摘 要:【目的】基坑邊坡放坡開(kāi)挖過(guò)程中易產(chǎn)生破壞,對(duì)基坑邊坡進(jìn)行支護(hù)以保證工程安全施工具有重要意義,因此有必要對(duì)土釘墻支護(hù)效果進(jìn)行研究。【方法】以福州市某基坑工程為研究對(duì)象,構(gòu)建該基坑邊坡三維網(wǎng)格模型,采用有限差分法計(jì)算該邊坡在未采用土釘墻支護(hù)和采用土釘墻支護(hù)兩種情況下的穩(wěn)定性系數(shù)和位移量?!窘Y(jié)果】未采用土釘墻支護(hù)時(shí),該邊坡在天然工況和暴雨工況下的穩(wěn)定性系數(shù)分別為0.85和0.73,邊坡最大位移量分別為112.5 mm和125.8 mm;采用土釘墻支護(hù)后,穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.31和1.24,最大位移量分別為27.8 mm和28.0 mm?!窘Y(jié)論】土釘墻支護(hù)顯著減少了坡體位移量,提升了邊坡的整體穩(wěn)定性。
關(guān)鍵詞:基坑邊坡;土釘墻支護(hù);邊坡穩(wěn)定性;坡體位移
中圖分類號(hào):TU753 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1003-5168(2024)17-0061-04
DOI:10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.17.013
Research on the Effect of Soil Nail Wall Support for Pit Slopes
BAI Jinfeng
(Guangdong Shunxie Engineering Survey Co., Ltd., Fujian Branch, Quanzhou 362000, China)
Abstract: [Purposes] Since it is easy to cause damage during the excavation of foundation pit slope, to support the foundation pit slope is of great importance to ensure the safe construction of the project. Therefore, it is necessary to study the effect of soil nailing wall support on slope stability. [Methods] Taking a foundation pit project in Fuzhou as the research object, this paper constructed a three-dimensional grid model of the slope of the foundation pit, and used the finite difference method to calculate the stability and displacement of the slope without soil nail support and with soil nail support. [Findings] The stability coefficients of the slope under natural condition and rainstorm condition were 0.85 and 0.73, and the maximum slope displacements were 112.5 mm and 125.8 mm, respectively, without soil nail wall support; the stability coefficients of the slope under soil nail wall support were 1.31 and 1.24, and the maximum displacements were 27.8 mm and 28.0 mm, respectively. [Conclusions] Soil nail wall support significantly reduces the slope displacement and improves the overall stability of the slope.
Keywords: foundation pit slope; soil nail wall support; slope stability; slope displacement
0 引言
隨著城市化進(jìn)程的加快,城市對(duì)于高層建筑和地下空間的需求也不斷增加。復(fù)雜的上層建筑和更多的地下空間需求給基坑工程的設(shè)計(jì)和施工帶來(lái)了更大的挑戰(zhàn)[1-2]。由于基坑周圍軟弱土體的易破壞性和施工的時(shí)效性,使基坑開(kāi)挖過(guò)程中極容易發(fā)生坍塌和滑坡破壞[3-4]。因此,對(duì)基坑進(jìn)行合理的支護(hù)以保證基坑開(kāi)挖施工的安全具有重要意義[5-6]。
國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)基坑開(kāi)挖支護(hù)方法進(jìn)行了大量研究,推動(dòng)了基坑支護(hù)方法的不斷發(fā)展。孫志浩等[7]以某偏壓綜合管廊基坑為例,通過(guò)有限元方法對(duì)該基坑進(jìn)行了模擬,驗(yàn)證了模型的有效性,并對(duì)該基坑參數(shù)進(jìn)行了分析,研究了支護(hù)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度、彈性模量和等效厚度對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響。崔澤恒等[8]建立了4種軟土地層深基坑模型,通過(guò)將離心模型試驗(yàn)的監(jiān)測(cè)結(jié)果與有限元軟件建立的等比例數(shù)值模型模擬結(jié)果相互驗(yàn)證,分析了支護(hù)樁端在軟土中的深基坑變形和破壞模式,以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的加固效果。朱湘旭等[9]以寧句城際軌道句容站基坑工程為研究對(duì)象,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬方法,研究了硬質(zhì)地層中的偏壓荷載對(duì)基坑圍護(hù)樁樁身彎矩和水平位移的影響規(guī)律。
