狄圣杰,汪明元,魏 涌

(1.中國水電顧問集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院,浙江,杭州 3100143;2.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210098;3.中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司 云南電力建設(shè)監(jiān)理咨詢有限公司,云南 昆明 650231)

土釘支護(hù)技術(shù)是用于基坑和邊坡穩(wěn)定的一種擋土技術(shù),它不需要單獨(dú)的施工工期,可以與挖土同步操作,具有施工快、設(shè)備簡單、成本低、無噪音等優(yōu)點(diǎn),一般其單位工程造價(jià)僅為傳統(tǒng)支護(hù)方法的1/3～1/2,在我國應(yīng)用廣泛[1]。付文光等[2]對土釘支護(hù)、土釘墻等概念進(jìn)行了詳盡的闡述,并評述了與錨噴技術(shù)的工作機(jī)理及力學(xué)性能的區(qū)別,建議對多種技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用時(shí),采用分段、分級、組合、混合等命名方法。在深基坑土釘支護(hù)設(shè)計(jì)計(jì)算中,可使用極限平衡方法和有限元方法進(jìn)行分析,但單一的有限元計(jì)算不一定能輸出定量數(shù)據(jù),在實(shí)際工程應(yīng)用中有一定局限性,極限平衡分析法簡單明了,基本能夠滿足工程設(shè)計(jì)要求,目前被普遍采用,亦有依據(jù)圓弧滑動面邊坡安全穩(wěn)定性工程類比的經(jīng)驗(yàn)判定方法,為土釘支護(hù)邊坡安全穩(wěn)定性分析提供參考[3-7]。一般情況下土釘支護(hù)設(shè)計(jì)計(jì)算量大,設(shè)計(jì)人員往往將土層簡化,憑借經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì),對其穩(wěn)定性分析不夠深入[8]。祝方才等[9]對土釘支護(hù)穩(wěn)定分析規(guī)范的極限平衡公式進(jìn)行了探討,研究了土層參數(shù)平均化對計(jì)算的影響,得出了使用土層參數(shù)平均化可能造成較大誤差的結(jié)論。郭院成等[10]提出了均質(zhì)土體中土釘受力的極限分析上限法,對JGJ120—99《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》[11]和 CECS96—97《基坑土釘支護(hù)技術(shù)規(guī)程》[12]采用土壓力方法進(jìn)行了比較,得出后者土壓力模式較合理的結(jié)論。

工程軟件的編制涉及土質(zhì)參數(shù)、土壓力模型及修正等多個(gè)方面因素,隨著施工經(jīng)驗(yàn)的積累、設(shè)計(jì)規(guī)范的更新以及新技術(shù)、新成果的出現(xiàn),在基坑和邊坡工程的應(yīng)用中,須對原有工程支護(hù)程序源代碼進(jìn)行修改,但商品軟件都涉及版權(quán)并進(jìn)行了封裝,難以取得源代碼,且基坑及邊坡支護(hù)區(qū)域性強(qiáng),支護(hù)體系設(shè)計(jì)與施工亦要因地制宜,可見編制一套適用性強(qiáng)且方便可用的程序很有意義。

本文采用VB(Visual Basic)2005軟件為開發(fā)平臺,以基坑土釘支護(hù)技術(shù)規(guī)程[12]為基礎(chǔ),開發(fā)了一套具有可視化交互操作及圖像輸出界面的土釘支護(hù)設(shè)計(jì)計(jì)算程序,可計(jì)算土釘側(cè)壓力、土釘設(shè)計(jì)內(nèi)力、土釘抗拔力及土釘墻穩(wěn)定性等內(nèi)容,對于穩(wěn)定性計(jì)算可動態(tài)搜索考慮土釘抗拔力作用時(shí)邊坡最危險(xiǎn)圓弧滑動面及相應(yīng)安全系數(shù)。

1 土釘支護(hù)設(shè)計(jì)計(jì)算

1.1 土釘側(cè)壓力及內(nèi)力計(jì)算

在土體自重及地表均布荷載作用下,土體自重相應(yīng)側(cè)壓力按基坑土釘支護(hù)技術(shù)規(guī)程取梯形分布,地面超載部分取矩形分布,則土釘長度中點(diǎn)處側(cè)壓力為

