土釘墻支護基坑邊坡的穩定性及影響因素分析

羅遠明

(廣州華立科技職業學院， 廣東 廣州 511325)

土釘墻通過土釘與土的共同作用形成復合體，提高土體的整體穩定性，對基坑邊坡起到支護作用。因其結構輕型、柔性大、施工簡單、造價低等特點，在基坑工程中得到廣泛應用。針對深基坑中土釘墻的支護問題，單仁亮等通過對基坑開挖與土釘墻支護過程的數值模擬，發現基坑開挖過程中土釘墻的水平位移呈“勺形”分布且底部大于頂部，墻體水平位移最大處附近的土釘軸力最大，基坑土體為粉質砂土時在地面超載作用下土釘墻的破壞形式為體內破壞，滑裂面周圍土體出現下滑；秦會來等研究土釘墻底部土體發生地基承載力失穩的破壞模式、破壞荷載及土釘墻墻底應力分布特點，發現傳統剛性淺基礎的地基承載力的Meyerhof解比Vesic解更接近實際，進而提出了土釘墻地基承載力計算的合理模式；段堅堤等通過三軸試驗和數值模擬，分析了土釘邊坡的支護效果和水對土釘邊坡變形的影響，結果表明土釘支護邊坡可減少1/3的水平位移，且未支護邊坡的最大位移發生在坡腳，土釘支護邊坡的最大位移發生在坡頂。目前主要對土釘墻支護結構的加固效果及變形特征進行分析，而基于實際工程的土釘墻優化設計還有待深入研究。該文以廣州市某深基坑工程為例，基于數值模擬和現場監測結果，對土釘墻支護基坑的穩定性及受力變形進行分析，研究土釘長度、土釘橫向間距、土釘入射角度等支護結構參數對基坑支護體系穩定性與變形的影響。

1 工程概況

廣州市某建筑有5棟多層辦公樓及3層地下室，其中深基坑工程呈梯形，總開挖面積約7 200 m2，基坑周長378 m，基坑四側為空曠平地，開挖深度1.00～8.0 m，根據《建筑基坑支護技術規程》，判定該基坑周邊環境等級為二級?？紤]到該基坑開挖深度較大，且支護結構破壞對主體結構施工影響嚴重，支護結構四周安全等級均采用二級。

工程場地屬于珠江三角洲沖積平原地貌，地勢較平坦，但局部還需整平，地面標高為41.27～48.95 m，最大高差7.68 m。場地內主要覆蓋地層有人工填土層(Q4ml)、第四系全新統沖洪積層(Q4al+pl)、第四系殘積層(Qel)，下伏基巖為燕山期花崗巖(γ)地層?；娱_挖范圍內土層分布見表1。

表1 巖土層分布及材料參數

地下水主要有2層，分別為上層滯水、基巖裂隙水(為潛水)，補償來源為大氣降水與地表水。由于地處亞熱帶季風氣候區，溫暖潮濕，雨量充沛，地下水位波動較大，場地內穩定地下水位埋深為1.50～3.50 m。

2 基坑支護結構設計

基坑工程支護結構設計思路是保證支護體系在基坑開挖和主體結構施工中安全可靠，結構穩定，變形可控。在基坑的北側、西側和東側采用淺部填土放坡+排樁+錨索的聯合支護形式，其中：放坡坡率為1∶2，坡面掛直徑6.5 mm、縱橫間距為200 mm的鋼筋網，噴射100 mm厚C20細石砼；排樁樁徑為1 m，樁間距為1. 3 m；錨索采用由3束7條直徑5 mm鋼絲扎成的低松弛1860級預應力鋼絞線，錨固力為300 kN，錨固長度14 m，自由段為6 m。

基坑南側和東南側均采用土釘墻支護，坡面坡率為1∶1，共設5排土釘，水平傾角為15°，豎向間距1.2 m，水平間距1.3 m，孔徑100 mm。由上至下前2排的土釘長度均為12 m，后3排的土釘長度均為8 m，中心拉桿采用直徑25 mm的鋼筋，孔內貫入水灰比為0.5的水泥漿。土釘墻支護結構見圖1。

