土钉支护的变形模拟

　　摘要：本文以湖南某综合楼基坑工程为例，利用岩土工程软件FLAC2D5.0模拟了基坑开挖、支护的全过程，分析讨论了土钉墙支护结构的支护机理、基坑土体的变形规律。通过模拟与监测结果比较分析，用来指导该基坑的施工取得了良好效果。
　　关键词：土钉支护；变形规律；数值模拟
　　随着城市建设日益发展，我国兴建了大量高层建筑和大型市政设施。随着高层建筑的不断增多、市政建设的大力发展和地下空间的开发利用，产生了大量的深基坑支护设计与施工问题，而深基坑开挖则是首当其冲的问题[1]。在我国大中城市，特别是沿海的经济发达地区，基坑工程中采用土钉支护结构或者是复合土钉支护结构的工程己超过90%。深基坑开挖不仅要保证基坑本身的安全与稳定，而且要有效控制基坑周围地层变形以保护周围环境。由于设计、施工不当导致基坑事故时有发生，通过深基坑施工全程的变形监测，采用FLAC2D5.0软件对基坑支护结构的变形进行模拟分析，将其结果与实际监测数据进行比较分析，用来指导基坑开挖的施工，是避免基坑事故发生的有效措施。
　　美国Itasca公司在应用混合单元离散模型准确地模拟材料的屈服、塑性流动、软化直至大变形的原理基础之上，开发的显式有限差分格式来求解场的控制微分方程，这就是快速拉格朗日（FLAC）程序。它在材料的弹塑性分析、大变形分析以及模拟施工过程等领域有其独到的优点。快速拉格朗日程序具有很强的前、后处理功能。它的应用范围很广，可适用于许多岩土工程问题。
　　1工程概况
　　武汉某公司拟在中北路西侧投资兴建一栋九层综合楼。拟建建筑物设两层地下室，占地面积约841.2平方米，采用钻孔灌注桩基础。拟建建筑物±0.000（24.65m），第二层地下室室内底标高为-7.00m（17.65m），桩顶标高为-8.60m（16.05m）。目前场地地面标高：拟建建筑物南、西、北面为24.10m（拟修建进出口道，比场地标高低了约50cm），东面为24.65m（与场地标高一样）。根据桩与承台定位平面图，基坑周边大部分被承台占据，所以，基坑设计时按承台底标高确定基坑开挖深度。因此，本工程基坑开挖深度南、西、北面为24.10-16.05=8.05m，东面开挖深度为24.65-16.05=8.6m.基坑开挖范围应方便承台施工及地下室施工。
　　场地位于繁华市区，东临中北路，与建筑物轴线距离为20m；南、北侧为车辆与人员进出道路，围墙外侧有1-2层建筑物分布；建筑物西面与现有2栋7层建筑物垂直相连接，现有建筑物室内标高为24.50m。如图1所示。基坑采用土钉墙支护结构，剖面示意图见图2。
　　
　　图1武汉某公司综合楼基坑平面示意图图2基坑边坡支护剖面示意图
　　2水文地质条件
　　拟建建筑物场地位于长江三级阶地，下部为第四纪更新世冲积积物分布稳定，而上部为全新世湖积、冲洪积物空间分布变化较大。
　　根据场地地层空间分布情况，将场地基坑周边分为AB,CD,..FG,GA共7段，见图1。各地层基坑设计参数如下：
　　表1土层分类及其物理力学参数指标
　　层序 土类名称 重度(kN/m3) C
　　(kPa) φ 承载力fk(kPa) 弹性模量Es（Mpa） 层厚
　　（m） 锚固体与土体极限摩阻力标准值（kPa）
　　①-1 杂 18.5 0 15   0.8-3.0m 15
　　①-2 素填土 17.9 10 5   0.5-1.0m 15
　　②-1 粉质粘土 19.3 28 12 170 8.0 4.4-11.8m 45
　　②-2 粉质粘土 19.0 15 10    45
　　②-3 粉质粘土 19.4 23 15 150 7.3  45
　　③ 砂质粉质粘土 19.2 25 13 210 9.0 6.9-8.1m 60
　　3基坑模型的建立
　　（1）计算区域的确定及网格单元划分
　　基坑的总面积为50*20=1000m2，基坑成长条状的矩形，当取基坑长50m的基坑坡面作为模拟的范围时，基坑的空间效应不大，相当于是一个类似长条的模型，且矩形基坑是完全对称的，在确定模拟计算区域时，以对称轴为分界，令基坑长轴方向的中线作为对称线，取其一侧的基坑区域为模拟计算区域。
　　（2）对确定好的基坑模拟区域进行定量：
　　水平方向的长度为30米，其中以基坑坡面为分界，基坑坡面以外20米，网格节点从1到31，在靠近基坑坡面的10米范围，网格划分加密一倍，也就是说从外往里，1-11节点的间距代表实际工程中的1米，11-31节点间距代表实际工程中的0.5米；基坑坡面内的10米（开挖之后出现临空面），网格节点从31-51，节点间距代表实际中的0.5米。
　　垂直方向的高度为20米，网格节点从基坑深处到基坑坡顶依次为1-41，相邻节点间距代表实际工程中的0.5米。计算区域为一个拥有50*40=2000个单元的网格。
　　4基坑开挖的模拟
　　4.1开挖步骤
　　表2基坑开挖步骤过程表
　　开挖步骤 开挖深度（m） 支护内容
　　第一步开挖 0——1.5 放置土钉、喷射混凝土面板
