曾彩云（西南交通大學(xué)希望學(xué)院，四川 成都 610400）

土釘+噴射混凝土組合支護(hù)加固基坑邊坡的模式在工程中廣泛存在，其構(gòu)成的土釘墻具有一定的抗彎強(qiáng)度，因而在建筑基坑邊坡加固工程中得到廣泛認(rèn)可，特別對于巖土的自穩(wěn)性較高、開挖深度淺的基坑，更是一種有效控制基坑側(cè)向位移變形的措施。眾多學(xué)者對此開展了研究。林杭等[1]對土釘長度變化帶來的邊坡穩(wěn)定系數(shù)差異進(jìn)行了有限差分?jǐn)?shù)值模擬研究，研究得到如下結(jié)論：土釘長度的變化對邊坡穩(wěn)定性的影響與其是否穿過滑動面密切相關(guān)。胡敏云等[2,3]結(jié)合工程實際主要研究了復(fù)合土釘墻（CSNW）在的應(yīng)用和施工，對兩種計算模型的土釘軸力分布、超前樁的受力以及土體的位移模式等進(jìn)行研究，結(jié)果表明：復(fù)合土釘支護(hù)與一般土釘支護(hù)加固方式的性狀有明確差異。王輝等[4,5]對三類支護(hù)加固體系的作用機(jī)理進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：不同加固體系的作用機(jī)制各異。段其品等[6]對深基坑加固設(shè)計方法進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：與基坑坑壁相關(guān)的大變形或坍塌問題構(gòu)成了基坑的主要災(zāi)害形式。丁勇春等[7,8]采用FLAC3D 軟件專門就基坑的變形特性進(jìn)行了與荷載相關(guān)的機(jī)理研究，結(jié)果表明：放坡開挖陽角是基坑變形的不利區(qū)域，其最大側(cè)向變形位于下部坡腳位置處。張榮平等[9,10]通過數(shù)值模擬手段土釘支護(hù)與分步開挖時變形和安全系數(shù)變化過程的數(shù)值模擬，結(jié)果表明：在FLAC3D 中構(gòu)建的數(shù)值計算模型是合理的，軟件所采用的分析方精度較高。朱劍鋒等[11]提出了一種全局優(yōu)化算法用于預(yù)測和計算土釘加固后邊坡的滑動面，結(jié)果表明：結(jié)合了Morgenstern-Price的算法，能夠有效體現(xiàn)加固后邊坡的穩(wěn)定性，可用于實際工程中。

通過對以上學(xué)者的研究手段的分析可知，目前針對加固后的基坑邊坡變形和安全系數(shù)計算主要涉及三類方法：數(shù)值模擬、理論分析、模型試驗。研究成果眾多，本文主要根據(jù)陜西省寶雞市一淺開挖建筑基坑工程，研究土釘+噴射混凝土方式組合支護(hù)形式的土釘墻加固基坑邊坡的穩(wěn)定性特征，采用MIDAS-GTS 數(shù)值模擬軟件構(gòu)建二維數(shù)值模型，主要通過分析不同坡率下的噴射混凝土型土釘墻的最大彎矩變化特征進(jìn)行。

1 工程概況

本文以陜西省寶雞市一淺開挖建筑基坑工程為依托，實體基坑模型圖如圖1 所示，計劃開挖5.8m 深度，基坑開挖深度影響范圍內(nèi)共有三層粉質(zhì)黏土。從上至下共有三排土釘，第一和第二排土釘長度設(shè)置為5m，最下部土釘長度為3m。三層粉質(zhì)黏土的性狀如下：

第一層，粉質(zhì)黏土（Q4al+pl），土黃色、灰褐色，可塑，含鐵錳質(zhì)結(jié)核及灰白色泥質(zhì)團(tuán)塊。干強(qiáng)度中等，中等韌性，搖振反應(yīng)無，稍有光澤。層底埋深6.40m～7.30m，地層厚度2.50m～3.80m。

第二層，粉質(zhì)黏土（Q3al+pl），褐黃色，硬塑，含鐵錳質(zhì)結(jié)核。干強(qiáng)度中等，中等韌性，搖振反應(yīng)無，稍有光澤。層底埋深11.30m～12.50m，地層厚度4.50m～5.50m。

第三層，粉質(zhì)黏土（Q3al+pl），黃褐色，硬塑，含鐵錳質(zhì)結(jié)核及灰白色泥質(zhì)條帶。干強(qiáng)度中等，中等韌性，搖振反應(yīng)無，稍有光澤。層底埋深13.40m～14.40m，地層厚度1.30m～2.40m。

各層土體的相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)

2 數(shù)值模型建立

按照圖1 中所示的實體基坑模型首先在MIDAS/GTS軟件構(gòu)建長寬尺寸一致的長方形待開挖模型，通過網(wǎng)格剖分，將上述未開挖的土體模型剖分為8152 個有限單元體，其中，包含有8101個單元節(jié)點(diǎn)。根據(jù)表1給出的各層土體的參數(shù)對不同區(qū)域的土體進(jìn)行材料屬性設(shè)置。采用逐層分步開挖進(jìn)行基坑開挖模擬和各階段的基坑邊坡支護(hù)，開挖后的基坑兩側(cè)邊界設(shè)置25MPa的強(qiáng)度，以模擬噴射混凝土層，基坑底部設(shè)置為自由邊界。