本研究以福州某小學(xué)教學(xué)樓地下室基坑為例,通過(guò)有限差分方法研究土釘墻支護(hù)對(duì)該基坑邊坡穩(wěn)定性的提升效果,對(duì)類似基坑邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證具有一定的參考意義。
1 工程概況
該基坑為福州某小學(xué)教學(xué)樓地下室基坑,教學(xué)樓為5層建筑,地下室為一層。基坑北側(cè)邊界距離道路約18 m,西側(cè)邊界距離道路約10 m,南側(cè)距離圖書(shū)樓下部地下室約30 m?;踊讟?biāo)高2.20~3.0 m,開(kāi)挖深度為5.20~6.0 m,基坑開(kāi)挖范圍內(nèi),組成基坑壁的土層主要為雜填土、粉質(zhì)黏土、淤泥。該基坑整體穩(wěn)定性較差,側(cè)壁及坑底均存在軟弱土層,坑壁土層中各巖土層抗剪強(qiáng)度低、穩(wěn)定坡角小,自穩(wěn)能力差,在未采取支護(hù)措施的情況下,基坑開(kāi)挖后基坑側(cè)壁土層將會(huì)產(chǎn)生垮塌或滑移現(xiàn)象。為防止坍塌,基坑開(kāi)挖必須進(jìn)行基坑支護(hù)。綜合評(píng)定該基坑工程安全等級(jí)為一級(jí),工程重要性系數(shù)γ0=1.10。
該基坑采用放坡法分兩層開(kāi)挖,第一層放坡開(kāi)挖深度為3 m,坡比為1∶1.5,第二層放坡開(kāi)挖深度為2.2 m,坡比1∶1.25,中間臺(tái)階寬為1 m。為了防止基坑開(kāi)挖過(guò)程出現(xiàn)垮塌或滑移破壞,采用土釘墻對(duì)開(kāi)挖后的邊坡進(jìn)行支護(hù)。土釘直徑為22 mm,長(zhǎng)度為8 m,與水平方向夾角為15°,橫縱間距均為1 m,如圖1所示。墻體厚80 mm,采用C30混凝土噴射形成。
2 工程地質(zhì)條件
2.1 地形地貌
擬建基坑位于福州市倉(cāng)山區(qū)城門(mén)鎮(zhèn)內(nèi),擬建場(chǎng)地現(xiàn)狀為空地,北側(cè)為現(xiàn)狀路和三江口高級(jí)中學(xué),東側(cè)為規(guī)劃縱六路,西側(cè)為現(xiàn)狀路和三江口高級(jí)中學(xué),南側(cè)為空地和下洋路。場(chǎng)地內(nèi)及場(chǎng)地周邊未發(fā)現(xiàn)管線。場(chǎng)地地貌單元為沖淤積平原地貌。
2.2 巖土體特征
該場(chǎng)地第四紀(jì)土層以人工堆填、淤積、沖洪積成因?yàn)橹?,基底母巖為燕山晚期花崗巖,場(chǎng)地內(nèi)覆蓋層主要為第四系不同成因類型的巖土層。
2.3 水文地質(zhì)條件
基坑工程場(chǎng)地的地下水類型為雜填土中的上層滯水、細(xì)砂中的孔隙承壓水以及花崗巖中的承壓水—孔隙裂隙水。上層滯水水位和水量隨季節(jié)性氣候影響變化較大,水量較小,主要受地表水及大氣降水補(bǔ)給。孔隙承壓水水量較大主要受含水層的側(cè)向徑流補(bǔ)給。承壓水—孔隙裂隙水主要受大氣降水及地下側(cè)向徑流補(bǔ)給。場(chǎng)地上部地下水初見(jiàn)水位埋深1.0~2.0 m(標(biāo)高5.86~6.86 m),下部地下水埋深3.40~6.90 m(標(biāo)高-4.34~4.58 m)。
2.4 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造
擬建基坑位于武夷—戴云隆褶帶閩東火山斷拗帶內(nèi)。區(qū)域范圍內(nèi)構(gòu)造總體軸向?yàn)槟媳睎|向,北西向構(gòu)造斜穿本區(qū),同時(shí)在區(qū)內(nèi)存在南嶺緯向構(gòu)造帶。無(wú)活動(dòng)斷裂通過(guò)本場(chǎng)地,區(qū)域穩(wěn)定性較好。
3 數(shù)值模型構(gòu)建
3.1 基坑邊坡模型
為了對(duì)邊坡開(kāi)挖過(guò)程中的穩(wěn)定性進(jìn)行分析,以圖1中剖面為典型剖面,構(gòu)建了邊坡三維網(wǎng)格模型,以用于邊坡穩(wěn)定性的數(shù)值計(jì)算。邊坡網(wǎng)格模型如圖2所示,該邊坡模型高10 m、長(zhǎng)18 m、寬6 m,一共包含62 239個(gè)網(wǎng)格和36 610個(gè)節(jié)點(diǎn)。該模型一共包含5個(gè)地層,分別是雜填土、雜填土(開(kāi)挖部分)、粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土(開(kāi)挖部分)和細(xì)砂。土層采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型,土釘采用cable單元進(jìn)行模擬,墻體采用shell單元進(jìn)行模擬。
3.2 巖土體參數(shù)取值
巖土體參數(shù)取值是否準(zhǔn)確合理會(huì)影響邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果的合理性。本研究基于野外勘察和室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果,結(jié)合本地區(qū)的基坑工程經(jīng)驗(yàn),對(duì)巖土體在天然工況和暴雨工況下的物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行取值,見(jiàn)表1。
