支护参数对基坑潜在滑移模式与稳定性的影响研究

吕仁军，蒋 硕

(山东省物化探勘察院，山东省地质勘察工程技术研究中心，山东 济南 250013)

随着我国城镇化进程的加快，基础设施建设持续、快速的发展，建筑工程行业发展需求依然稳固。基坑工程是建筑工程中综合性很强的系统工程，近年来，随着工程建设发展趋势逐渐大型化，基坑开挖深度不断增加，基坑支护不当引发的安全问题日益凸显[1-2]，成为影响工程质量的重要方面。因此，从保证基坑稳定、节省支护材料方面考虑，有必要开展支护参数对基坑稳定性影响的研究。

国内外学者在基坑支护方面开展了大量的工作，并取得了丰硕的成果。莫海鸿等[3]采用杆系有限元增量法分析各种基坑开挖情况的支护桩受力，形成了比较完整的支护桩结构优化设计体系。杨雪强等[4]在进行土压力计算时考虑了三维空间效应，并提出了相关计算公式，对于基坑地下连续墙支护具有较好的适用性。杨光华[5]针对基坑支护结构设计、计算过程中的关键问题，提出了一套系统的计算方法，可较好的计算基坑的受力和变形，并在工程中取得良好应用。宋二祥等[6]利用三维有限元分析法对长江大桥北锚碇基础施工工艺进行模拟计算，分析了基坑稳定性的影响因素并对基坑设计的合理性进行了评价，并论证了计算方法的可靠性。俞建霖等[7]采用空间有限单元法对基坑支护结构变形、地表沉降进行分析，探讨了影响基坑支护结构变形的因素，并以实际工程为例，验证了分析方法的合理性。Ratnam等[8]研究了简支梁在集中轴向周期荷载作用下的动力稳定特性，重点研究了过渡地基参数对简支梁动力稳定性的影响。Zhang 等[9]以某在建工程基坑周边既有建筑物为例，论证了基坑施工对邻近建筑物沉降的影响，认为既有建筑物在基坑开挖过程中的地层沉降不仅受开挖土体施工任务的影响，而且受基坑施工中降水土体的影响较大。李常茂等[10]通过现场监测分析了软土深基坑的空间变形特征，并提出了基坑变形判别依据。徐长节等[11]利用平面弹塑性有限元法对不同支护参数下基坑变形进行了讨论，总结得出了基坑侧向变形特性。李志宏等[12]通过三维数值模拟开展了基坑支护全过程的变形分析，研究支撑体系支护参数对基坑支护效果的影响程度。李柏生等[13]结合工程实例具体分析桩锚支护结构设计参数对锚杆内力、长度、支护桩内力、支护桩嵌固深度和桩顶位移的影响。史吏等[14]通过建立的有限元强度折减模型分析了偏压对软土基坑的影响，并同极限平衡法相对比，认为极限平衡法在基坑偏压稳定性分析中偏保守。

由此可知，前人在不同支护方案优选、基坑支护结构变形、受力、支护参数对基坑稳定性的影响方面开展了广泛的研究，而关于不同土钉参数在建筑深基坑支护方面的研究较少。因此，本文以济南汉峪B9地块深基坑为工程背景，在制定并优化支护方案的基础上开展了土钉倾角、位置、长度等对基坑稳定性的影响研究，提出了合理土钉支护参数，研究可为建筑基坑支护方案的制定与施工工艺参数的选择提供借鉴。

1 工程概况

拟建场地位于济南高新区汉峪片区，奥体片区以东。初步计划建设11幢高层住宅。其中，地上建筑18层，地下建筑1～2层，采用框架—剪力墙结构。场区周边环境地势开阔，场地地形起伏变化较大，基坑西侧距在建大汉峪西8.2～10.0 m，目前在建大汉峪西路处于前期准备阶段，预计基坑回填时在建大汉峪西路仍处于施工阶段，不会投入使用。埋设电缆(东西向)位于基坑南侧地面下，埋深2.0 m左右，距基础边线最近处约11.3 m，基坑东侧、北侧均无影响基坑开挖建筑物。

(1)场地地形地貌。拟建场地为山前冲洪积平原地貌单元，场地大部分区域分布有人工填土，地形起伏较大，勘察期间最大高差约20.15 m。现场地已整平至178.00～187.00 m。

(2)场地地下水。区域水文地质资料显示，场地内地下水埋深50 m以上。勘探期间、勘探深度内未测得地下水稳定水位，地下水对建筑材料的腐蚀性及对建筑物的影响较小，不予考虑。受季节影响，勘区内第四系孔隙水变化较大，季节性第四系孔隙潜水有隐患危险，雨季后危险性最大，潜藏于碎石土或基岩表面中。枯水期，潜水静止水位呈下降趋势，最终消失。

