劉躍躍，夏紅兵，蔡海兵

(安徽理工大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，安徽 淮南 230001)

土釘支護(hù)是用于基坑開(kāi)挖和邊坡穩(wěn)定的一種擋土技術(shù)，當(dāng)土性較好或基坑開(kāi)挖深度較小時(shí)，一般采用土釘支護(hù)，這樣可取得較好的經(jīng)濟(jì)效益與支護(hù)效果[1-3]。通常采用鉆孔、置入鋼筋并沿全長(zhǎng)注漿的方式來(lái)形成土釘，也可將較粗的角鋼或螺紋鋼筋等直接打入土中形成土釘[4]。在土層中采用土釘支護(hù)時(shí)，為了更好地提高錨固效果，往往會(huì)采取加大土釘長(zhǎng)度、縮小土釘間距等方法[5]。

隨著擴(kuò)體型錨桿[6]、裹式擴(kuò)體錨桿[7]等的出現(xiàn)，通過(guò)改變錨桿的形狀，可以提高錨固效果。近年來(lái)，許多學(xué)者紛紛對(duì)擴(kuò)體錨桿進(jìn)行了研究，胡建林、張培文[8]和李哲[13]、劉芝欣[14]等學(xué)者的研究均表明：擴(kuò)體錨桿或者擴(kuò)大頭錨桿比普通錨桿的承載力平均提高20%～30%，最高可達(dá)60%；林觀茂、張麗娟等[9]進(jìn)行擴(kuò)大頭錨桿支護(hù)體系的數(shù)值模擬，研究表明：采用擴(kuò)大頭錨桿支護(hù)時(shí)，最大水平位移僅為普通錨桿支護(hù)情況的89.94%；文獻(xiàn)[10]研究結(jié)果表明：在相同荷載作用下，單根多盤(pán)土錨比等截面普通錨桿的位移小了63.2%。

鑒于多盤(pán)土錨的優(yōu)點(diǎn)，論文將多盤(pán)土錨應(yīng)用于土釘墻支護(hù)，通過(guò)FLAC3D軟件來(lái)分析研究其支護(hù)效果。

1 多盤(pán)土釘介紹

論文提出的多盤(pán)土釘，其桿體部分與等徑土釘相同，盤(pán)徑為等徑的1.5倍。土釘施工時(shí)，先鉆孔，然后利用一種擴(kuò)孔工具在已鉆好的孔中擴(kuò)孔[11]，插入螺紋鋼筋，灌入水泥漿或水泥砂漿，待其固化后可得到多盤(pán)土釘，如圖1所示，d為桿體段直徑，D為盤(pán)體直徑，h為錨盤(pán)厚度，s為錨盤(pán)間距。

圖1 多盤(pán)土釘示意圖

2 FLAC3D的模型建立

2.1 模型概述

依據(jù)基坑土釘支護(hù)技術(shù)規(guī)程[4]，本模型中土釘豎直與水平間距均取2 m，土體開(kāi)挖時(shí)，基坑側(cè)壁為75°放坡開(kāi)挖，土釘垂直打入坑壁，即土釘與水平面夾角取15°。多盤(pán)土釘共三層，每層設(shè)置8根土釘?；又ёo(hù)結(jié)構(gòu)剖面，見(jiàn)圖2。

圖2 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的剖面

本模型中基坑開(kāi)挖深度為6 m，分三次開(kāi)挖，第一次開(kāi)挖1.5 m，第二次開(kāi)挖2.5 m，第三次開(kāi)挖2 m。多盤(pán)土釘有三層，從上到下分別為：第一層多盤(pán)土釘支護(hù)，其錨頭距離坡頂1 m；第二層多盤(pán)土釘支護(hù)，其錨頭距離坡頂3 m；第三層多盤(pán)土釘支護(hù)，其錨頭距離坡頂5 m。

文獻(xiàn)顯示[12],基坑影響范圍大約為其開(kāi)挖深度的兩倍，因此本基坑模型計(jì)算區(qū)域長(zhǎng)為25.6 m，寬度為16 m，高度為12 m。由土釘支護(hù)規(guī)范可知，鉆孔直徑在75～150 mm[4]，因此本模擬中多盤(pán)土釘?shù)臈U體直徑d取100 mm，擴(kuò)盤(pán)直徑D取為150 mm，長(zhǎng)度L可取為5 m，錨盤(pán)厚度h取100 mm，錨盤(pán)間距s取500 mm，本次模擬采用實(shí)體單元來(lái)模擬全長(zhǎng)錨固的等截面土釘和多盤(pán)土釘。其建模完成后土體模型如圖3所示，材料計(jì)算參數(shù)如表1所示。