4 土釘墻支護(hù)效果分析
4.1 未支護(hù)情況下邊坡穩(wěn)定性分析
為了分析土釘墻支護(hù)形式對(duì)于基坑邊坡穩(wěn)定性的提升效果,采用有限差分法對(duì)該基坑邊坡未采用土釘墻支護(hù)和采用土釘墻支護(hù)兩種情況下的穩(wěn)定性系數(shù)和位移進(jìn)行了計(jì)算,每種情況均考慮了天然工況和暴雨工況兩種工況。首先,對(duì)未開(kāi)挖的基坑邊坡進(jìn)行地應(yīng)力平衡計(jì)算,然后對(duì)平衡地應(yīng)力之后的模型中的開(kāi)挖部分地層進(jìn)行移除,進(jìn)而計(jì)算邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)和坡體位移。
該基坑邊坡未采用土釘墻支護(hù)情況下,在天然工況和暴雨工況下的穩(wěn)定性和位移如圖3和圖4所示。由圖3可知,未采用土釘墻支護(hù)時(shí),該基坑邊坡在天然工況下的穩(wěn)定性系數(shù)為0.85,該邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。坡體位移最大的部分位于第一層放坡開(kāi)挖的坡體,最大位移量為112.5 mm,第二層放坡開(kāi)挖的坡體位移量為20~70 mm。由圖4可知,該基坑邊坡在暴雨工況下的穩(wěn)定性系數(shù)為0.73,該邊坡也處于不穩(wěn)定狀態(tài)。暴雨工況下該邊坡的位移分布特點(diǎn)與天然工況下相似,坡體位移最大的部分也位于第一層放坡開(kāi)挖的坡體,最大位移量為125.8 mm。由計(jì)算結(jié)果可知,該邊坡在未進(jìn)行土釘墻支護(hù)時(shí)處于不穩(wěn)定狀態(tài),坡體位移量較大,需要對(duì)邊坡進(jìn)行支護(hù)以保證施工安全。
4.2 支護(hù)情況下邊坡穩(wěn)定性分析
該基坑邊坡采用土釘墻支護(hù)情況下,在天然工況和暴雨工況下的穩(wěn)定性和位移如圖5和圖6所示。由圖5可知,采用土釘墻支護(hù)時(shí),該基坑邊坡在天然工況下的穩(wěn)定性系數(shù)為1.31,該邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。坡體位移分布特點(diǎn)與未采用土釘墻支護(hù)時(shí)明顯不同。位移最大的部分位于第二層放坡開(kāi)挖的坡體,最大位移量為28.0 mm,第一層放坡開(kāi)挖的坡體位移量為5~17.5 mm。由圖6可知,該基坑邊坡在暴雨工況下的穩(wěn)定性系數(shù)為1.24,該邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。暴雨工況下該邊坡的位移分布特點(diǎn)與天然工況下相似,坡體位移最大的部分也位于第二層放坡開(kāi)挖的坡體,最大位移量為27.8 mm。由計(jì)算結(jié)果可知,該邊坡在進(jìn)行土釘墻支護(hù)時(shí)處于穩(wěn)定狀態(tài),坡體位移量與未支護(hù)時(shí)相比大幅降低,坡體穩(wěn)定性顯著提升。
值得注意的是,第二層放坡開(kāi)挖的頂部坡體部位未打土釘,因此其位移量最大。為提升基坑開(kāi)挖過(guò)程中的安全性,可在此部位增設(shè)一排土釘以降低其位移,以提升邊坡的整體穩(wěn)定性。
由邊坡的穩(wěn)定性和位移分析可知,未進(jìn)行土釘支護(hù)時(shí),坡體位移量較大,該基坑邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài);進(jìn)行土釘墻支護(hù)后,邊坡的位移量大幅降低,且邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。因此,土釘墻支護(hù)顯著減小了坡體位移量,對(duì)于基坑邊坡的整體穩(wěn)定性具有明顯的提升作用。
5 結(jié)論
基坑邊坡放坡開(kāi)挖過(guò)程中易產(chǎn)生破壞,因此,應(yīng)采用土釘墻對(duì)邊坡進(jìn)行支護(hù)。為了驗(yàn)證土釘墻支護(hù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的提升效果,本研究構(gòu)建了基坑邊坡三維網(wǎng)格模型,采用有限差分法計(jì)算了該邊坡在未采用土釘墻支護(hù)和采用土釘墻支護(hù)兩種情況下的穩(wěn)定性系數(shù)和位移量,得出以下結(jié)論。
①未采用土釘墻支護(hù)時(shí),該邊坡在天然工況和暴雨工況下的穩(wěn)定性系數(shù)分別為0.85和0.73,邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài);采用土釘墻支護(hù)后,該邊坡在天然工況和暴雨工況下的穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.31和1.24,邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài),土釘墻支護(hù)顯著提升了邊坡的整體穩(wěn)定性。
②未采用土釘墻支護(hù)時(shí),該邊坡在天然工況和暴雨工況下的最大位移量分別為112.5 mm和125.8 mm;采用土釘墻支護(hù)后,該邊坡在天然工況和暴雨工況下的最大位移量分別為27.8 mm和28.0 mm,土釘墻支護(hù)顯著減小了坡體位移。
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收稿日期:2024-02-24
作者簡(jiǎn)介:白錦烽(1979—),男,本科,高級(jí)工程師,研究方向:工程勘察設(shè)計(jì)。