1、1复合土钉支护的三维数值模拟分析摘要：复合土钉支护是近年来发展起来的一种新型的基坑支护技术，它是将土钉与深层搅拌桩、旋喷桩、各种微型桩、钢管土钉及预应力锚杆等结合起来，根据具体工程条件多种组合，形成一种复合支护技术。它继承了土钉支护的优点，弥补了土钉支护对地层依赖性强的缺陷，有着广泛的应用前景。但是相关理论研究远远落后于工程实践，因此，对基坑采用复合土钉支护技术后的位移及变形等参数分析研究有着重要的工程实际意义，本文利用三维有限差分软件 FLAC3D 对某软土基坑应用复合土钉支护后进行三维数值模拟分析，模拟了分步开挖对基坑的影响，以及位移变形的三维数值计算。 关键词：复合土钉；搅拌桩-土钉复合
2、结构；FLAC3D 数值模拟 中图分类号：TU476 文献标识码：A 文章编号：1009-0118（2013）02-0264-02 一、引言 复合土钉支护是以土钉支护为主，加混凝土喷射面层，再辅助以其他的补强措施以保持和提高土坡稳定性的复合支护形式。常见的复合土钉支护形式有：水泥搅拌桩与土钉联合支护的复合结构形式；微型桩与土钉相结合的复合结构形式。当对基坑坑壁和顶面的水平位移和沉降有严格的要求时，可在上述复合土钉支护结构中加入预应力锚杆配合土钉形成加预应力锚杆的复合结构形式，预应力锚杆一般设置在基坑顶部的2前两排，对主动区土体施加初始预应力，不同地质条件下均可使用，也可满足不同工程的特殊需要1
3、。 普通土钉支护结构作用的基本机理是通过制约土体和面层产生的侧向结构变形，土钉只有在周围土体发生变形的条件下，才会由于土钉与周围土体的变形不协调而受力，属于被动受力机制。这种变形的不协调，在土钉与土体接触面产生的作用于土体的剪力方向与土体位移方向相反，土钉对周围土体的加固正是通过这种剪力来实现的。而复合土钉支护结构是通过其他辅助结构使土钉与土体牢固结合而共同工作，以控制土体由自重所产生的变形，增强土体的稳定性，它属于主动制约机制的支挡体系。复合土钉支护体系在承受荷载的过程中不会发生如素土边坡那样的坍塌，它不仅延迟了塑性变形发展阶段，而且具有明显的渐进性变形和破坏。 本文利用三维有限差分软件 F
4、LAC3D 对某软土基坑应用复合土钉支护后进行三维数值模拟分析，模拟了分步开挖对基坑的影响，以及位移变形的三维数值计算。 二、工程实例概述 某工程坐落于我国南方某沿海城市 CBD 商务区，该项目由 20 层主楼和 5 层裙楼组成，地下室一层，建筑基坑面积约为 14000m2，基坑开挖深度约为 5m 左右，桩基采用预应力薄壁管桩的形式，基坑平面尺寸约为120120 米，基坑周长约 450 米，由于主体采用管桩基础，因此，该项目对基坑支护的变形要求很高2-4。 根据勘察报告，拟建场地地层分布规律描述如下：（1）杂填土：厚3度 0.5-3.7m，杂色、松散，由碎砖、碎石及混凝土块混粉质粘土填积，c=
5、5kpa，=15；（2）淤泥质填土：厚度 0.5-3.4m，灰黑色，流塑，主要分布于暗塘底部，c=5kpa，=10；（3）素填土：厚度 0.7-2.7m，褐黄-灰色，可塑-软塑，主要由粉质粘土夹碎砖填积，c=15kpa，=15；地基承载力为 80kpa；（4）淤泥质粉质粘土：厚度 4.3-21.1m，灰色、流塑，局部夹薄层粉砂，c=9.1kpa，=16.8；地基承载力为 60kpa；室内渗透试验平均渗透系数为：kv=2.9410-6cm/s，kh=14.610-6cm/s；（5）粉土-淤泥质粉质粘土：厚度 1.2-14m，灰色，粉土呈稍密状态，淤泥质粉质粘土为流塑状态，淤泥质粉质粘土与粉土粉砂
6、交互层，c=9kpa，=23，地基承载力 80kpa。稳定地下水位为地面下 0.4m，补给来源主要为大气降水。根据场地地质条件，基坑开挖范围分布的主要为软土土层，强度低，稳定性差，根据地区经验，采用内撑式支护形式或水泥土重力墙存在造价偏高、支护变形量过大、工期长等缺点，因此整个基坑外围采用双排双头深层搅拌桩形成一个全封闭止水帷幕，坑壁采用复合式土钉支护比较适合此工程。 （一）建立计算模型 根据工程实际情况，基坑开挖 5m，采用搅拌桩加土钉的复合结构支护，需要 1 排搅拌桩加 4 排土钉的支护结构，搅拌桩直径为 700mm，间距1000mm，嵌入基坑底部 4.5m，4 排土钉水平间距为 1m，垂
