土釘

蘇永軍 孔淑芹 王慧 劉風(fēng)華

【摘要】文中以楊埕水庫供水泵站深基坑工程為例，結(jié)合 FLAC3D程序有限差分分析軟件，模擬楊埕水庫供水泵站的地質(zhì)、水文等條件建立了空間三維模型，對土釘—樁錨聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了三維動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬，并在此基礎(chǔ)上改變某些條件后重新進(jìn)行數(shù)值模擬，以便能夠得到類似區(qū)域的模擬數(shù)據(jù)，為今后類似工程進(jìn)行基坑支護(hù)提供理論依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】土釘與樁錨聯(lián)合支護(hù)體系；數(shù)值仿真；FLAC3D

近年來，深基坑已經(jīng)越來越普遍，工程項(xiàng)目所在地的地質(zhì)條件也變得越來越復(fù)雜，同時(shí)還受到許多外部條件（如市政設(shè)施、地上建筑物、土地的集約利用等）的制約，單純的放坡開挖已經(jīng)不能滿足工程施工的需要，需要尋求新的安全、經(jīng)濟(jì)的基坑支護(hù)體系。在此背景下，一種基坑上部土體使用土釘支護(hù)體系、下部采用灌注樁和錨索共同支護(hù)的組合形式（即土釘與樁錨聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)）現(xiàn)已開始運(yùn)用于地質(zhì)條件較差的大、中型水利工程深基坑支護(hù)中，本文結(jié)合楊埕水庫供水泵站深基坑項(xiàng)目，采用三維數(shù)值模擬分析的方法，對土釘和樁錨共同支護(hù)體系的作用原理進(jìn)行分析。

1、仿真模型計(jì)算參數(shù)

楊埕水庫供水泵站深基坑土體使用Mohr-Coulomb模型進(jìn)行建模，其模型運(yùn)行需要提供的參數(shù)有剪漲角d、積模量K、內(nèi)摩擦角、粘聚力c、剪切模量G，其中由基坑土體的楊氏模量E依據(jù)以下兩個(gè)公式轉(zhuǎn)化為剪切模量G及體積模量K，以此作為能夠被 FLAC3D軟件所識(shí)別的塑性指標(biāo)運(yùn)算參數(shù)，公式見1-1，1-2。

楊埕水庫供水泵站仿真模型將設(shè)計(jì)基坑土體從上至下分為七層，分別是壤土、粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粘土、砂壤土、壤土、砂壤土、壤土。在不同深度上每層土體的物理力學(xué)模擬參數(shù)詳見表1-1，采用 FLAC3D軟件中的錨索結(jié)構(gòu)單元（CableSEL）和樁結(jié)構(gòu)單元（PileSEL）進(jìn)行數(shù)值模擬，其計(jì)算參數(shù)詳見表1-2，1-3。2、模型建立

本文采用局部土地進(jìn)行建模，其尺寸為：橫向60m，縱向2m，豎直向26m。該模型左右制約方向?yàn)樗椒较?，上半部分是自由約束，底部為垂直約束。依據(jù)基坑土體應(yīng)力、應(yīng)變的相互關(guān)聯(lián)性，優(yōu)選適合本基坑土體的模型以及屈服準(zhǔn)則，本文選用摩爾一庫倫彈塑性單元進(jìn)行不同情況的計(jì)算。

3、計(jì)算步驟

根據(jù)該供水泵站的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，F(xiàn)LAC3D軟件的數(shù)值模擬遵照土體開挖先后順序進(jìn)行計(jì)算邊坡的水平位移、豎直位移、塑性變化，詳見表1-4。

4、數(shù)值模擬

①土釘及錨索在不同長度時(shí)的水平位移量

當(dāng)土釘設(shè)計(jì)長度為6米，錨索設(shè)計(jì)長度為25米時(shí)，最大水平位移量為38.755mm，當(dāng)土釘及錨索長度變?yōu)樵O(shè)計(jì)長度的0.8倍時(shí)，最大水平位移量為43.331mm，當(dāng)土釘及錨索長度變?yōu)樵O(shè)計(jì)長度的1.2倍時(shí)，最大水平位移量為38.324mm。上述模擬成果顯示，當(dāng)土釘及錨索的長度變小時(shí)，最大水平位移量增大的比較明顯，然而當(dāng)土釘及錨索的長度變大時(shí)，最大水平位移量減小幅度較小，故該土釘及錨索的設(shè)計(jì)長度是比較合理的。

②土釘及錨索在不同長度時(shí)的垂直位移量

當(dāng)土釘與錨索的長度為設(shè)計(jì)長度時(shí)，基坑開挖完成后垂直方向的位移的最大值為16.567mm，當(dāng)土釘與錨索的長度為設(shè)計(jì)長度的0.8倍時(shí)，基坑開挖完成后垂直方向的位移的最大值為16.538mm，當(dāng)土釘與錨索的長度為設(shè)計(jì)長度的1.2倍時(shí)，基坑開挖完成后垂直方向的位移的最大值為16.562mm，以上結(jié)果表明土釘與錨索長度的變化對基坑開挖完成后基坑底部垂直位移量的影響不明顯，并且對將來建筑物的沉降量的影響也同樣不明顯。

③基坑土體塑性區(qū)變化特征

通過對土釘與錨索的長度分別為設(shè)計(jì)長度、0.8倍設(shè)計(jì)長度、1.2倍設(shè)計(jì)長度分別進(jìn)行數(shù)值模擬，得出的結(jié)論為當(dāng)土釘及錨索長度變化時(shí)，塑性區(qū)域幾乎沒有影響。

綜上所述，當(dāng)土釘及錨索的長度發(fā)生變化時(shí)，受到影響最大是基坑邊坡水平方向的位移量，而水平方向的位移量正是決定基坑邊坡支護(hù)體系是否安全的最重要指標(biāo)，故在基坑設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)做到在基坑邊坡水平方向位移符合要求的情況下，盡可能降低施工的成本。

5、結(jié)論與展望

本文對樁錨與土釘聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的研究主要是利用FLAC3D軟件在不同情況下進(jìn)行數(shù)值模擬，通過對在不同土釘及錨索長度的情況下進(jìn)行模擬，分別分析了基坑邊坡支護(hù)體系的水平位移、豎直位移、塑性區(qū)的變化情況，最后依據(jù)分析數(shù)據(jù)指出土釘及錨索長度的變化造成以上3項(xiàng)指標(biāo)變化的主要影響因素及變化規(guī)律，為今后對基坑邊坡的支護(hù)采用土釘與樁錨聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)提供了依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]何健. 基于FLAC3D的樁錨與土釘聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的數(shù)值計(jì)算. 華南理工大學(xué)碩士論文.2010.10.

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作者簡介：蘇永軍，山東壽光人，1981.06出生 河北水利電力學(xué)院講師，長期從事水利工程研究。