式中:P1,Pm為由支護(hù)土體自重引起的側(cè)向土壓力,kPa;Pq為地面超載引起的側(cè)壓力,kPa;K a為主動土壓力系數(shù);c為對應(yīng)的土體黏聚力,kPa;ρ為土體密度,kg/m3;H為基坑深度,m;q為地面超載,kPa。

當(dāng)計(jì)算深度 y≤0.25H時(shí),P1=yPm/0.25H,當(dāng)計(jì)算深度y＞0.25H時(shí),P1=Pm。對于2c/ρgH≤0.05的砂土及粉土,Pm=0.55KaρgH;對于2c/ρgH＞0.05的一般性黏性土,則 Pm≥0.2ρgH。

土釘所受最大設(shè)計(jì)內(nèi)力N由土釘側(cè)壓力求出:

式中:α為土釘與水平面夾角;Sv,Sh分別為土釘布置平面豎向間距及水平間距,m。

當(dāng)有地下水及其他地面下荷載作用時(shí),應(yīng)考慮由此產(chǎn)生的側(cè)向壓力并在計(jì)算設(shè)計(jì)內(nèi)力時(shí)計(jì)入其影響。土釘設(shè)計(jì)內(nèi)力應(yīng)較土釘鋼筋抗拉力小,考慮基坑穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)滿足:

式中:F為基坑穩(wěn)定安全系數(shù),一般取值1.2～1.4;f為鋼筋抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,kPa;d為土釘鋼筋直徑,m。

式(5)給出了鋼筋直徑選用的下限值。土釘注漿后形成錨固體,薄弱環(huán)節(jié)即為土釘與漿體接觸面、砂漿錨固體與土體接觸面,根據(jù)已有試驗(yàn)結(jié)果及實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn),后者接觸面的黏結(jié)強(qiáng)度一般較小,土釘破壞基本在錨固體與土體界面處,進(jìn)行土釘抗拔力及穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)以此作為控制標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 土釘墻穩(wěn)定性計(jì)算

土釘支護(hù)的穩(wěn)定性分析是一項(xiàng)重要內(nèi)容,可以校核初步設(shè)計(jì)方案的安全性和適用性。土釘墻穩(wěn)定性計(jì)算分為內(nèi)部整體穩(wěn)定性及外部整體穩(wěn)定性計(jì)算,前者失穩(wěn)破裂面穿過土釘支護(hù)復(fù)合體的內(nèi)部,后者失穩(wěn)破裂面則是在土釘加固體外部,主要表現(xiàn)為傾覆及滑動。按照瑞典條分法的穩(wěn)定安全系數(shù)定義,原始邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fs1為

式中:Wi,Qi分別為作用于土條i的自重和附加荷載,kN/m;θi為土條i破裂面切線與水平面夾角;bi為土條i寬度,m;ck為土條i破裂面處k土層的黏聚力,kPa;φk為土條i破裂面處k土層的摩擦角。

在此基礎(chǔ)上應(yīng)考慮土釘支護(hù)后土釘提供的抗力,同時(shí)忽略土釘自重,則支護(hù)后邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)F s2為

式中:Rj為破裂面第j排土釘?shù)臉O限抗拔力,kN;s h j為第j排土釘水平方向的間距,m;αj為第j排土釘與水平面的夾角;lwj為土釘在圓弧面外的長度,m;τj為土釘穿過穩(wěn)定土層的土體與錨固體間的黏結(jié)強(qiáng)度,kPa;d0j為錨固體直徑,m。

設(shè)置圓心搜索范圍,一般設(shè)定為2H×H[4],H為坡高,如圖1所示。亦可擴(kuò)大范圍來提高精度,本文以每個(gè)圓心至坡面的圓弧切線距離為初始值,對應(yīng)于半徑步長Δr,則下一個(gè)循環(huán)值即為ri(x0,y0)+Δr,逐步擴(kuò)大至邊坡內(nèi)部,從中搜索最危險(xiǎn)圓弧滑動面及最小安全系數(shù)。經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn),如果基坑底部土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)較上部相差較多時(shí),如底部為軟弱土體,圓弧滑動面會出現(xiàn)在坡底,如果整體土質(zhì)良好,圓弧滑動面一般經(jīng)過坡腳。由于土釘位置及幾何參數(shù)固定,對于每一個(gè)圓弧滑動面,土釘在圓弧滑動面內(nèi)外的長度均可確定。