7、直间距为 1m，长度分别为 9m、12m、9m、9m。倾角均为 20。基坑 FLAC3D 计算的模型尺寸的确定以不影响计算结果为基准，其范围内有 5 层土体，取H=5m、We=20m、Be=20m、Db=15m。纵向取宽度为 4m 的土体为研究对象。 4（二）计算模型的基本假定 1、利用对称性进行分析，取基坑模拟计算的范围为：横向长度为40m，深度为 20m，取纵向 4m 即 3 排土钉为研究对象；水泥土搅拌桩设置在横向 20m 的地方，桩长为 9.5m。土体分四层开挖，支护亦分四层；2、不考虑维护结构开挖和降水对土体性质的影响，基坑开挖期间土体按不排水条件考虑，基坑采用“明沟加集水井”疏干坑
8、内水，坑顶做好截水沟排水系统。因此良好的地下水降水措施使得在进行基坑稳定变形分析时可不考虑水的作用；3、模型中所使用的所有材料中水泥搅拌桩、土钉均为材质均匀的线弹性体，周围土体为理想弹塑性体，服从摩尔一库仑屈服准则。土钉与土体的作用力由土体位移产生，若土体没有位移，土钉不受力，不考虑土钉的抗弯作用，开挖过程中认为开挖面下层的土壤在卸载之后开挖面上的应力得到完全的释放。 三、基坑开挖的 FLAC3D 数值模拟计算及结果分析 根据工程实际情况，基坑开挖深度为 5m，共分 4 次开挖，开挖深度分别是 1.5m、1m、1m、1.5m。搅拌桩施工之后，每次开挖后均打入相应深度的土钉。根据基坑开挖的 Fl
9、AC3D 数值模拟，得出各开挖工况水平位移和竖直位移。 （一）水平位移分析 水平位移是反映基坑安全状态的重要指标，根据基坑开挖各步水平位移数据分析，可得如下结论： 1、各工况下基坑坑壁的变形趋势是一样的，基本呈现出向基坑开挖一侧的“鼓出”的现象，这一计算结果与基坑开挖后变形特性是符合的；2、基坑坑壁同一位置土体的水平位移随着基坑的开挖深度的增加而呈现5增加的趋势，基坑开挖结束后，坑壁土体最大水平位移出现在 3.5m-5m之间，位移为 30mm 左右。分析其主要原因是 3.5m 左右正好是第三层淤泥质粉质粘土即软土层的分布位置，土体性质较差。而根据工程监测的1#和 12#测斜孔最大位移分别发生在
10、 3.6m 和 4m，位移达 31mm。说明位移计算值与实测值基本一致；3、此外，由模拟计算水平位移数值还可以看出，基坑开挖最大水平位移发生在搅拌桩底部，位移约为 32mm。由于搅拌桩的刚度远大于软土，搅拌桩的支挡作用使得侧面的土体位移得到了有效的控制，再加上土钉以及面层的综合作用，使得上部土体的水平位移得到了很好的控制，因此最大位移发生在搅拌桩底部的软土层中。符合工程实际情况。 如图 1 为开挖各工况的坑壁深层土体水平位移的曲线图： （二）竖直位移分析 根据基坑开挖各步竖直位移数据分析，可得如下结论： 1、坑底土体的隆起和坑后土体的下降位移随着基坑的开挖，呈逐渐增大的趋势；2、坑底土体隆起位
11、移较大的区域分布距基坑坑壁 10m 左右的地方，由于搅拌桩对附近土体的摩擦支护作用使靠近搅拌桩的土体得到了很好的控制作用。根据计算结果坑底隆起的最大值为 64mm，实测结果为 76mm；3、坑后土体的下降变形较大的区域在坑后 10m 左右的地方，由于坑壁附近土体得到了复合土钉支护结构的加固，变形较小。坑后土地下降的最大位移是 15mm。实测值为 14mm。 如图 2、图 3 坑底隆起和坑后土体下降的位移曲线图。 （三）对以上计算结果做了详细的分析，主要得到以下结论 61、开挖后基坑坑壁土体的变形趋势呈现出向基坑开挖一侧的“鼓出”的现象，且由于软土层的存在，位移较大的地方出现在软土层分布的位置；
12、2、基坑坑壁水平位移随着基坑的开挖深度的增加而增加，基坑开挖最大水平位移发生在搅拌桩底部，由于搅拌桩的刚度远大于软土，搅拌桩的支挡作用使得侧面的土体位移得到了有效的控制，再加上土钉以及面层的综合作用，使得上部土体的水平位移得到了很好的控制，因此最大位移发生在搅拌桩底部的软土层中；3、由于复合土钉支护的加固作用，使得开挖后的坑底隆起和坑后土体下降的最大位移分别发生在距离坑壁10m 左右的地方，坑壁附近的土体得到了很好的控制。防止基坑在开挖边缘发生变形破坏。 参考文献： 1徐正来.复合土钉墙稳定性分析J.水文地质工程地质，2001， （4）. 2杨保全.挤扩支盘桩桩土相互作用的三维有限元分析J.河海大学学报，2008. 3王助成，邵敏.有限单元法的基本原理和数值方法M.北京：清华大学出版社，1999. 4程良奎，刘启深.岩土锚固技术的应用与发展M.北京：万国学术出版社，1996.
