市政道路基坑开挖与土钉墙支护技术数值分析

2016-11-29胡建中吕强

公路与汽运 2016年5期

关键词：土钉云图深基坑

胡建中，吕强

（湖南路桥建设集团有限责任公司，湖南长沙 410004）

市政道路基坑开挖与土钉墙支护技术数值分析

胡建中，吕强

（湖南路桥建设集团有限责任公司，湖南长沙 410004）

针对市政道路基坑开挖支护问题，运用FLAC2D对道路基坑未支护及土钉墙支护后结构状态进行数值分析，得出了基坑土体在未支护和土钉墙支护条件下的应力状态、位移等值线分布和位移矢量分布。结果表明，土钉墙支护能有效阻止基坑土体的坍塌，增强基坑土体稳定性。

公路；市政道路；基坑；土钉墙支护

城市道路深基坑是一项系统工程，包含多方面因素，还涉及道路行驶及周围构筑物的安全，深基坑支护成为道路施工过程中尤为关注的问题。土钉墙支护以其支护效果较好、施工便捷、可根据工程实际进行动态调整、经济性较好等特点而在基坑工程中得到广泛应用。

基坑工程的设计与施工均较复杂，目前基坑工程力学分析计算的常用方法是在一定条件下假设土压力已知（如朗金土压力），嵌固段地基反力计算采用弹性地基梁方法，支护结构内力和位移计算采用杆系有限元法。FLAC软件可模拟地质岩土体在外界荷载作用下的屈服、塑性流动、软化直至大变形等力学行为，同时可考虑支护结构与地质材料之间的相互作用，能更为合理地进行数值分析。该文结合工程实例，运用FLAC2D对城市道路深基坑开挖与土钉墙支护进行数值分析。

1 工程概况

1.1地质状况

某市政道路施工需开挖的基坑深度为8.6 m，基坑尺寸为（20×20）m。根据地质勘察报告，场区试验断面的地层自上而下描述如下：

（1）杂填土。厚0.6～1.9 m；呈黄褐色；局部散乱堆积、碾压差，总体结构松散、欠固结，软硬不均；成分杂乱，以黏土、粉质黏土为主，间夹角砾、碎石及建筑垃圾。

（2）粉质黏土。厚4.9～10.7 m；以灰褐、褐黄色为主；土体较光滑、细腻，干强度高，韧性高，软塑状为主。

（3）砂质粉质黏土。厚6.8～8.2 m；呈褐色；中湿，可塑状为主。

1.2支护结构

采用土钉+喷射砼复合土钉墙支护方法。沿开挖坑壁设置5层锚杆，间距为1.5 m，锚杆倾角为15°，长度为6.0 m，锚喷砼面板厚度为80mm。

2 基坑数值模拟

根据工程地质特征和施工进度，按施工阶段分别对基坑在支护与未支护条件下进行开挖的力学性能及稳定性进行数值模拟分析。

2.1计算模型和参数选择

根据FLAC数值模拟经验，建立模型时，模型边界范围应为模拟区域对象大小（长度和宽度）的2倍以上。该工程数值模拟区域的总宽度设为30 m，采用对称结构，界限为基坑开挖中心线至区域的后边界。基坑宽度为10 m，后缘土体宽度为20 m；模型高度为20 m，约为开挖深度的2倍。靠近基坑侧面及地面边缘附近的网格密度增加1倍（见图1）。

图1　基坑开挖网格划分

初始条件为模拟区域两侧全部约束，底部完全固定，顶部为自由边界。初始地应力场为自重应力场。模拟采用摩尔-库仑破坏准则，假设允许产生大变形。

喷射砼采用梁单元、锚杆及土钉采用锚索单元模拟。各结构体的物理力学参数见表1～3。

表1　岩土体的物理力学参数

表2　土钉的计算参数

表3　砼面层的参数

2.2数值模拟方案

基坑开挖及支护工序如下：开挖至地面以下1.5 m时，设置第一层土钉并挂网喷射砼面层；开挖至地面以下3.0 m时，设置第二层土钉并挂网喷射砼面层；开挖至地面以下4.5、6.0、7.5 m时，分别在相应层位设置土钉并挂网喷射砼面层，直至开挖至基底标高-8.6 m。

2.3未支护状况下数值模拟分析

未支护状况下深基坑数值模拟结果见图2～6。

图2　未支护基坑最大不平衡力曲线

由图2可知：在未支护条件下，基坑土体最大不平衡力一直处于变化状态且不收敛，说明土体已产生塑性形变直至模型破坏。

图3　未支护基坑破坏后的情形

图4　未支护基坑水平方向位移云图（单位：m）

图5　未支护基坑竖直方向位移云图（单位：m）

图6　未支护基坑塑性区云图

从图3可知：基坑壁发生侧陷坍塌，基地隆起，整体结构变形。基坑开挖时，坑内的土体被挖出，坑底原来承受的被挖出土体的重力获得释放，基底的土向上回弹，同时基坑坑壁内侧处于临空状态，坑壁墙体由于失去原有土体的支撑发生侧向移动。侧向移动压挤基坑墙壁前的土体，断面方向基坑两侧墙体同时挤压导致基底隆起。判断基坑是否稳定，基底隆起量是一个重要指标。由于FLAC模型相邻网格是连续的，滑塌发生时计算被中止。

由图4、图5可知：在未支护条件下进行基坑开挖时，沿基坑坑壁向后约3 m范围内后缘土体将沿一定坡面发生水平方向和竖直方向移动，且坑壁顶处土体位移量最大。

由图6可知：在未支护条件下进行基坑开挖时，坑壁后缘相当一部分土体处于剪切或张拉状态，且已形成的塑性区域和坑壁后缘土体形成滑坡体，滑动面曲线也初步形成，若不采取支护措施，基坑会发生坍塌。

2.4支护状况下数值模拟分析

土钉+喷射砼复合土钉墙支护状况下深基坑数值模拟结果见图7～11。

图7　支护后基坑位移矢量云图

图8　支护后基坑塑性区云图

图9　支护后基坑水平方向位移云图（单位：m）

图10　支护后基坑竖直方向位移云图（单位：m）

图11　支护后基坑主应力矢量云图

由图7可知：在土钉支护条件下开挖，坑壁顶面有小部分范围内的土体发生移动，与水平方向成一定夹角向基坑坑底坍落。

由图8可知：在土钉支护条件下开挖，坑壁土体只有少部分处于张拉或剪切状态，且分布区域较为离散，没有构成连续的塑性区，说明土钉墙有效阻止了土体继续变形。

由图9、图10可知：土钉墙支护后，只有基坑坑壁顶面后缘小部分范围内的土体会发生水平、竖直方向移动，且位移量相对未支护时小很多，部分土体水平位移量较小。

由图11可知：土钉墙脚附近出现了应力集中现象，如果不进行支护，基坑坑脚处将会发生破坏。

另外，从数值分析结果来看，基坑土体的变形量相对于实际情况大得多。土体这类介质属于连续性介质，运用FLAC进行网格划分时单元格划分相对较大，且单元格在受力运动变形时所受的不平衡力集中在网格节点处，而实际连续介质的变形具有连续性和协调性，对此FLAC数值模拟不能完全满足，在一定程度上忽略了土颗粒之间的剪切作用及相互变形约束的作用，故FLAC数值模拟分析所得基坑变形结果比实测值更大。