圖1 土釘墻支護結構剖面圖(單位：mm)

3 土釘墻基坑安全性分析

3.1 土釘墻基坑整體穩定性分析

根據《建筑邊坡工程技術規范》的要求，采用畢肖普法對土釘墻支護段的基坑進行整體穩定性驗算，各工況下基坑安全系數見表2。

表2 各工況下土釘墻穩定性計算結果

由表2可知：各開挖工況下土釘墻支護段的基坑安全系數均滿足Fst>1.30的要求。

3.2 基坑坡頂變形分析

基坑開挖過程中土釘墻坡頂的水平位移和沉降變化見圖2。

圖2 基坑頂的變形

由圖2可知：在基坑開挖過程中，坡頂產生了一定變形。相對來說，沉降值大于水平位移值，現場實測變形量小于計算變形量。隨著開挖深度的增加，坡頂水平位移和沉降增大。開挖到坑底時，坡頂水平位移和沉降達到最大，分別為10.9和13.8 mm，而實測值分別為8.9和10.7 mm?？梢姡谡麄€開挖過程中，土釘墻支護段坑頂的變形量較小，滿足設計要求。

3.3 土釘抗拔承載力分析

基坑開挖過程中土釘的軸力變化見圖3。

圖3 土釘的軸力變化

由圖3可知：隨著開挖深度的增加，各排土釘的軸力增大。第1排土釘在各開挖工況下的軸力最大，基坑開挖至坑底時，其最大軸力為41.35 kN。主要是因為第1排土釘錨固最深，其承受的荷載更大。隨著開挖深度的增加，土體變形越大，土釘的被動受力也越大。各排土釘在剛植入時，軸力增長速率較小，隨著開挖深度的增加，增幅逐漸增大。這是因為第2排土釘植入時，土方開挖引起的側向土壓力增量主要由前一排土釘承擔，作用在第2排土釘上的土壓力較小。此外，各排土釘的軸力均遠小于其抗拔承載力標準值，滿足設計要求。

4 土釘墻支護基坑邊坡的影響因素分析

為探索基坑最優支護方法，采用單因素分析法，將土釘墻支護中不同土釘長度、土釘橫向間距及入射角度作為研究參數，計算不同工況下基坑邊坡的安全系數和坡頂變形。

4.1 土釘長度的影響

為充分發揮土釘對土體的加固作用，同時避免材料浪費，取不同土釘長度(見表3)進行分析，計算得到土釘墻在各開挖工況下基坑邊坡安全系數及坡頂變形(見圖4～6)。

表3 土釘長度計算方案

圖4 坡頂安全系數與土釘長度的關系

從圖4可以看出：隨著基坑開挖深度的增加，坡頂安全系數降低，但下降速率逐漸減緩。基坑開挖至3.2 m深度時，方案5下基坑邊坡的安全系數比其他方案下降更快；開挖至坑底時，方案5下邊坡的安全系數為1.14，不滿足要求。其他方案在各開挖工況下邊坡的安全系數非常接近。說明增加土釘長度能在一定程度上提高邊坡的安全系數，但土釘長度較大時，土釘長度的增加已無助于提高基坑邊坡的安全性。

由圖5可知：隨著基坑開挖深度的增加，邊坡坡頂的水平位移增大，且水平位移增長速率不斷提高。其中方案5下坡頂的水平位移最大，基坑開挖至坑底時，坡頂水平位移達到25.2 mm；其次是方案4，坡頂最大水平位移為13.8 mm；方案1～3下坡頂最大水平位移分別為10.8、11.1、11.9 mm?？梢姡玲旈L度增加能有效減少基坑邊坡坡頂的水平位移，但土釘長度超過某一限值時，繼續增加土釘長度，對坡頂水平位移的限制作用會逐漸減弱。另外，“上長下短”的土釘布置形式優于“下長上短”的布置形式。

