层的小滑移；在法向采用硬（hard）接触本构模型。在有限元模拟中，将面层按照不同的层高设置分割成为不同的区域，每开挖完成一层土体，将激活该层的面层达到模拟实际中的达到一定强度的网喷混凝土。

四、数值模拟分析

把工程实际监测数据和数值模拟所得到的数据对比分析，发现所表现的趋势是一致的，可见所选择做得有限元分析模型对实际工程具有一定的指导意义。

（一）各构件受力分析

土钉打入基坑中，依靠群集效应，成为土体的骨架控制着基坑的变形。土钉是被动受力构件，随着基坑的开挖深度的增加，基坑的土体应力释放，靠近边坡的土体开始移动，各不同深度的土钉构件开始受拉产生变形，其中靠近基坑中部的土钉受最大轴较其他位置大。

锚杆受力分布在自由端是最大轴力，其中在自由端是不与土体接触的，所以自由端受力是一样大小的，锚杆的锚固端浇筑在稳定的岩土体中，自由端固定在面层上，施加一定值得预应力，对土体是一种主动约束，整体受力在锚固端是逐渐减小的。

（二）对比分析二级放坡和放坡基坑

在相同的地质条件下，应用复合土钉墙支护结构在二级放坡基坑和放坡基坑中进行数值模拟对比分析，对基坑的深度水平位移，不同支护构件的最终轴力进行对比分析，基坑顶部的最终沉降对比发现：

随着基坑开挖深度的增加，二级放坡得基坑支护构件的最大轴力35.61kN，较放坡基坑最大轴力69.76kN减小了48.9%，深层土体位移29.51mm较放坡基坑小了15.62mm。其中二级放坡基坑深层水平位移处由于微型桩的预加固作用和二级放坡基坑的退台作用，使得基坑的水平位移在基坑的中部有一些减小，对基坑位移的减小有很大的作用。

在二级放坡基坑中微型桩的预加固作用，减小基坑边坡的水平位移，另外由于退台宽度设置，基坑内侧的主动土压力相对于放坡基坑是一定的，外侧的由于一定宽度的退台作用，增加了一定的被动土压力，在微型桩的预加固作用下，在剪切阻力的作用下阻挡了一部分土体的位移，分担了基坑下部支护结构的受力，另外在基坑下部，退台宽度引起了应力的重分布，对支护结构轴力影响较大。

预应力锚杆在设置的开始就开始挤压土体，有预应力的存在使得复合土钉墙变成了一种介于刚性与柔性支护之间的一种支护结构，预应力锚杆挤压土体相远离向基坑方向运动，使得周边的土钉构件由于土体向基坑内移动而被动受力的土体位移得到减小，从而达到减小一定范围内的土钉轴力作用。

五、总结与结论

本文以工程案例为依据，采用有限元软件ABAQUS进行数值模拟，得出在有限的用地红线范围内，二级放坡之间的设置一定宽度的退台，能够减小了支护构件上的最大轴力，对上部结构受力不产生明显的作用，退台的存在在减小基坑水平位以上效果明显；另外预应力锚杆对一定范围内的构件轴力作用。

参考文献：

[1]彭文祥，谢雨军，徐松山，等.预应力锚杆复合土钉墙工作性状试验研究[J].中南大学学报（自然科学版），2015（4）：1468-1474.

[2]Yue.Z.Q.Automatic drilling processmonitoring for soil androck strengths andtheir spatial distribution in ground[A].Proceedings of the 2nd World Forum of ChineseScholars inGeotechnical Engineering[C]Nanjing.2005.85-90.（in chinese）

[3]錢天平.坑中坑对基坑性状影响分析[D].浙江大学，2012.