微型桩复合土钉墙支护对基坑变形的影响因素分析

微型桩复合土钉墙支护对基坑变形的影响因素分析
摘要：微型桩复合土钉支护工作性能的影响因素众多，如土钉长度、土钉直径、土钉倾角、土钉间距、微型桩直径、微型桩间距、微型桩嵌固深度、土体弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角、坑顶超载大小等，以及这些因素共同作用时影响支护工作性能。

本章将结合MIDAS/GTS有限元软件，对微型桩复合土钉墙支护结构的变形进行分析。

研究分步开挖过程中支护结构变形状态，找出这些影响因素对支护结构变形的影响规律，为工程设计与施工人员提供借鉴。

关键词：微型桩复合土钉基坑变形因素分析
一、计算模型简化与基本假定
1、基本假定
（1）支护范围内，假设土质均匀，土体为弹塑性体，采用Mohr-Coulomb 模型；
（2）支护范围内，不考虑地下水的影响，可以通过基坑降水实现；
（3）基坑坑壁15m内作用均布荷载，荷载值为12KPa；
（4）微型桩为理想弹性体，采用梁单元。

土钉为理性弹性体，采用桁架单元。

面层为理性弹性体，采用板单元。

土钉、面层与周围土体的接触用节点位移耦合模拟。

2、计算模型简化
为了分析基坑开挖过程中各参数对微型桩复合土钉支护的影响，把计算模型做出简化。

基坑采用直立开挖，坑深9m，分6步开挖，每步开挖1.5m，分布开挖后设置土钉和面层。

整个模型高29m，长70米，Y轴方向3.6m，坑底宽度为15m。

6道土钉第1道距坑顶1m，其余各道土钉与上道间隔1.5m（Z轴方向与Y 轴方向）。

二、有限元计算结果分析
1、水平位移
土体的开挖过程也是卸载的过程，引起了土体应力状态的变化，导致坑壁后的土压力作用在支护结构上，使支护结构产生向基坑内的移动。

图1表示基坑开挖各步的水平位移计算值。

从图中可以看出：
（1）水平位移曲线呈现弯曲型变化，在微型桩底部0.5m出现最大水平位移，最大值为25.772mm。

说明微型桩对周围土体的变形约束和土拱作用，阻挡了土
体变形的增长，与土钉、面层共同控制基坑的变形。

（2）第1步开挖时，水平位移较小。

随着分布开挖的进行，基坑开挖深度与位移呈现增大的变化趋势。

由于每步开挖深度相同，从水平位移的增长速度上看，基本相同。

但是在微型桩底部向下，水平位移衰减的速度较快。

图1 各开挖步基坑水平位移计算值
2、地表沉降
复合土钉支护各开挖步坑顶沉降如图2所示。

由于随着基坑开挖的进行，坑壁土体作用下支护结构上的侧压力越来越大，导致开挖面附近土体发生向坑内的倾覆，所以出现临近开挖面较大的沉降变形。

从图中可以得出：
（1）地面沉降曲线呈现马鞍形变化，距基坑一定距离，即14m的地方出现最大凹陷，最大沉降为6.6mm。

（2）第一步开挖时，坑顶的沉降量较小，随着各开挖步的进行，坑顶沉降逐渐增大，在靠近开挖面地方的增大速度加快。

距离开挖面越远，地表的沉降量越小。

图2 各开挖步坑顶竖向位移计算值
3、基坑底部隆起
复合土钉支护各开挖步坑底隆起如图3所示。

随着基坑各开挖步的进行，土体的卸载作用与支护结构后土体侧向土压力的作用，使支护结构产生向基坑内的变形，导致坑底的隆起。

从图中可以看出：
（1）坑底的隆起量随着距开挖面距离的增加而增大，隆起曲线呈现凸起的变形，最大隆起量在距坑壁15m的地方，最大值为97.35mm。

（2）第1步开挖坑底的隆起量较小，随着各开挖步的进行，坑底的隆起量逐渐增大。

由于各开挖步开挖深度相同，同一深度处各步隆起增长速度较为一致。

图3 各开挖步坑底隆起量计算值
三、复合土钉支护结构对基坑变形的影响因素分析
在对简化模型进行内力和变形分析的基础上，研究复合土钉支护的各项参数对支护结构变形的影响，分析其规律变化，对土钉支护结构设计意义重大。