　　第二步开挖 1.5——3.0 同上
　　第三步开挖 3.0——4.5 同上
　　第四步开挖 4.5——6.0 同上
　　第五步开挖 6.0——7.5 同上
　　第六步开挖 7.5——8.6 喷射混凝土面板
　　4.2基坑开挖土体位移
　　（1）基坑坡面的水平位移变化模拟结果见图3。
　　
　　图3基坑坡面的水平位移图图4基坑底部土体变形隆起图
　　（2）基坑底部隆起变化模拟结果见图4。
　　基坑底部土体在开挖之后有明显的卸荷回弹现象，随着开挖深度的增加，基底土体变形隆起也在加剧，同时随着离开基坑边坡距离的增大，基底土体隆起值也在逐渐增大。在靠近坡脚的附近隆起值增加速率比较大，但是当距坡脚达到一定距离之后，卸荷回弹现象趋于稳定，隆起值几乎不再变化。
　　（3）基坑顶部地表沉降变化模拟结果见图5。
　　图5显示了基坑坡顶地表沉降现象，由图可知在距离坡顶约1.0m处沉降量达到最大值约为4.63cm，而在距基坑坡顶0～1.0m范围内，沉降量显著减小，由此可见土钉墙的支护效应对坡顶处附近的地表沉降量起到了明显的控制效果。同时由图可知在远离基坑坡面的地表沉降量逐渐减小，在距离基坑约7.0m处，沉降量开始接近为零。
　　
　　图5基坑坡顶附近地表沉降图
　　5模拟与监测的对比分析
　　施工过程中，对基坑坑壁水平位移及基坑坡顶地表的沉降进行了监测控制，同时掌握支护体系的变形情况。在土钉支护的基坑坑壁设置了S5-S8四个监测点进行基坑坑壁水平位移监控；在土钉支护的基坑坡顶地表设置了M1-M4四个监测点进行沉降量监控。
　　（1）基坑坑壁水平位移监测与数值模拟对比，如图6所示：
　　从图中可以看出位移都是自下而上逐渐增大，到坡顶附近达到最大值。水平位移的连线近似为一条向基坑内倾斜的直线。但是最大位移都不是出现在坡顶处，而是距离坡顶约1~2m左右。数值模拟水平位移最大值为75mm；S5、S6、S7、S8实测读数的最大水平位移分别为40.1mm、40.0mm、55.0mm、38.0mm。
　　开挖结束后，各监测点水平位移的最大值和模拟结果最大值比较见表3：从表中也可看出S7实测值与模拟值最接近，其余S5、S6、S8的实测值与模拟值相差大一些，而且最大位移出现的地方也相对靠近坡顶一些。
　　表3监测点最大水平位移和模拟结果最大值对比分析表
　　监测项目 监测点S5 监测点S6 监测点S7 监测点S8 模拟结果
　　最大位移（mm） 40.1 40 55 38 75
　　距坡顶距离（m） 1 1 2 1 2
　　（2）地表沉降监测与数值模拟对比，如图7所示：
　　从图中可以看出地表沉降量随着距坑壁的距离增大逐渐减小，当到达一定的距离之后，沉降量就接近为零，而在靠近基坑附近出现最大值。同样的，最大沉降量也不是出现在坑壁处，而是距离坑壁约1m左右。数值模拟得到的地表沉降量最大值为46mm；M1、M2、M3、M4实测读数的最大沉降量分别为35.0mm、36.0mm、32.0mm、40.0mm。开挖结束后，各监测点沉降量的最大值和模拟结果最大值比较见表4：
　　表4监测点最大沉降量和模拟结果最大值对比分析表
　　监测项目 监测点M1 监测点M2 监测点M3 监测点M4 模拟结果
　　最大值（mm） 35 36 32 40 46
　　距坑壁距离（m） 1 1 2 1 1
　　由以上监测结果可知，该基坑的土钉支护是成功的。
　　通过基坑坑壁水平位移及基坑坡顶地表的沉降模拟与监测的对比分析，可以看到，模拟得到的结果都比实际监测的数值要大一些。这是因为模拟过程中选取的参数与实际工程中的各项参数指标是存在差异的，同时软件模拟也有自身的局限性，出现可以接受的误差是允许的。因此在实际工程中还是应该以监测数据为主要依据。
　　
　　图6水平位移模拟值与监测对比图图7地表沉降模拟与监测对比图
　　6结论
　　（1）土钉墙支护形式下，基坑侧壁土体最大水平位移量约为7.548cm，发生在距离基坑坡顶约2.5m处，约基坑开挖深度的8.78‰，符合规范要求；沿基坑深度方向水平位移值变小，但在基坑坡脚处水平位移有增大趋势，说明在坡脚处存在剪应力集中现象。
　　（2）基坑侧壁土体的水平位移随着开挖深度的增加而增加，且位移的增加速率也是随开挖深度而递增的。
　　（3）基坑开挖后，基底有明显的卸荷回弹现象，随离开基坑侧壁的距离增大，地面回弹量也增大，当距基坑侧壁一定距离后，回弹趋于稳定。
　　（4）地表沉降量随着距坑壁的距离增大逐渐减小，当到达一定的距离之后，沉降量就接近为零，而在靠近基坑附近出现最大值。
　　（5）模拟的结果都比实际监测的数值要大一些。这是因为模拟过程中选取的参数与实际工程中的各项参数指标是存在差异的。
　　（6）数值模拟作为一种分析手段，只能对基坑的受力变形作预测和估计，软件模拟也有自身的局限性，因此在实际工程中还是应该以监测数据为主要依据。

《土钉支护的变形模拟》

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