圖1 土釘支護(hù)圓弧滑動面穩(wěn)定分析

內(nèi)部整體穩(wěn)定性計(jì)算時(shí),先分析未加土釘時(shí)原始邊坡最小穩(wěn)定安全系數(shù)及對應(yīng)圓弧滑動面,對原始邊坡進(jìn)行評價(jià)。添加土釘后根據(jù)土釘在圓弧滑動面外長度,計(jì)算土釘抗拔力大小,求出支護(hù)后邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)。由于土釘抗拔力產(chǎn)生作用,土體內(nèi)部受力亦發(fā)生改變,邊坡最小穩(wěn)定安全系數(shù)及圓弧滑動面亦發(fā)生變化,仍要依據(jù)上述條分法,對圓弧滑動面不變及變化后兩種情況穩(wěn)定性分別評判,綜合分析其影響。

由于土釘作用與所分土條數(shù)量無關(guān),只在圓弧滑動面處產(chǎn)生土釘抗拔力影響。考慮釘土相互作用,循環(huán)圓心坐標(biāo)及對應(yīng)半徑,可動態(tài)搜索出最小穩(wěn)定安全系數(shù)及對應(yīng)的潛在圓弧滑動面。土釘支護(hù)外部整體穩(wěn)定性分析與重力式擋土墻穩(wěn)定分析類似,按基坑土釘支護(hù)技術(shù)規(guī)程[12]驗(yàn)算抗滑移及抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)。

2 程序說明

以VB2005作為開發(fā)平臺進(jìn)行程序編制,程序操作方便,直觀明了,所需參數(shù)由一個(gè)主界面和兩個(gè)副界面輸入,計(jì)算結(jié)果為一個(gè)主界面和兩個(gè)副界面輸出,程序的主要流程如圖2所示,主界面輸入邊坡的設(shè)計(jì)參數(shù),鏈接土釘參數(shù)輸入和土層參數(shù)輸入兩個(gè)副界面,輸出界面依據(jù)輸入信息可將計(jì)算結(jié)果直觀地顯示。

圖2 程序流程

土釘參數(shù)、土層參數(shù),滑動面圓弧圓心、半徑,土條及安全系數(shù)等均為動態(tài)數(shù)組,開發(fā)平臺所有數(shù)組都繼承自System命名空間中的Array類,其中有字符串、單精度、雙精度等類型,不同類型的數(shù)據(jù)可應(yīng)用保存多種數(shù)據(jù)類型元素的Arraylist類。

程序的繪圖功能成為可視化編程的重要組成部分,其中以 Picturebox控件來繪圖,定義System.Drawing.Pen,依據(jù)其坐標(biāo)系和命令流即可完成繪圖操作,具體方法參見文獻(xiàn)[13]。主界面能輸出根據(jù)參數(shù)和計(jì)算結(jié)果繪制的圖形,包括幾何尺寸、最危險(xiǎn)圓弧滑動面位置、對應(yīng)圓心半徑及添加土釘后的情況等。程序設(shè)計(jì)的優(yōu)勢主要是涵蓋了全面的土釘設(shè)計(jì)計(jì)算內(nèi)容,可完成各界面間的交互操作,復(fù)雜繁多的參數(shù)和輸出信息既相互獨(dú)立又緊密結(jié)合,并通過繪圖功能動態(tài)直觀地輸出土釘墻最危險(xiǎn)圓弧滑動面及對應(yīng)的圓心、半徑。

3 工程應(yīng)用

某基坑工程垂直開挖,土層參數(shù)輸入界面如圖3所示,其中包含各土層特性及物理學(xué)參數(shù),土釘參數(shù)輸入界面如圖4所示,包含各排土釘幾何參數(shù)及物理學(xué)參數(shù),程序主界面如圖5所示,包含邊坡特性及基本指標(biāo)的輸入,以及計(jì)算結(jié)果及圖形的輸出。

圖3 土層參數(shù)輸入界面

圖4 土釘參數(shù)輸入界面

圖5 程序主界面

由程序計(jì)算可以看出,原始邊坡最小穩(wěn)定安全系數(shù)為0.560,不滿足穩(wěn)定性要求,添加土釘后原始圓弧滑動面穩(wěn)定安全系數(shù)為2.150,考慮內(nèi)力重分布搜索圓弧滑動面最小穩(wěn)定安全系數(shù)為2.03,滿足穩(wěn)定性要求且有裕量。重新搜索得到的最小穩(wěn)定安全系數(shù)較小,表明在實(shí)際工程中使用原始圓弧滑動面判定土釘支護(hù)穩(wěn)定性不合理。

