土釘支護深基坑的三維數值模擬分析

孟曉東

摘要：利用大型有限元軟件對浙江大廈（新源·燕府）深基坑的土釘支護過程進行了數值模擬，分析研究了基坑坡面水平位移分布特征和土釘內力的動態變化過程，同時對基坑坡面水平位移模擬值與實測值作了比較，得出了一些有益的結論，可以為類似工程的設計與施工提供參考。

關鍵詞：土釘墻；深基坑；數值模擬；數值對比

中圖分類號：C35文獻標識碼： A

1 前言

土釘支護是一種原位加筋技術，是在土中敷設拉筋而使整體土工系統的力學性能得以改善的加固方法[1]，具有施工方便、造價低、工期短等優點，在基坑支護工程中得到了大量的實際應用，但基坑塌方的事故也時有發生，造成事故發生的原因是多方面的；本文利用大型有限元軟件對某實際工程的土釘支護深基坑施工過程進行了模擬，分析研究了基坑深度范圍內土體水平位移特征曲線和土釘內力的變化規律，同時對基坑坡面水平位移模擬值與實測值作了比較，可為土釘支護的設計與施工提供一定的參考價值。

2 工程概況

擬建浙江大廈（新源·燕府）地上31層，地下3層，鋼筋混凝土框架剪力墻結構，基坑長約180m，寬約160m，挖深分別為8.6m、9.5m，周邊環境相對簡單；擬建場地地貌單元屬太行山山前沖洪積平原，除表層填土外，均為第四系沖洪積成因的黏性土、砂類土、碎石土，基坑開挖涉及到的土層物理力學參數如表1所示；本文選取挖深最大的剖面進行分析，土釘支護剖面參數如圖1所示，基坑分七步開挖，各工況開挖深度分別為地下1.7m、3.0m、4.3m、5.6m、6.8m、8.0m、9.5m。

表1土層物理力學參數

土層名稱 層厚

m γ

（kN/m3） c

（kPa） φ

（°） Es1-2

（MPa）

素填土 0.3~3.9 18.5 10.0 15.0 6.2

新近沉積黃土狀粉質黏土 0.4~2.5 18.9 15.3 12.7 7.0

黃土狀粉質黏土 1.1~5.6 19.3 21.3 19.9 8.7

粉細砂 0.2~4.4 18.5 0 28 20.0

粉質黏土 1.2~6.7 19.6 19.7 20.1 21.1

3 數值模擬分析

考慮基坑結構的對稱性，模型取局部進行計算分析[2]，模型尺寸如圖2所示，深度方向取為20m，寬度為15m，長度取為50m，土體單元采用C3D8R三維八節點縮減積分單元，選用摩爾庫倫本構模型；土釘單元采用B31梁單元；邊界條件為上表面自由，下表面完全約束，垂直于x軸的平面約束x方向位移，垂直于z軸的平面約束z方向的位移。

3.1 水平位移變化特征分析

沿基坑坡面a~b線（如圖3）自上而下每隔1m取一個特征點進行水平位移分析，共選取10個特征點，最后一個特征點在坡底位置，距離上一個特征點0.5m。各特征點的水平位移隨工況變化情況如圖4所示；從水平位移最終分布云圖可以看出，整個基坑開挖支護完成后，坡面中下部的水平位移較大，其中坡面最大水平位移發生在距坑底約1.5m位置處，位移值為18.2mm，而坡頂水平位移量最小，為8.1mm，水平位移分布形式與粘土中土釘墻的變形趨勢[3]較為吻合。

各特征點的水平位移隨工況變化情況如圖4所示，根據特征點水平位移變化曲線可以看出，坡頂水平位移主要集中發生在前四個工況中，也就是基坑開挖深度達到5.6m時，坡頂水平位移為6.3mm，約占坡頂總位移量的80%。

3.2沿基坑坡面水平位移實測值與模擬值對比

選取開挖至9.5m時，沿基坑坡面a~b線（如圖3）自上而下每隔1m取一個特征點進行水平位移實測值與模擬值對比，共選取10個特征點，最后一個特征點在坡底位置，距離上一個特征點0.5m。各點水平位移實測值與模擬值隨深度變化曲線如圖5所示

圖5 水平位移實測值與模擬值隨深度變化曲線

由圖 5水平位移實測值與模擬值各特征點變化曲線可以看出，利用大型有限元軟件對深基坑的支護過程進行的坡面水平位移的數值模擬與現場實際水平位移基本吻合。

3.3 土釘內力分布特征分析

根據圖6土釘拉應力最終分布情況可以看出，整體開挖支護完成后，上部兩道土釘承受拉力相對較小，拉應力沿土釘長度方向分布較均勻，下部四道土釘承受拉力較大，每道土釘拉應力最大值都靠近于坡面，其中以第五道土釘承受拉力最大，拉應力值為313.4 MPa，此處距離坑底垂直距離為3.0 m。

選取具有代表性的上部第一道土釘和中下部第五道土釘作為研究對象，圖7給出了隨著開挖工況的進行，兩道土釘拉應力的變化曲線；

根據第一道土釘拉應力變化情況可以看出，前三個工況中（基坑挖深達到4.3m），土釘拉應力整體增速最快，拉應力最大值發生在距坡面1.76 m的位置，此處應力值在挖深到3.0 m時達到最大，值為75.9 MPa，此后該點拉應力逐漸減小，但減小幅度不大，最后穩定在66.3 MPa；而距離坡面較遠位置（4.4 m以外），土釘拉應力一直呈增長趨勢；從整個開挖過程來看，第一排土釘拉應力最大值逐漸從土層淺部移動到土層深部，也就是說土釘墻潛在破裂滑動面逐漸向土層深部移動[4]。

根據基坑中下部第五道土釘的拉應力變化情況可以看出，該道土釘所承受的拉應力遠大于第一道土釘，最大值達到約300 MPa，拉應力隨著挖深增加而逐漸增大，分布特點為淺部（離坡面近的位置）大，深部小。

4 結論

通過土釘支護深基坑的數值模擬分析，可以得出如下結論：

（1）坡頂水平位移在基坑上半部分土體開挖時增大速率最為顯著，此階段應加強觀測坡頂水平位移，嚴格按照設計工況開挖，嚴禁超挖，待孔中泥漿達到設計強度要求后，再進行基坑下半部分土體的開挖；

（2）數值模擬基坑坡面水平位移變化曲線與現場實測基坑坡面水平位移變化曲線基本吻合，說明基坑支護數值模擬準確可靠。

（3）中下部土釘所承受的拉應力遠大于上部土釘，可適當加強中下部土釘的截面面積，保證材料強度有足夠的安全儲備；

（4）數值模擬顯示坡頂水平位移量滿足規范要求，土釘材料發揮強度小于鋼筋屈服強度，具有一定的安全儲備，說明該基坑土釘支護設計方案合理有效。

參考文獻

[1] 林宗元.巖土工程治理手冊[M].沈陽:遼寧科學技術出版社,1993:664-672.

[2] 武亞軍,欒茂田,楊敏.深基坑土釘支護的彈塑性數值模擬[J].巖石力學與工程學報,2005,24(9):1549-1553.

[3] 楊育文.黏土中土釘墻實例分析和變形評估[J].巖土工程學報,2009,31(9):1427-1433.

[4] 鄭堅,龔曉南.土釘支護工作性能的現場監測分析[J].建筑技術,2004,35 (5):337-339.