論深基坑工程影響土釘墻支護穩定性的因素及對策

彭永強

（湖南麓谷建設工程有限公司，湖南 長沙 410000）

土釘墻支護以其效果好、成本低，被廣泛應用于深基坑工程支護，展現出良好的應用效果。現有的文獻資料多為研究土釘墻的支護效果以及受力變形規律，結合工程實踐研究土釘墻支護穩定性的資料較少。基于此，本文結合某深基坑工程，通過實地勘測和數據分析總結應用土釘墻支護的深基坑邊坡穩定性以及變形情況，從土釘的長度、間距、入射角入手研究深基坑工程中土釘墻支護效果的方法。

1 工程概況

麓谷·山湖郡項目二期建筑有5 棟多層住宅樓，土方開挖共計8300m2，基坑深度1.50～8.5m。由于該建筑的基坑較深，基坑周邊安全等級為Ⅱ級。 建筑施工場地主要覆蓋層為人工充填、第四系-全新世開挖層、第四系殘留層，下伏基巖為燕山期花崗巖地層，地面標高42.38～49.06m，高差最大7.79m。地下水包括表層水和巖石裂縫水，地下水補充來源為自然降水和地表水。 由于建筑工程施工場地位于亞熱帶季風氣候區，氣候溫暖濕潤，降雨量大，導致地下水位波動明顯，施工區域內穩定地下水位埋深1.50～3.50m。基坑開挖范圍內土層分布見表1。

表1 巖土層分布及材料參數

2 基坑支護結構設計

在設計建筑工程深基坑工程支護結構時需要重點考慮建筑主體以及基坑支護結構的穩定性，確保基坑變形在安全范圍。該建筑工程深基坑支護采取北、西、東側實行放坡＋排樁＋錨索綜合運用的支護方案。該建筑工程基坑東側、南側采用土釘墻支護，基坑邊坡傾角比為1:1，土釘共布設6 排，土釘水平傾角15°，垂直間距1.2m，橫向間距1.3m，釘孔直徑100mm。土釘墻支護結構如圖1 所示。

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

按照當前深基坑工程邊坡支護施工規范，通過計算驗證邊坡結構的整體穩定性，在不同工況下深基坑土釘墻穩定性計算結果見表2。

表2 各工況下土釘墻穩定性計算結果

根據上表數據可以發現，不同工況下的土釘墻支護深基坑邊坡安全系數均滿足大于1.30，符合施工設計要求。

3.2 基坑坡頂變形分析

開挖深基坑時，布設土釘墻的邊坡頂部變形如圖2所示。

圖2 基坑頂的變形

基于圖2 可知，開挖基坑時，基坑邊坡頂部出現變形，邊坡沉降大于水平位移，現場測得的邊坡頂部變形值低于計算值。基坑開挖深度越大，邊坡頂部的水平位移和沉降越大。當開挖至基坑底部時，邊坡頂部的水平位移和沉降分別達到最大值10.7mm、13.6mm。但布設有土釘墻支護結構的基坑邊坡頂部變形不明顯，符合施工設計要求。

3.3 土釘抗拔承載力分析

開挖深基坑時，土釘軸力變化如圖3 所示。

根據圖3 可以看出，基坑開挖深度與土釘的軸力成正比。在任何開挖條件下，第一排土釘的軸向力始終最大。基坑開挖到底部時，第一排土釘軸向力最大可達41.57kN。布設第二排土釘時，基坑開挖作業導致的側向土壓力變大，主要由前排土釘墻承壓，第二排土釘強承受的土壓力較小。此外，所有土釘墻的軸向力明顯低于標準抗拔力，符合施工設計要求。

圖3 土釘的軸力變化

4 土釘墻支護基坑邊坡的影響因素分析

本次研究運用單因素分析找出最理想的基坑支護方案，分別針土釘長度、橫向間距、入射角著三種因素進行計算分析，明確多種工況下的基坑邊坡穩定性以及邊坡頂部變形情況。

4.1 土釘長度的影響

4.1.1 為使土釘墻的加固作用得到有效發揮，減少材料浪費，本次研究針對不同長度的土釘進行計算分析，具體見表3，總結土釘長度與基坑邊坡安全系數之間的關系，多種基坑開挖條件下的邊坡安全系數變化情況如圖4 所示，基坑開挖深度與基坑邊坡頂部的安全系數成反比，但安全系數的下降速度逐漸變小。開挖至坑底時，方案5 對應的基坑邊坡頂部安全系數為1.15，不符合施工安全要求，而其他方案在不同基坑開挖條件下的安全系數相似，表示土釘長度能夠提高基坑邊坡的安全系數。