圖1 實體基坑模型

3 計算結(jié)果分析

為了分析邊坡坡率對噴射混凝土彎矩的影響，并通過對不同坡率條件下的噴射混凝土土釘墻最大彎矩的分析比較，確定合理的開挖坡率，設(shè)置了三種坡率開挖工況，分別為坡率為1:0.25、1:0.5、1:0.75的工況1、2、3。通過數(shù)值分析，求解得坡率為1:0.25 時的噴射混凝土的Y方向的彎矩云圖，如圖2所示；坡率為1:0.5時的噴射混凝土的Y 方向的彎矩云圖，如圖3 所示；坡率為1:0.75 時的噴射混凝土的Y 方向的彎矩云圖，如圖4 所示；此外，繪制了不同坡率條件下的最大彎矩變化圖5；最后，采用軟件內(nèi)置的強(qiáng)度折減法計算了三種工況下的基坑邊坡穩(wěn)定性，并繪制了如圖6所示的不同坡率條件下的安全系數(shù)變化圖。

3.1 坡率為1:0.25

當(dāng)基坑邊坡坡率設(shè)置為1:0.25時，求解得到了如圖2 所示坡率為1:0.25 時噴射混凝土的Y 方向的彎矩云圖。

由圖2可知，基坑邊坡坡率設(shè)置為1:0.25條件下噴射混凝土的Y 方向的最大彎矩為4.46kN·m，上部兩排土釘附近處的彎矩較大，靠近坡腳處一排土釘處的最大彎矩約為1.49kN·m，噴射混凝土的彎矩分布整體呈現(xiàn)各排土釘位置處最大，向土釘兩側(cè)位置處的彎矩逐漸減小，減小規(guī)律呈現(xiàn)出線性變化特征。

圖2 工況1噴射混凝土Y向的彎矩

3.2 坡率為1:0.5

當(dāng)基坑邊坡坡率設(shè)置為1:0.5 時，求解得到了如圖3所示坡率為1:0.5時噴射混凝土的Y方向的彎矩云圖。

圖3 工況2噴射混凝土Y向的彎矩

由圖3 可知，基坑邊坡坡率設(shè)置為1:0.5 條件下噴射混凝土的Y 方向的最大彎矩為3.96kN·m，上部兩排土釘附近處的彎矩較大，靠近坡腳處一排土釘處的最大彎矩約為1.98kN·m，噴射混凝土的彎矩分布整體呈現(xiàn)各排土釘位置處最大，向土釘兩側(cè)位置處的彎矩逐漸減小，減小規(guī)律呈現(xiàn)出線性變化特征。

3.3 坡率為1:0.75

當(dāng)基坑邊坡坡率設(shè)置為1:0.75時，求解得到了如圖4 所示坡率為1:0.75 時噴射混凝土的Y 方向的彎矩云圖。

圖4 工況3噴射混凝土Y向的彎矩

由圖4可知，基坑邊坡坡率設(shè)置為1:0.75條件下噴射混凝土的Y 方向的最大彎矩為3.67kN·m，上部兩排土釘附近處的彎矩較大，靠近坡腳處一排土釘處的最大彎矩呈現(xiàn)為反方向，大小約為1.83kN·m，噴射混凝土的彎矩分布整體呈現(xiàn)各排土釘位置處最大，向土釘兩側(cè)位置處的彎矩逐漸減小，減小規(guī)律呈現(xiàn)出線性變化特征。

3.4 最大彎矩變化

根據(jù)上述分析，繪制了最大彎矩隨著工況條件的變化圖，如圖5所示。

圖5 各工況噴射混凝土Y方向的最大彎矩變化

由圖5 可知，隨著基坑邊坡坡率的降低，噴射混凝土Y方向的最大彎矩逐漸減小，相對于工況1，工況2條件下的噴射混凝土Y方向的最大彎矩減小了11.2%，工況3的噴射混凝土Y方向的最大彎矩減小了17.7%。

3.5 安全系數(shù)變化

采用軟件內(nèi)置的強(qiáng)度折減法計算三種工況下的基坑邊坡穩(wěn)定性，分別得到工況1 的安全系數(shù)為1.94，工況2 的安全系數(shù)為2.04，工況3 的安全系數(shù)為2.1，均能滿足規(guī)范要求，繪制相應(yīng)的變化趨勢圖，如圖6所示，可見隨著邊坡變緩，安全系數(shù)逐漸增大。但是，考慮到坡率較大時的土方開挖量較小，從節(jié)約成本的角度，應(yīng)采用工況1的基坑邊坡坡率。

圖6 安全系數(shù)隨工況變化

4 結(jié)語

本文依托陜西省寶雞市一淺開挖建筑基坑工程，分析了土釘+噴射混凝土組合形式的土釘墻加固基坑邊坡的彎矩變化和安全系數(shù)大小，得到如下結(jié)論：

（1）隨著基坑邊坡坡率的降低，噴射混凝土Y軸方向的最大彎矩逐漸減小，相對于工況1，工況2 的噴射混凝土Y 方向的最大彎矩減小了11.2%，工況3的噴射混凝土Y方向的最大彎矩減小了17.7%。

（2）三種工況下的基坑邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)分別為1.94、2.04和2.1，可見，隨著邊坡變緩，安全系數(shù)逐漸增大，但三種工況的安全系數(shù)均能滿足規(guī)范要求。

（3）考慮到大坡率條件下的土方開挖量小，從節(jié)約成本的角度，本基坑工程應(yīng)采用工況1 的基坑邊坡坡率，即1：0.25。