0 引言

　　 复合土钉支护作为一种基坑支护形式,近年来在工程实践中得到了广泛应用 ^[1],也取得了一定的研究成果,赵德刚等 ^[2]利用有限元软件建立模型,分析了复合土钉墙的变形特性与稳定性;惠趁意等 ^[3]根据复合土钉支护结构和稳定性安全系数的关系假定滑动面为抛物线形,利用几何关系和积分法建立了最危险滑移面搜索模型,推导了稳定性系数的求解公式; 刘日成等 ^[4]利用有限差分软件建立模型,预测基坑滑裂面位置并分析了土钉和锚索的受力机理;熊宗喜等 ^[5]利用FLAC^3D数值计算软件对基坑施工过程中预应力锚索复合土钉支护形式和纯土钉支护形式的工作机理进行对比研究。以上研究成果极大地推动复合土钉技术的发展与应用,但以上成果大多涉及深度小于15m的软土基坑和黏性土基坑,由于《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》(GB 50086—2015)不推荐复合土钉在深度大于15m的基坑中进行应用,所以关于黄土地区深度大于15m基坑复合土钉支护的研究较少,导致对黄土地区复合土钉支护超深基坑的适用性与变形特性也不十分清楚。虽然复合土钉技术已经逐渐开始应用于黄土地区大于15m的深基坑工程,但理论仍落后于工程实践。同时已有的相关成果对复合土钉设计贡献相对较少,一些复合土钉设计由于缺乏相关理论支撑仍然偏于保守,给工程带来一定浪费。随着西部大开发和“一带一路”建设的力度加大,西部黄土地区深基坑工程将会越来越多,而复合土钉由于其良好的经济性和适用性必将得到更加广泛的应用,所以开展黄土地区深基坑复合土钉的研究并提出能指导工程实践的相应理论成为热点问题。

　　 本文以陕西渭南某深度达16.8m深基坑工程为背景,依据现场试验数据,分析该场地在复合土钉支护情况下基坑的水平位移与沉降,直观判断基坑支护效果,并依据不同开挖步下土钉内力变化,得出土钉应用于黄土深基坑的变化规律。依据数值模拟手段,对比纯土钉与复合土钉加固黄土基坑效果,并提出相应优化建议。所得结论可为复合土钉在黄土地区的应用提供理论参考。

1 现场监测

1.1 工程概况

　　 该深基坑项目位于陕西省渭南市,东临仓程路,西临西华路。由公寓式办公楼和商铺组成,地面绝对标高348.29～353.91m之间,高差约4.5～5.0m。公寓式办公楼属湿陷性黄土地区甲类建筑,建筑抗震设防类别为标准设防类(丙类); 拟建商铺属湿陷性黄土地区乙类建筑; 建筑抗震设防类别为重点设防类(乙类); 地基基础设计等级为甲级; 岩土工程勘察等级均为乙级。基坑南北长约56m,东西宽约58m,基坑最深处16.8m,基坑坑壁呈75°,基坑东侧约15m处有一条自行车道与正常行车道。基坑采用复合土钉墙支护方式,支护结构参数见表1,2,基坑剖面见图1。

　　 土钉参数情况 表1

土钉参数	距基坑顶面 距离/m	土钉长度 /m	钢筋等级	钢筋直径 /mm
第一排土钉	1.4	9.5	HRB400	12
第二排土钉	3.1	9.5	HRB400	12
第三排土钉	4.9	10	HRB400	16
第四排土钉	9.6	10.5	HRB400	20
第五排土钉	11.9	9.5	HRB400	22
第六排土钉	14.5	9.5	HRB400	28

 

　　  

　　 锚索参数情况 表2

锚索参数	距基坑顶面 距离/m	自由段 长度/m	锚杆设计 长度/m	钢绞线 根数	钢绞线直 径/mm
第一排锚索	6.5	5.00	9.5	3	15.2
第二排锚索	8.8	5.00	11.5	3	15.2
第三排锚索	11.1	5.00	12.5	3	15.2
第四排锚索	13.4	5.00	12.0	4	15.2
第五排锚索	15.9	5.00	15.0	3	15.2

 

　　  

　　 图1 基坑支护剖面   

　　  

1.2 地层简介与施工进度

　　 根据地勘报告得知,在场地地面以下75m深度内土层主要由素填土、黄土状土、粉质黏土、细砂、中砂等组成,各土层分布见表3。基坑在施工中边开挖边支护,其施工进度见表4。