圖3 土體模型

表1 土體和土釘參數(shù)表

2.2 邊界條件及基本假定

計(jì)算模型的邊界條件：模型底部邊界豎直和水平方向固定，模型兩側(cè)邊界的水平方向固定，頂部為自由邊界。

基本假定：①土體材料采用Mohr-Coulomb彈塑性準(zhǔn)則計(jì)算；②不考慮開(kāi)挖支護(hù)中產(chǎn)生的誤差以及時(shí)間對(duì)模擬的影響；③由于砂漿面層比較薄，故可忽略該面層的作用；④多盤(pán)土釘采用的是均勻、連續(xù)、各向同性的彈性體；⑤在開(kāi)挖模擬支護(hù)時(shí)，需要在土體與土層之間設(shè)置接觸面，為了給實(shí)際工程提供參考，接觸面的c、φ值取土體的0.5倍，法向剛度和切向剛度取土體等效強(qiáng)度的10倍，其參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 接觸面參數(shù)

2.3 有限差分模型模擬施工工況設(shè)置

運(yùn)用FLAC3D軟件模擬施工工況時(shí)，通過(guò)空單元命令來(lái)模擬開(kāi)挖。本次模擬的施工工況分為 7個(gè)，分別是初始應(yīng)力平衡、第一步開(kāi)挖、第一層土釘施工、第二步開(kāi)挖、第二層土釘施工、第三步開(kāi)挖、第三層土釘施工。

由于實(shí)際監(jiān)測(cè)是在多盤(pán)土釘支護(hù)完成后進(jìn)行的，為了使模擬結(jié)果能夠更好地為實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果提供參考，模擬時(shí)每一步都應(yīng)先進(jìn)行位移歸零后再求解計(jì)算。本次模擬研究多盤(pán)土釘在素填土中的支護(hù)效果，為了避免模擬計(jì)算過(guò)于復(fù)雜，忽略地下水的影響。

3 模擬過(guò)程分析

3.1 多盤(pán)土釘與等截面土釘在基坑邊坡面的水平位移對(duì)比分析

本次模擬中分別通過(guò)FLAC3D命令流監(jiān)測(cè)基坑坑壁靠中間部分的水平位移，并把得到的數(shù)據(jù)繪制成水平位移曲線圖，見(jiàn)圖4、圖5、圖6。

圖4 第一層支護(hù)時(shí)基坑坑壁的水平位移

圖5 第二層支護(hù)時(shí)基坑坑壁水平位移

圖6 第三層支護(hù)時(shí)基坑坑壁水平位移

由圖4可知：在施加第一層多盤(pán)土釘后，坑壁的最大水平位移為1.15 mm，比等徑土釘時(shí)的位移大0.05 mm，兩者均出現(xiàn)在開(kāi)挖深度的三分之二處。但同時(shí)發(fā)現(xiàn)，多盤(pán)土釘模型的支護(hù)面水平位移曲線大體位于等徑土釘?shù)纳戏剑_(kāi)始呈現(xiàn)比等徑土釘位移小的趨勢(shì)。

由圖5可知：在第二次開(kāi)挖后，由于施加了第二層多盤(pán)土釘，開(kāi)挖深度增大，兩種模型支護(hù)下的水平位移已有較為明顯的差距，表現(xiàn)出多盤(pán)土釘支護(hù)坑壁水平位移要小于等徑土釘模型的水平位移。距離地面2.6 m位置處，兩種模型的水平位移均達(dá)到最大值，多盤(pán)土釘支護(hù)時(shí)水平位移最大值為4.11 mm，其位移減少量為20.5%，兩種模型的最大水平位移均出現(xiàn)在基坑開(kāi)挖深度的約三分之二處。

