基坑工程土钉支护优化设计

苏 亮

（湖南水利水电职业技术学院 长沙市 410131）

引 言

土钉技术作为一种主动受力支挡结构出现在20世纪70年代，是用于加固土体和保持边坡稳定的一种新型内部加固技术，具有经济、可靠和施工快等优点，因此应用十分广泛[1-4]。然而很多传统的基坑土钉支护工程设计中，虽然采用的各种方法寻找滑动面的具体位置，但是最终的设计方案均采用等长度的土钉对基坑进行加固处理[5-8]。虽然这种传统的方法很好地解决了基坑稳定性的问题，但是设计仅仅基于经验而缺乏合理的科学依据，且传统的设计方法往往造成材料的浪费，因此，很有必要对基坑土钉支护工程进行优化设计。

1 算例分析

1.1 模型尺寸、边界条件、材料参数设定

某调水工程一建筑基坑开挖深度为10m，其计算区域几何尺寸和分析模型如图1所示，该基坑底部土体为均质土体，基坑内部无地下水及渗流等水头作用。在基坑开挖过程中按照设计要求采用5层土钉对该基坑进行支护，其中每层土钉的设计长度均为8m，土钉在基坑内部横向布置间距为1m，纵向布设间距为1.5m，第一层土钉距离地表距离为2m。

图1 土钉支护分析模型

1.2 数值计算结果分析

由于该基坑距离相对较长，且断面尺寸在长距离范围内基本保持不变，因此在用商业软件对基坑土钉支护进行数值计算的过程中，假定该基坑为平面应变问题，在二维范围内进行数值计算。

该工程土钉支护的前后数值计算模型如图2所示，本计算模型的边界处理过程中，参考工程的实际情况，在模型左右两侧施加横向位移约束，在模型底部施加纵向位移约束，未开挖侧顶部受一均布荷载。在数值计算过程中，土体采用传统的摩尔库伦模型，混凝土层选用线弹性本构模型，土体、地基及混凝土的材料性能参数如表1。

图2 支护前后数值计算模型

表1 材料参数表

通过数值计算可得该基坑工程在利用土钉支护前后的安全系数值及滑动区域的相对大小如图3所示。通过图中数据可知，基坑在未加固之前安全系数为0.630，处于极不安全的状态，在利用设计方案对工程加固之后，基坑安全系数明显增大，边坡处于相对稳定的状态。

图3 支护前后数值计算结果

3 安全系数的敏感性分析

由图3中所示的基坑土钉支护后数值模拟结果可知，由于土体内部的滑动面大致呈弧形，而设计支护方案中采用相等长度的土钉进行基坑加固，这一设计方案虽然很好地提高了基坑的安全性和稳定性，但是也导致了基坑底部位置的土钉由于超出滑动弧面距离过长而处于“闲置”状态。这种传统的设计方法不仅导致材料的浪费，而且增加了工程施工的工作量，因此笔者借助敏感性分析方法针对这一问题进行了优化。

3.1 土钉布设角度、间距及长度对安全系数影响

土钉外部参数设置对基坑稳定性的敏感性分析中，以基坑的安全系数为研究对象，采用单因素分析法探究基坑安全系数随土钉的角度、间距及长度变化过程中的变化规律。

选取与上文相同的基坑模型及材料力学特性参数对基坑稳定性进行数值计算，在保持土钉断面面积、力学性能参数、支护数目等条件不变的情况下，分别选取土钉支护的角度、间距以及长度作为变动因素，探究不同支护方案下的边坡稳定性，具体计算工况的设定如表2。

表2 土钉支护单因素分析表

通过数值计算可得不同工况条件下的基坑安全系数随土钉角度、间距和长度的变化曲线如图4所示。由图中数据可知，土钉间距、长度保持不变时，基坑安全系数随土钉支护角度变化大致呈线性变化，但是变化幅度相对较小；当土钉支护角度、长度为保持不变时，基坑安全系数随土钉间距变化大致呈线性变化，且变化幅度比较明显；当土钉支护角度、间距保持不变时，基坑安全系数随土钉长度变化大致呈线性变化，变化幅度较大。因此在土钉支护设计中应优先考虑土钉长度和布设间距两个因素，次要考虑土钉支护角度。

3.2 土钉支护优化设计

为了充分利用材料节省工期及工程成本，以未加任何支护的基坑滑动面为基础，参考滑动面使土钉的长度依次递减且成弧形排布，以此减少基坑底部土钉的冗余部分，使所有材料均能在支护过程中有效地发挥作用。以该调水工程为例进行优化设计，通过数值计算可得基坑未加支护时的最大滑动面如图4所示，按照支护设计方案选取支护点进行弧形边长度土钉支护如图5所示，已知该滑动弧面的圆心及半径并结合计算模型的尺寸参数可得图中从上到下各层支护土钉的长度分别为：13.5m、11.8m、10 m、8.0m、5.4m。

图4 土钉布设参数敏感性分析图

图5 土钉支护优化设计图

为了与传统的等长土钉支护设计方案进行对比分析，笔者选取传统方式的土钉支护角度为0°，间距为1.5m，支护土钉长度为8m。在两种方法的对比分析中，保持土钉支护总长度保持不变，利用等比关系计算可得弧形递减支护方式下各层土钉的长度依次为：11.2m、9.8m、8.3m、6.6m、4.5m。

通过数值计算可得两种条件下的土钉支护结果如图6所示，传统支护方式的基坑安全系数为1.113，与优化后的基坑支护方式所得安全系数1.228相比较而言明显偏小。通过图中安全系数在0～1.25范围内的滑动面范围对比分析可知，采用新型支护方式后的基坑滑动面安全系数明显提高，对基坑的安全稳定更加有利，证明这种新型的支护方法较传统的方式更优。

图6 不同支护效果对比分析

4 结 论

本文以某调水工程中的基坑支护工程为例，利用数值计算的方法说明了土钉支护在提高基坑安全稳定性方面的有效性。在此基础上，结合影响基坑稳定性的土钉外部参数的敏感性分析，得到了该工程基坑安全系数随土钉支护各因素变化的规律性方程。最后，提出了基于基坑原始滑动面的土钉支护优化设计方案，并与传统的优化设计方案进行了同等条件下的对比分析，结果表明新型的土钉支护方案有效可行且效果更优，可为后期工程设计及基坑稳定性防治提供有效的参考依据。

[1]钟正雄.土钉挡墙技术的发展与研究[J].工程勘察，1999，（6）：19-23.

[2]李林山.喷锚支护与土钉墙[J].岩土工程技术，1998，（3）：24-26.

[3]王士川.土钉支护结构的拉剪联合作用分析[J].西安建筑科技大学学报（自然科学版），1999，32：215-218.

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[5]张明聚，宋二祥，陈肇元.土钉支护的三维非线性有限元分析[J].工程力学，1998，（增刊）：341-346.

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