本节通过有限元分析法对复合土钉支护的影响因素进行分析。

模型与简化模型相同，只是改变不同参数分别研究对复合土钉支护结构变形的影响。

1、微型桩对基坑变形的影响
微型桩复合土钉支护中，微型桩的主要作用是超前支护桩，在基坑开挖过程中，加固周围土体，增加周围土体刚度，约束坑壁后的土体侧向变形。

通过控制周围土体变形，增加基坑支护结构的整体刚度和抗倾覆能力。

（1）加设微型桩对基坑变形的影响
A、水平位移
图4表示微型桩加设对基坑水平位移的影响，从图中可以得出：
未加设微型桩时，基坑最大水平位移为27.481mm，加设微型桩后，基坑最大水平位移为25.772mm。

加设微型桩比纯土钉墙支护结构的水平位移要小，说明微型桩的存在一定程度上抑制了基坑的侧向变形。

基坑中下部和微型桩底部深度的水平位移增加量对基坑其它地方的水平位移增加量要明显。

微型桩的存在，可以加固周围土体，增加周围土体的刚度和支护结构抗滑移能力，约束基坑的侧向变形。

图4 微型桩对水平位移的影响
B、地面沉降和坑底隆起
图5表示微型桩对坑顶地表沉降的影响。

图6表示微型桩对坑底隆起的影响。

从图中可以得出：
未加设微型桩时，坑顶最大沉降为8.743mm、最大隆起为102.748mm，加设微型桩后，坑顶最大沉降为 6.6mm、最大隆起为97.35mm。

加设微型桩可以减小基坑的沉降，但是对沉降影响的效果不明显。

微型桩主要是约束基坑的侧向变形，增加基坑的抗滑移能力。

由于微型桩的存在，增加了周围土体的刚度，使基坑在开挖过程中的侧向变形受到约束，坑壁后土体向基坑内的滑动受到约束，沉降相对减小。

图5 微型桩对坑顶地表沉降的影响图6 微型桩对坑底隆起的影响
（2）微型桩直径对基坑变形的影响
为研究微型桩直径对基坑深层水平位移的影响，选取直径为100～200mm五种情况进行分析。

图7表示不同微型桩直径情况下最后开挖步深层水平位移的变化，图8表示微型桩直径与最大水平位移之间的关系。

微型桩直径对基坑顶面沉降和坑底隆起影响较小，在此不考虑微型桩直径对竖向位移的影响。

从图中可以得出：
A、随着微型桩直径的增加，基坑深层水平位移随之减小。

在微型桩直径较小时，基坑的最大水平位移发展较快，在直径加大到150mm时，微型桩直径的增加对基坑最大水平位移的约束作用已经不明显。

B、微型桩加固了周围土体，增大了周围土体的刚度，并通过桩对周围土体的变形阻挡，约束周围土体沿基坑内的变形，减小土体最大位移。

但是微型桩对基坑水平位移的约束作用有限。

从工程安全和经济性考虑，微型桩直径宜取150～200mm。

图7微型桩直径对基坑水平位移的影响图8不同微型桩直径基坑最大水平位移
2、土钉水平间距对基坑变形的影响
为研究土钉间距对基坑变形的影响，选取土钉间距为1m～2m。

图9和图10表示土钉间距对基坑最后水平位移的影响，从图中得出：
（1）土钉间距的加大，基坑水平位移随之加大。

水平位移在土钉间距较密时，水平位移增加速度缓慢，在间距1.5m以后，水平位移的增加较快。

（2）土钉的存在，通过土钉与土体的摩擦，实现土体应力传递、应力消散，增加对土体的约束变形控制。

土钉间距较密时，土钉间土拱作用明显，约束作用较强，当土钉的间距增大到一定程度时，土钉对周围土体的约束能力降低，增强作用不再明显。

从基坑安全性与经济性考虑，土钉的间距在1.2～1.5m合理。

图9 土钉间距对基坑水平位移的影响图10 不同土钉间距基坑最大水平位移平位移
小结
本章通过简化的微型桩复合土钉支护模型，研究微型桩对复合土钉支护结构的影响。

通过三维复合土钉简化模型，得出微型桩复合土钉支护随着各开挖步的进行，基坑变形的一般规律。

坑的水平位移曲线呈现弯曲形，最大位移出现在基坑中下部和微型桩底部附近。

随着开挖深度的增加，水平位移逐渐增大，在微型桩嵌固深度向下，水平位移的衰减速度较快。

参考文献
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