由圖6可知：在第三次支護(hù)時(shí)，開(kāi)挖深度進(jìn)一步增大，兩種模型支護(hù)下的水平位移曲線已經(jīng)表現(xiàn)出非常明顯的差異，錨盤(pán)錨固作用更加明顯。兩種模型的支護(hù)面水平位移最大值均出現(xiàn)在中下部，即出現(xiàn)在距離地面4 m處，位于基坑開(kāi)挖深度的三分之二處，此時(shí)多盤(pán)土釘支護(hù)面最大水平位移值為28.32 mm,比等徑土釘模型的最大值減小63.4%。

綜上可知：隨著基坑開(kāi)挖深度的增大，多盤(pán)土釘?shù)腻^固效果逐漸顯現(xiàn)，并且會(huì)逐漸優(yōu)于等徑土釘，在本次模擬中發(fā)現(xiàn)基坑在最后一步開(kāi)挖時(shí)多盤(pán)土釘支護(hù)下坑壁的水平位移值要遠(yuǎn)小于等徑土釘?shù)乃轿灰浦?，且最大位移減少63.4%。這兩種模型支護(hù)下水平位移最大值發(fā)生在支護(hù)面中部偏下位置，位于開(kāi)挖深度的三分之二處，最小值都出現(xiàn)在基坑坑底處。

3.2 多盤(pán)土釘與等徑土釘?shù)目觾?nèi)土體隆起量對(duì)比分析

本次模擬中通過(guò)設(shè)置命令流分別監(jiān)測(cè)兩種模型最后一層支護(hù)時(shí)的坑底土體單元的靠中間部分的隆起量，并通過(guò)繪圖軟件把其繪制成曲線圖，如圖7所示。

由圖7可知：兩種模型的坑底隆起曲線變化趨勢(shì)基本相同，都是先增大后減??；坑內(nèi)土體在距坑底三分之一處，兩種模型下土體隆起量均達(dá)到最大值，為4.33 mm；兩種模型下的坑內(nèi)土體位移曲線基本重合，由此看出，多盤(pán)土錨對(duì)控制坑內(nèi)土體的隆起量沒(méi)有明顯效果。

圖7 第三層支護(hù)時(shí)基坑內(nèi)土體隆起量

3.3 多盤(pán)土釘與等徑土釘?shù)目油獾乇沓两祵?duì)比分析

對(duì)兩種模型支護(hù)下坑外地表沉降進(jìn)行對(duì)比分析，本次模擬分別在土體單元的靠中間部位設(shè)置一系列監(jiān)測(cè)點(diǎn)來(lái)監(jiān)測(cè)地表沉降量，并把其繪制成曲線圖，見(jiàn)圖8。

圖8 第三次開(kāi)挖時(shí)坑外地表沉降量

由圖8可知：兩種模型在坑頂邊緣處時(shí)，地表沉降量較大；隨著遠(yuǎn)離坑頂，其沉降量逐漸減小。這是因?yàn)橥馏w的開(kāi)挖會(huì)引起坑外土體向坑內(nèi)移動(dòng)，但隨著遠(yuǎn)離坑頂，這種影響會(huì)逐漸變小。多盤(pán)土釘模型下的坑外地表沉降圖幾乎一直在等截面土釘?shù)纳戏剑梢钥闯龆啾P(pán)土釘對(duì)坑外地表沉降的控制要優(yōu)于等徑土釘。多盤(pán)土釘模型下的坑外地表沉降最大值為22.89 mm，而等徑土釘模型下的沉降最大值為67.95 mm，即多盤(pán)土釘模型下的地表沉降最大值減少66.3%。

4 結(jié)論

(1)用多盤(pán)土釘支護(hù)，支護(hù)面的水平位移比普通土釘支護(hù)最大可減少63.4%，并且水平位移最大值均出現(xiàn)在支護(hù)面中部偏下位置，位于開(kāi)挖深度的三分之二處，最小值出現(xiàn)在坑底處。

(2)多盤(pán)土釘支護(hù)和等徑土釘支護(hù)一樣，隆起量都呈先增大后減小的趨勢(shì)，兩者曲線圖基本重合，表明多盤(pán)土釘對(duì)控制坑內(nèi)土體隆起的作用效果不明顯。

(3)多盤(pán)土釘和等徑土釘?shù)目油獾乇沓两底畲笾稻霈F(xiàn)在坑頂邊緣處，多盤(pán)土釘支護(hù)下的沉降量最大值比等徑土釘減少66.3%，隨著與坑頂邊緣距離的增大，沉降量逐漸減小，最后趨于平緩。