由于土釘較密,重新搜索的圓弧滑動面有避開土釘向后偏移的現(xiàn)象,而且通過其他實(shí)例計(jì)算發(fā)現(xiàn),土釘密度越大,圓弧滑動面偏移越多,越有試圖避開土釘加固區(qū)的趨勢,可以假設(shè)當(dāng)土釘密度達(dá)到一定程度時(shí),大大提高了土體復(fù)合抗剪強(qiáng)度參數(shù),形成一等效復(fù)合式擋土墻,從而起到擋土作用。土釘內(nèi)力及抗拔安全系數(shù)輸出界面如圖6所示。

圖6 土釘內(nèi)力輸出界面

考慮土釘施工步驟,開挖一層土體設(shè)置一排土釘,各開挖工況最小穩(wěn)定安全系數(shù)變化曲線如圖7所示,開挖第一層且未植入土釘時(shí)穩(wěn)定安全系數(shù)最小為1.454,最后開挖完畢且未植入土釘時(shí)穩(wěn)定安全系數(shù)亦較小,為1.776,開挖完畢植入土釘后穩(wěn)定安全系數(shù)變?yōu)?.030。故在分層開挖時(shí),禁止超挖,超挖可能導(dǎo)致邊坡失穩(wěn),應(yīng)引起注意。

圖7 各開挖工況最小穩(wěn)定安全系數(shù)

計(jì)算得到土釘總體抗拔安全系數(shù)為3.650,滿足抗拔穩(wěn)定要求,同時(shí)驗(yàn)算整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為3.160,整體抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)為7.030,均滿足要求。

此外,分析了土體參數(shù)的敏感性,原始邊坡整體穩(wěn)定安全系數(shù)受土體黏聚力c影響較大;土釘抗拔安全系數(shù)和支護(hù)后邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)受摩擦角 φ影響較大;同時(shí)發(fā)現(xiàn)隨土釘錨固體直徑及錨固力的增大,穩(wěn)定安全系數(shù)提高幅度較大,說明通過壓力灌漿措施對土釘支護(hù)安全穩(wěn)定性提高有較大作用;隨著坡頂荷載的增大,穩(wěn)定安全系數(shù)有所降低,坡頂荷載對土釘抗拔力影響較大。

4 結(jié) 語

基于VB2005軟件平臺開發(fā)了土釘支護(hù)設(shè)計(jì)計(jì)算程序,涵蓋了全面的土釘支護(hù)設(shè)計(jì)計(jì)算內(nèi)容,彌補(bǔ)了在土釘支護(hù)工程應(yīng)用中只驗(yàn)算某單一指標(biāo),而未協(xié)調(diào)統(tǒng)一的缺陷。程序設(shè)計(jì)條理清楚、可視化輸出,搜索圓弧滑動面模塊亦可用于土坡穩(wěn)定分析、滑坡治理等方面,可為工程設(shè)計(jì)人員提供有益的參考。在考慮土釘作用時(shí),最危險(xiǎn)圓弧滑動面隨土釘設(shè)計(jì)參數(shù)動態(tài)變化,實(shí)現(xiàn)了土釘支護(hù)中邊坡最危險(xiǎn)圓弧滑動面的動態(tài)搜索,這對于保證開挖過程中其安全穩(wěn)定性具有一定意義,通過土釘支護(hù)邊坡各開挖工況穩(wěn)定性計(jì)算發(fā)現(xiàn),安全系數(shù)呈現(xiàn)出先增大再降低的規(guī)律性。

本文研究內(nèi)容仍屬于土釘支護(hù)校核驗(yàn)算范疇,在此基礎(chǔ)上如何擴(kuò)充一套方便可用的優(yōu)化設(shè)計(jì)程序和支護(hù)體位移計(jì)算程序,因地制宜,優(yōu)化出土釘最佳布置方案,如土釘橫豎間距、土釘傾角及釘長分布等,同時(shí)對支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行控制,提高工程的安全性和經(jīng)濟(jì)性,是下一步研究的重點(diǎn)。

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