圖5 坑頂水平位移與土釘長度的關系

由圖6可知：基坑坡頂的沉降及其沉降速率隨基坑開挖深度的增加而增大。開挖到坑底時，方案5下坡頂沉降為26.5 mm，方案1～4下坡頂沉降分別13.3、14.0、14.7、15.7mm?？梢?，土釘長度增加能在一定程度上減少坡頂沉降，但土釘長度超過一定限值時，繼續增加土釘長度對坡頂沉降的控制作用已不明顯。

圖6 坡頂沉降與土釘長度的關系

4.2 土釘橫向間距的影響

分別取土釘橫向間距為1.0、1.2、1.4、1.6 m進行模擬，不同土釘橫向間距時基坑邊坡的安全系數和坡頂變形見圖7～9。

圖7 邊坡安全系數與土釘橫向間距的關系

由圖7可知：開挖越深，基坑邊坡的安全系數越低，但安全系數下降速率隨開挖深度的增加逐漸放緩?；娱_挖至坑底(6.1 m)時，土釘橫向間距1.0、1.2、1.4、1.6 m所對應的邊坡安全系數分別為1.46、1.41、1.36、1.30。可見，在同一開挖深度下，土釘橫向間距增大會使基坑邊坡的安全系數減小。

由圖8、圖9可知：土釘橫向間距增加會使基坑邊坡坡頂的水平位移和沉降增大，且其增幅隨基坑開挖深度的增大而顯著增加。土釘橫向間距為1.6、1.0 m時，基坑邊坡坡頂最大水平位移分別為17.6、12.1 mm，坡頂最大沉降分別為17.7、13.8 mm，橫向間距為1.6 m時，基坑坡頂最大水平位移和最大沉降值比橫向間距為1.0 m時分別增加45.5%、28.3%。可見，土釘橫向間距對基坑邊坡坡頂變形的影響很大。

圖8 坡頂水平位移與土釘橫向間距的關系

圖9 坡頂沉降與土釘橫向間距的關系

4.3 土釘入射角度的影響

分別取土釘入射角度為5°、10°、15°、20°進行分析，不同入射角度時基坑邊坡的安全系數和坡頂變形見圖10～12。

圖10 邊坡安全系數與土釘入射角度的關系

由圖10可知：基坑還未開挖至坑底時，基坑邊坡的安全系數隨土釘入射角度的減小而增大；開挖至坑底時，土釘入射角度5°、10°、15°和20°所對應的邊坡安全系數分別為1.32、1.38、1.41和1.33。這是因為基坑開挖至坑底時，基坑邊坡滑動面剪出口往下移，而不同入射角度的土釘對加固區域的影響范圍有所改變，因而基坑邊坡的穩定性發生變化。

由圖11、圖12可知：土釘入射角度為5°時，坡頂水平位移和沉降最小，分別為9.9和11.2 mm。隨著土釘入射角度的增大，坡頂水平位移和沉降增加。入射角度為10°、15°和20°時，坡頂最大水平位移分別為11.6、13.8和16.2 mm，比入射角度為5°時分別增加17.2%、39.4%和63.6%；最大沉降分別為13.6、15.3和16.4 mm，比入射角度為5°時分別增加21.4%、36.6%和46.4%?？梢姡?°～20°范圍內，增大土釘入射角度會使基坑坡頂變形增大，降低土釘支護基坑邊坡的安全性。

圖11 坡頂水平位移與土釘入射角度的關系

圖12 坡頂沉降與土釘入射角度的關系

5 結論

(1) 根據計算與實測結果，該深基坑的穩定性、變形及土釘抗拔承載力均滿足設計要求，基坑開挖過程安全、穩定。

(2) 增加土釘長度能在一定程度上提高邊坡的安全系數、減少基坑坡頂的變形。但土釘長度較大時，繼續增加土釘長度對于邊坡安全系數的提高已不明顯；“上長下短”的土釘布置形式優于“下長上短”的布置形式。

(3) 增大土釘的橫向間距會使邊坡的安全系數減小、基坑坡頂的變形增大。在5°～20°范圍內，增大土釘入射角度會使基坑坡頂變形增大，降低土釘支護基坑邊坡的安全性。