1.3 监测方案

1.3.1 监测范围、对象

　　 基坑开挖对周边环境的影响范围一般为2倍左右基坑开挖深度,本基坑开挖深度最大为16.8m,监测范围为基坑周边外30m范围。

　　 本工程基坑监测包括两部分:1)基坑周边环境监测; 2)围护结构稳定性监测。

　　 土层分布 表3

名称	时代 成因	图例	厚度/m	主要岩性及特征
素填土	Qml44ml		0.4～1.2	褐色,坚硬。该层以黏性土为主并混有少量建筑垃圾,土质不均匀,土体结构松散
黄土 状土①	Qel33el		2.0～8.6	褐黄色,该层土主要以硬塑为主,局部可塑或坚硬,具有虫孔大空,并含有少量铁锰氧化物,具有湿陷性
黄土 状土②	Qel33el		3.7～9.7	褐黄色,可塑为主,局部硬塑,具有虫孔及针状孔隙,含蜗牛壳、铁锰质氧化物、少量砂粒,不具湿陷性。该层在场地内普遍分布
细砂	Qal44al		0.7～2.5	灰黄色,稍湿,中密,矿物成分以石英、长石为主,含云母片,级配不良
中砂	Qal44al		0.3～3.4	灰黄色,稍湿,饱和,中密,矿物成份以石英、长石为主,含云母片,级配不良。该层在场地内普遍分布
粉质 黏土	Qal33al		6.1～18	灰黄色,可塑,含云母片,零星钙质结核,氧化铁。该层在场地内以透镜体形式出现

 

　　  

　　 施工进度 表4

开挖 阶段	工期/d	施工内容
第一开 挖阶段	0～10	土方开挖至相对标高-3.5m,施工第一排土钉与第一排锚索,锚索施加预应力200kN
第二开 挖阶段	10～25	土方开挖至-7.0m,施工第二、三排土钉与第二排锚索,锚索施加预应力200kN
第三开 挖阶段	25～40	土方开挖至-10.5m,施工第四排土钉与第三排锚索,锚索施加预应力200kN
第四开 挖阶段	40～60	土方开挖至-13.5m,施工第五排土钉与第四排锚索,锚索施加预应力200kN
第五开 挖阶段	60～80	土方开挖至-16.8m,施工第六排土钉与第五排锚索,锚索施加预应力200kN

 

　　  

1.3.2 监测内容

(1)周边环境监测内容包括:

　　 周边管线及道路监测; 周边建筑物监测。

(2)围护结构稳定性监测包括:

　　 基坑顶部沉降与水平位移监测; 坑外土体深层水平位移监测(测斜); 预应力锚杆及土钉的拉力监测。

1.3.3 监测工作量

　　 本项目共布置深层土体侧向位移(测斜孔)监测点(CX01～CX07)7个,深度为24m; 布置道路地面沉降监测点(CJ01～CJ08)8个; 布置基坑顶部沉降与水平位移监测点(JZ01～JZ23)23个。基坑及道路监测点布置见图2。

　　 现场土钉拉力监测点处共布置应力计6组,共24个。土钉及测斜管监测布置见图3。

　　 图2 基坑及道路监测点布置局部示意图   

　　  

　　 图3 土钉及测斜管监测布置示意图   

　　  

1.4 监测数据分析

1.4.1 基坑位移分析

　　 结合实际情况,本文选取90d内监测数据进行分析 ^[6,7,8,9]。典型测斜孔(CX05号测斜孔)水平位移随时间发展曲线如图4所示,其中负位移代表向基坑内倾斜,正位移代表向基坑外倾斜,余同。CX05号测斜孔曲线呈现典型的“鼓肚”形,随着开挖的进行,水平位移呈现先增大后减小的趋势,最大水平位移发生在开挖第20d后,位于基坑的3/4深度处,最大水平位移量为22.55mm; 其中在距离基坑顶部8m的位置水平位移向基坑外部倾斜,最大水平位移量为7.17mm,分析原因为锚索在施加预应力时造成该处基坑向外部倾斜; 开挖完成后,基坑侧向位移稳定,开挖过程中基坑始终处于安全范围内,证明该基坑锚索+土钉的复合土钉支护效果较好。

　　 基坑竖向位移随时间变化曲线如图5所示。其中负值代表沉降,正值代表隆起,余同。整体变化趋势为先减小后趋于稳定,最大沉降量为0.64mm,远低于安全值,说明复合土钉对黄土基坑潜在滑裂面的加固效果良好,基坑最大沉降量约占基坑最大水平位移量的1/37,表示复合土钉支护对基坑沉降量的控制效果较好。

　　 图4 典型测斜孔水平位移随时间 发展曲线  

　　  

　　 图5 典型沉降测点竖向位移随时间 变化曲线  

　　  

