土钉墙支护基坑边坡的稳定性及影响因素分析

罗远明

(广州华立科技职业学院， 广东 广州 511325)

土钉墙通过土钉与土的共同作用形成复合体，提高土体的整体稳定性，对基坑边坡起到支护作用。因其结构轻型、柔性大、施工简单、造价低等特点，在基坑工程中得到广泛应用。针对深基坑中土钉墙的支护问题，单仁亮等通过对基坑开挖与土钉墙支护过程的数值模拟，发现基坑开挖过程中土钉墙的水平位移呈“勺形”分布且底部大于顶部，墙体水平位移最大处附近的土钉轴力最大，基坑土体为粉质砂土时在地面超载作用下土钉墙的破坏形式为体内破坏，滑裂面周围土体出现下滑；秦会来等研究土钉墙底部土体发生地基承载力失稳的破坏模式、破坏荷载及土钉墙墙底应力分布特点，发现传统刚性浅基础的地基承载力的Meyerhof解比Vesic解更接近实际，进而提出了土钉墙地基承载力计算的合理模式；段坚堤等通过三轴试验和数值模拟，分析了土钉边坡的支护效果和水对土钉边坡变形的影响，结果表明土钉支护边坡可减少1/3的水平位移，且未支护边坡的最大位移发生在坡脚，土钉支护边坡的最大位移发生在坡顶。目前主要对土钉墙支护结构的加固效果及变形特征进行分析，而基于实际工程的土钉墙优化设计还有待深入研究。该文以广州市某深基坑工程为例，基于数值模拟和现场监测结果，对土钉墙支护基坑的稳定性及受力变形进行分析，研究土钉长度、土钉横向间距、土钉入射角度等支护结构参数对基坑支护体系稳定性与变形的影响。

1 工程概况

广州市某建筑有5栋多层办公楼及3层地下室，其中深基坑工程呈梯形，总开挖面积约7 200 m2，基坑周长378 m，基坑四侧为空旷平地，开挖深度1.00～8.0 m，根据《建筑基坑支护技术规程》，判定该基坑周边环境等级为二级。考虑到该基坑开挖深度较大，且支护结构破坏对主体结构施工影响严重，支护结构四周安全等级均采用二级。

工程场地属于珠江三角洲冲积平原地貌，地势较平坦，但局部还需整平，地面标高为41.27～48.95 m，最大高差7.68 m。场地内主要覆盖地层有人工填土层(Q4ml)、第四系全新统冲洪积层(Q4al+pl)、第四系残积层(Qel)，下伏基岩为燕山期花岗岩(γ)地层。基坑开挖范围内土层分布见表1。

表1 岩土层分布及材料参数

地下水主要有2层，分别为上层滞水、基岩裂隙水(为潜水)，补偿来源为大气降水与地表水。由于地处亚热带季风气候区，温暖潮湿，雨量充沛，地下水位波动较大，场地内稳定地下水位埋深为1.50～3.50 m。

2 基坑支护结构设计

基坑工程支护结构设计思路是保证支护体系在基坑开挖和主体结构施工中安全可靠，结构稳定，变形可控。在基坑的北侧、西侧和东侧采用浅部填土放坡+排桩+锚索的联合支护形式，其中：放坡坡率为1∶2，坡面挂直径6.5 mm、纵横间距为200 mm的钢筋网，喷射100 mm厚C20细石砼；排桩桩径为1 m，桩间距为1. 3 m；锚索采用由3束7条直径5 mm钢丝扎成的低松弛1860级预应力钢绞线，锚固力为300 kN，锚固长度14 m，自由段为6 m。

基坑南侧和东南侧均采用土钉墙支护，坡面坡率为1∶1，共设5排土钉，水平倾角为15°，竖向间距1.2 m，水平间距1.3 m，孔径100 mm。由上至下前2排的土钉长度均为12 m，后3排的土钉长度均为8 m，中心拉杆采用直径25 mm的钢筋，孔内贯入水灰比为0.5的水泥浆。土钉墙支护结构见图1。