圖4 坡頂安全系數與土釘長度的關系

表3 土釘長度計算方案

4.1.2 基坑開挖深度與基坑邊坡頂部的水平位移成正比，同時水平位移增加速度越來越快。方案5 對應的基坑邊坡頂部水平位移最大。基坑開挖至底部時，邊坡頂部水平位移為25.3mm；方案04 對應的邊坡頂部水平位移為13.9mm。方案01 、方案02、方案03 對應的邊坡頂部水平位移最大值分別為10.9、11.2、11.8mm。

4.1.3 基坑開挖深度與基坑邊坡頂部沉降成正比，且沉降速度不斷增加。開挖至坑底時，方案5 對應的邊坡頂部沉降達26.6mm，方案01、方案02、方案03、方案04對應的邊坡頂部沉降分別為13.4mm、14.1mm、14.8mm、15.8mm，說明增加土釘長度可有效減少基坑邊坡頂部沉降。

4.2 土釘橫向間距的影響

分析土釘橫向間距為1.0m、1.2m、1.4m、1.6m 時的基坑支護情況，研究間距與基坑邊坡安全系數、坡頂變形之間的關系，具體如圖5 所示。

圖5 邊坡安全系數與土釘橫向間距的關系

根據圖5 可以看出，基坑開挖深度與基坑邊坡安全系數成反比，但隨著開挖深度的增加，基坑邊坡的安全系數下降速度越來越小。當開挖至坑底（6.1m）時，不同土釘橫向間距1.0m、1.2m、1.4m 和1.6 m 下，基坑邊坡安全系數為1.47、1.42、1.37、1.31，說明開挖深度不變的情況下，土釘橫向間距與基坑邊坡安全系數成反比；此外，隨著間距的增加，基坑邊坡頂部水平位移和沉降變大，且變化幅度與基坑開挖深度成正比，說明土釘橫向間距對基坑邊坡坡頂變形有顯著影響。

4.3 土釘入射角度的影響

針對土釘入射角5°、10°、15°、20°時的基坑邊坡穩定性和變形情況開展研究，總結入射角與基坑邊坡安全系數之間的關系，具體見圖6。

從圖6 可以看出，如果基坑還未開挖到底部，此時開挖邊坡的安全系數與土釘入射角成反比；開挖至坑底時，取5°、10°、15°20°入射角時，邊坡安全系數分別為1.33、1.39、1.42 和1.34。因為開挖到達基坑底部時，邊坡滑動面剪力出口下移，而不同入射角的土釘對加固支護區的影響范圍不同，從而影響邊坡的安全系數。

圖6 邊坡安全系數與土釘入射角度的關系

此外，入射角為5°時，基坑邊坡頂部水平位移、沉降最小，分別為9.8mm、11.3 mm，入射角與邊坡頂部水平位移、沉降成反比。當入射角為10°、15°、20°時，相應基坑邊坡水平位移分別為11.6mm、13.8mm、16.2 mm，相比入射角5°時分別增加17.3%、39.5%和63.7%，對應沉降分別為13.6mm、15.3mm、16.4 mm，相比入射角5°時分別增加啊21.5%、36.7%和46.5%。說明，入射角在5°～20°范圍內時，土釘入射角與基坑邊坡頂部變形成正比，對基坑邊坡穩定性造成不利影響。

5 結論

基于上述現場勘測與數據分析可知該建筑基坑支護結構的穩定性、邊坡頂部變形和沉降均滿足施工設計要求，開挖過程安全穩定，本次研究析得出結論主要包括：

5.1 通過加長土釘可有效增加基坑邊坡的安全系數，減少基坑邊坡頂部變形。但當土釘長度達到一定長度時再增加土釘長度無法顯著提升基坑邊坡安全系數。

5.2 增加土釘橫向間距會降低基坑邊坡的安全系數，增加基坑邊坡頂部的變形。在5°～20°范圍內，增大土釘入射角將導致基坑邊坡頂部變形增加，進而影響土釘支護基坑邊坡的穩定性。