　　 图6 道路沉降测点竖向位移随时间 变化曲线  

　　  

　　 图7 各排土钉内力变化曲线  

　　  

1.4.2 周边道路位移分析

　　 道路沉降测点竖向位移随时间变化曲线如图6所示。由图2可知,相对于测点CJ01～CJ04,测点CJ05～CJ08距离基坑较近。由图6可知,各测点的沉降变化具有一定的一致性,具体表现为先减小后增大再趋于稳定,最大沉降量为0.4mm; 其中沉降变化量均显示出一定程度的不规律性,分析原因为由于道路受到地下水位变化和路面动荷载作用,故监测数据有一定波动,但其变形量很小,说明复合土钉支护情况下,基坑开挖施工对周边道路影响有限。

　　 结合基坑水平位移、基坑沉降变形和基坑旁道路沉降分析得出,其变形量均在安全控制范围内,复合土钉支护黄土基坑效果良好,可在大于15m的超深基坑中进行应用。

1.4.3 土钉轴力监测及分析

　　 图7为开挖完成后各层土钉轴力随着距土钉端点距离变化曲线。土钉轴力呈现先增加后减小的“枣核型”变化规律,随着土钉层数的增加,土钉的轴力逐渐增加,其中第一排与第二排土钉,第二排与第三排土钉之间轴力增加幅度较大,而第三排与第四排土钉,第四排与第五排土钉之间轴力增加幅度较小。分析原因为:在基坑开挖开始阶段,由于锚索与土钉数量较少,其支护体系尚未建立完全,基坑变形幅度增加较快; 而在基坑开挖后期,由于锚索+土钉的复合土钉支护体系充分发挥作用,有效地抑制了基坑变形,降低了基坑变形幅度,土钉轴力增加缓慢。第六排土钉轴力相对前五排土钉轴力发生突变增长,轴力最大为72kN。分析原因为:第六排土钉的加固区域恰好进入砂层,砂层黏聚力很小,使土压力增加幅度较大,基坑变形较大,故轴力产生突变增加。各排土钉轴力随着基坑开挖深度的增加而增加,同时最大轴力位置向土钉尾部移动。分析原因为:随着基坑的开挖,基坑水平位移逐渐增大,更多的土体参与到拉伸土钉的过程中,基坑滑裂面向后移动并有扩张增大的趋势,土钉被拉伸的区域增加,土钉最大轴力点位置向土钉尾部移动,而土钉最大轴力点位置连线可视作基坑潜在滑裂面。故土钉轴力最大点位置越靠后,则基坑安全性越难保障,实际施工时,可依据土钉的轴力监测实时判断基坑的安全性。

　　 图8 计算模型图   

　　 图9 基坑水平位移随开挖阶段 变化曲线   

　　  

　　 图10 复合土钉支护结构土钉轴力 变化曲线  

　　  

　　 图11 纯土钉支护结构土钉轴力 变化曲线  

　　  

2 数值模拟

2.1 模型建立与参数选取

　　 本文采用MIDAS GTS软件进行二维数值模拟运算。计算模型图如图8所示,计算模型的总体尺寸为42m×30m,实体单元为5 886个,节点为6 071个。两侧边界采用水平铰支约束,下端边界采用固定约束。土体本构模型选取摩尔-库伦模型,土钉及锚索均采用线弹性模型,土钉单元采用直线镶植入式桁架单元来模拟,植入式桁架单元考虑了土钉与周边土体的接触,土钉会伴随着土体位移而产生位移,并发生轴力变化。锚索施加200kN预应力。根据地勘报告以及周围环境堆载(q=20kPa),各层土体中土钉和土体之间的参数按表5取值。

2.2 模拟数据分析

2.2.1 模型验证

　　 图9为基坑水平位移随开挖次数变化曲线,随着开挖次数的增加,基坑水平位移不断增加,鼓肚形特征显著性增强,最大水平位移发生在第五开挖阶段完成后,最大位移量为24.61mm; 同时随着开挖次数的增加,每次开挖的最大水平位移所对应的位置逐渐下移,变化值从第一开挖阶段对应的位置深度12m到第五开挖阶段对应的位置深度15m,说明开挖卸荷造成土压力增加,潜在滑裂面位置向基坑外部延伸扩大。与图4对比分析,监测值与模拟值虽然变化趋势存在差异(这是由于实际施工与模拟计算存在区别),但数值及大体趋势相差不大,说明本文数值计算的合理性 ^[10,11]。

　　  