图1 土钉墙支护结构剖面图(单位：mm)

3 土钉墙基坑安全性分析

3.1 土钉墙基坑整体稳定性分析

根据《建筑边坡工程技术规范》的要求，采用毕肖普法对土钉墙支护段的基坑进行整体稳定性验算，各工况下基坑安全系数见表2。

表2 各工况下土钉墙稳定性计算结果

由表2可知：各开挖工况下土钉墙支护段的基坑安全系数均满足Fst>1.30的要求。

3.2 基坑坡顶变形分析

基坑开挖过程中土钉墙坡顶的水平位移和沉降变化见图2。

图2 基坑顶的变形

由图2可知：在基坑开挖过程中，坡顶产生了一定变形。相对来说，沉降值大于水平位移值，现场实测变形量小于计算变形量。随着开挖深度的增加，坡顶水平位移和沉降增大。开挖到坑底时，坡顶水平位移和沉降达到最大，分别为10.9和13.8 mm，而实测值分别为8.9和10.7 mm。可见，在整个开挖过程中，土钉墙支护段坑顶的变形量较小，满足设计要求。

3.3 土钉抗拔承载力分析

基坑开挖过程中土钉的轴力变化见图3。

图3 土钉的轴力变化

由图3可知：随着开挖深度的增加，各排土钉的轴力增大。第1排土钉在各开挖工况下的轴力最大，基坑开挖至坑底时，其最大轴力为41.35 kN。主要是因为第1排土钉锚固最深，其承受的荷载更大。随着开挖深度的增加，土体变形越大，土钉的被动受力也越大。各排土钉在刚植入时，轴力增长速率较小，随着开挖深度的增加，增幅逐渐增大。这是因为第2排土钉植入时，土方开挖引起的侧向土压力增量主要由前一排土钉承担，作用在第2排土钉上的土压力较小。此外，各排土钉的轴力均远小于其抗拔承载力标准值，满足设计要求。

4 土钉墙支护基坑边坡的影响因素分析

为探索基坑最优支护方法，采用单因素分析法，将土钉墙支护中不同土钉长度、土钉横向间距及入射角度作为研究参数，计算不同工况下基坑边坡的安全系数和坡顶变形。

4.1 土钉长度的影响

为充分发挥土钉对土体的加固作用，同时避免材料浪费，取不同土钉长度(见表3)进行分析，计算得到土钉墙在各开挖工况下基坑边坡安全系数及坡顶变形(见图4～6)。

表3 土钉长度计算方案

图4 坡顶安全系数与土钉长度的关系

从图4可以看出：随着基坑开挖深度的增加，坡顶安全系数降低，但下降速率逐渐减缓。基坑开挖至3.2 m深度时，方案5下基坑边坡的安全系数比其他方案下降更快；开挖至坑底时，方案5下边坡的安全系数为1.14，不满足要求。其他方案在各开挖工况下边坡的安全系数非常接近。说明增加土钉长度能在一定程度上提高边坡的安全系数，但土钉长度较大时，土钉长度的增加已无助于提高基坑边坡的安全性。

由图5可知：随着基坑开挖深度的增加，边坡坡顶的水平位移增大，且水平位移增长速率不断提高。其中方案5下坡顶的水平位移最大，基坑开挖至坑底时，坡顶水平位移达到25.2 mm；其次是方案4，坡顶最大水平位移为13.8 mm；方案1～3下坡顶最大水平位移分别为10.8、11.1、11.9 mm。可见，土钉长度增加能有效减少基坑边坡坡顶的水平位移，但土钉长度超过某一限值时，继续增加土钉长度，对坡顶水平位移的限制作用会逐渐减弱。另外，“上长下短”的土钉布置形式优于“下长上短”的布置形式。