　　 基坑参数 表5

参数	杂填土	黄土状 土①	黄土状 土②	中砂	预应力 锚索	土钉
厚度/mm	700	6 800	6 300	6 200	—	—
黏聚力/kPa	8	22	25	0	—	—
内摩擦角/°	10	18	20	30	—	—
重度/(kN/m3)	16.8	16.2	18.3	21	—	—
弹性模量 /(kN/m2)	—	—	—	—	2.25×108	2.25×108
变形模量/MPa	10.3	12.7	14.5	11.5	—	—
泊松比	0.35	0.31	0.30	0.32	0.15	0.15

 

　　  

2.2.2 纯土钉与复合土钉对比分析

　　 通过计算模拟分析,探究锚杆(索)在复合土钉支护结构中的作用,得到的基坑开挖过程中复合土钉支护结构与纯土钉支护结构土钉轴力变化曲线分别如图10,11所示。

　　 由图10,11可知,锚杆(索)+土钉的复合土钉支护结构可有效降低土钉轴力,大大减小支护风险,土钉轴力最大降低52.3%。分析原因为:锚杆(索)植入土体,大大降低了基坑的侧向位移,土体向土钉的内力传递得到了有效控制,使得土钉轴力下降。同时从图10,11可以看出,与纯土钉支护结构相比,复合土钉轴力最大点位置更靠近面层,由于土钉轴力最大点位置的连线可视作基坑的潜在滑裂面,而锚杆(索)的存在有效控制了基坑水平位移,拉伸土钉的土体得到了减少,使得土钉轴力最大点位置前移,说明基坑潜在滑裂面位置与规模在锚杆(索)的作用下得到了有效控制,其支护效果明显。

　　 图12 监测点选取示意图   

　　  

　　 图13 第一开挖阶段监测线各点水平位移   

　　  

　　 图14 第二至五开挖阶段下不同深度监测线各点水平位移  

　　  

　　 同时可以看出,第一排至第四排土钉轴力增长变化较均匀,但第五排与第六排土钉轴力增长变化较大,说明基坑变形在下部较大、上部较小。在设计中应对上部支护结构进行优化,而对下部支护结构进行加强设计。

2.3 优化设计

　　 等间距选择不同基坑深度设置监测线1～5,每条监测线上等间距设置18个监测点,如图12所示。在每个开挖阶段完成后获取整个监测线水平位移。图13,14为不同开挖阶段下不同深度监测线的水平位移曲线。0～18m监测线长度对应基坑由坑内到坑外。

　　 由图13,14可知,基坑的深度与水平位移呈现正相关关系,且随着基坑监测线长度的延长,位移量不断减小; 在监测线长度约8m以前,位移量减小幅度较小,当监测线长度超过8m后,位移量减小幅度开始增加。将各开挖阶段水平位移变化幅度近似或相同的点用斜直线相连,如图15所示。

　　 由图15可知,不同开挖阶段形成的水平位移等幅度变化线与基坑顶部、基坑侧壁成三角形,三角区域内土体水平位移变化幅度相同。在经过土钉加固后,三角区域内土体可视作仰斜式挡土墙,土钉的植入增加了挡土墙的黏聚力与内摩擦角,增强了挡土墙的强度,而锚索作用在于固定仰斜式挡土墙,限制挡土墙水平位移,减少土体拉伸土钉的规模。

　　 所以进行黄土基坑锚索+土钉设计时,可优化基坑上部锚索设计,将锚固区域集中在基坑中下部,基坑上部支护可由土钉代替,如图16所示。

　　 图15 不同开挖阶段下基坑水平位移等幅度变化线  

　　  

　　 图16 复合土钉优化设计建议图  

　　  

3 结论

　　 本文通过对陕西渭南地区某深基坑的现场监测与数值模拟,研究了基坑及支护结构的变形规律,主要得到以下结论:

　　 (1)锚索+土钉的复合土钉支护可有效地抑制黄土深基坑自身及周边环境的变形; 整个施工过程中,变形量始终处于警戒值范围内,满足变形控制要求,表明复合土钉支护结构在黄土地区深基坑的适用性较好。

　　 (2)随着基坑开挖,土钉最大轴力点位置向土钉尾部移动。而土钉最大轴力点位置连线可视为基坑滑裂面,故可依据土钉轴力监测判断基坑安全性,即土钉最大轴力位置越靠后,则基坑安全性越低。

　　 (3)与纯土钉支护结构相比,土钉与锚杆(索)交叉设计的复合土钉支护结构可降低土钉轴力52.3%,同时由于锚杆(索)限制了基坑水平位移,使得土钉最大轴力点位置前移,滑裂面规模减小。

　　 (4)土钉+锚索支护体系可优化为仰斜式挡土墙+锚索支护,基坑上部位移较小,锚索锚固能力未完全发挥,具有一定优化空间。