图5 坑顶水平位移与土钉长度的关系

由图6可知：基坑坡顶的沉降及其沉降速率随基坑开挖深度的增加而增大。开挖到坑底时，方案5下坡顶沉降为26.5 mm，方案1～4下坡顶沉降分别13.3、14.0、14.7、15.7mm。可见，土钉长度增加能在一定程度上减少坡顶沉降，但土钉长度超过一定限值时，继续增加土钉长度对坡顶沉降的控制作用已不明显。

图6 坡顶沉降与土钉长度的关系

4.2 土钉横向间距的影响

分别取土钉横向间距为1.0、1.2、1.4、1.6 m进行模拟，不同土钉横向间距时基坑边坡的安全系数和坡顶变形见图7～9。

图7 边坡安全系数与土钉横向间距的关系

由图7可知：开挖越深，基坑边坡的安全系数越低，但安全系数下降速率随开挖深度的增加逐渐放缓。基坑开挖至坑底(6.1 m)时，土钉横向间距1.0、1.2、1.4、1.6 m所对应的边坡安全系数分别为1.46、1.41、1.36、1.30。可见，在同一开挖深度下，土钉横向间距增大会使基坑边坡的安全系数减小。

由图8、图9可知：土钉横向间距增加会使基坑边坡坡顶的水平位移和沉降增大，且其增幅随基坑开挖深度的增大而显著增加。土钉横向间距为1.6、1.0 m时，基坑边坡坡顶最大水平位移分别为17.6、12.1 mm，坡顶最大沉降分别为17.7、13.8 mm，横向间距为1.6 m时，基坑坡顶最大水平位移和最大沉降值比横向间距为1.0 m时分别增加45.5%、28.3%。可见，土钉横向间距对基坑边坡坡顶变形的影响很大。

图8 坡顶水平位移与土钉横向间距的关系

图9 坡顶沉降与土钉横向间距的关系

4.3 土钉入射角度的影响

分别取土钉入射角度为5°、10°、15°、20°进行分析，不同入射角度时基坑边坡的安全系数和坡顶变形见图10～12。

图10 边坡安全系数与土钉入射角度的关系

由图10可知：基坑还未开挖至坑底时，基坑边坡的安全系数随土钉入射角度的减小而增大；开挖至坑底时，土钉入射角度5°、10°、15°和20°所对应的边坡安全系数分别为1.32、1.38、1.41和1.33。这是因为基坑开挖至坑底时，基坑边坡滑动面剪出口往下移，而不同入射角度的土钉对加固区域的影响范围有所改变，因而基坑边坡的稳定性发生变化。

由图11、图12可知：土钉入射角度为5°时，坡顶水平位移和沉降最小，分别为9.9和11.2 mm。随着土钉入射角度的增大，坡顶水平位移和沉降增加。入射角度为10°、15°和20°时，坡顶最大水平位移分别为11.6、13.8和16.2 mm，比入射角度为5°时分别增加17.2%、39.4%和63.6%；最大沉降分别为13.6、15.3和16.4 mm，比入射角度为5°时分别增加21.4%、36.6%和46.4%。可见，在5°～20°范围内，增大土钉入射角度会使基坑坡顶变形增大，降低土钉支护基坑边坡的安全性。

图11 坡顶水平位移与土钉入射角度的关系

图12 坡顶沉降与土钉入射角度的关系

5 结论

(1) 根据计算与实测结果，该深基坑的稳定性、变形及土钉抗拔承载力均满足设计要求，基坑开挖过程安全、稳定。

(2) 增加土钉长度能在一定程度上提高边坡的安全系数、减少基坑坡顶的变形。但土钉长度较大时，继续增加土钉长度对于边坡安全系数的提高已不明显；“上长下短”的土钉布置形式优于“下长上短”的布置形式。

(3) 增大土钉的横向间距会使边坡的安全系数减小、基坑坡顶的变形增大。在5°～20°范围内，增大土钉入射角度会使基坑坡顶变形增大，降低土钉支护基坑边坡的安全性。