(3)工程地质条件。场区第四系地层主要包含人工填土、坡洪积成因的黏性土、碎石土，下伏奥陶系石灰岩、燕山期辉长岩，可分为6层，自上而下为：①层杂填土；②层黄土状粉质黏土、②-1层碎石混粉质黏土；③层粉质黏土、③-1层碎石混粉质黏土；④层粉质黏土、④-1层碎石混粉质黏土；⑤-1层强风化泥质灰岩、⑤-2层中风化泥质灰岩、⑤-3层石灰岩(较破碎)、⑤层石灰岩(较完整)；⑥-1层全风化辉长岩、⑥-2层强风化辉长岩、⑥-3层全风化角砾状泥灰岩、⑥层强风化角砾状泥灰岩。

2 基坑支护方案确定

根据基坑地质勘察结果、基坑开挖深度以及基坑四周环境，此次将基坑支护分为7个支护剖面。各剖面主要采用放坡、土钉、锚杆联合支护，具体支护方式见表1。以7-7剖面为例，展示支护设计图，如图1所示。

表1 坡面支护方式Tab.1 Slope supporting method

图1 7-7段剖面支护设计Fig.1 Supporting design of 7-7 section

3 基坑支护参数分析

3.1 支护方案分析

为了检验设计支护方案的合理性，基于极限平衡思想[15-16]，利用GEO-Slope软件分别计算各剖面支护前后安全系数值。基坑岩土体与锚固力学参数见表2、表3。

表2 岩土体力学参数值Tab.2 Value of geotechnical physical parameters

表3 支护力学参数取值Tab.3 Value of supporting mechanical parameters

基坑稳定性分析主要考虑放坡后基坑稳定性状态与支护后基坑稳定性状态，支护后基坑数值计算时根据各坡面设计的支护方案进行建模、计算，以7-7剖面为例展示进行支护后的坡面，如图2所示。

图2 7-7剖面数值计算模型Fig.2 Numerical calculation model of 7-7

采用Morgenstern-Price 极限平衡方法，以自动搜索滑移面的方式对各坡面支护前后状态进行分析计算。7-7坡面支护后稳定性计算结果如图3所示，各坡面稳定性计算结果如图4所示。

图3 7-7坡面稳定性计算结果Fig.3 Stability calculation result of 7-7

图4 不同坡面稳定性计算结果Fig.4 Results of stability calculation for different slopes

由图4可知，除3-3剖面外，各坡面支护前安全系数均在1.0以下，均不能满足稳定性的要求，3-3剖面由于基坑开挖深度较小，坡面在放坡后稳定性能够得到满足。计算结果也表明坡面的安全系数并不完全由开挖深度决定，安全系数同时会受到坡面地层情况的影响。例如，7-7剖面的开挖深度为12 m大于5-5剖面的开挖深度，但7-7剖面的安全系数却大于5-5剖面的安全系数。由此可知，在进行基坑坡面支护设计时除应考虑基坑的开挖深度，也不能忽视基坑所处地层岩土力学性质的影响。

各剖面采取支护措施后，安全系数均有所提升。其中，1-1剖面安全系数由0.544提高至1.343，提高约146.8%；2-2剖面安全系数由0.891提高至1.375，提高约54.3%；4-4剖面安全系数由0.727提高至1.463，提高约101.2%；5-5剖面安全系数由0.463提高至1.328，提高约186.8%；6-6剖面安全系数由0.749提高至1.320，提高约76.2%；7-7剖面安全系数由0.541提高至1.247，提高约130.5%。由此可知，支护后各剖面安全系数均满足规范要求，但如1-1、5-5等剖面支护后安全系数提升较大，支护设计有进一步优化的可能性。

3.2 土钉长度对基坑稳定性影响

为避免土钉长度选择不当造成基坑的失稳或者材料的浪费，有必要开展土钉长度对基坑坡面稳定性的影响。由于此次只考虑土钉长度对基坑稳定性的影响，将基坑简化为只有1层粉质黏土，基坑高度12 m，放坡比例1.0∶0.5。采用极限平衡方法对不同土钉支护长度下基坑坡面的安全系数进行计算，不同支护长度与坡面安全系数关系如图5所示。

图5 土钉长度与安全系数关系Fig.5 Relationship between length of soil nail and safety factor

由图5可知，基坑坡面的安全系数随着土钉长度的增加呈现先增加后平稳不变的整体趋势。当土钉长度小于有效支护长度时，基坑坡面的安全系数随着土钉长度的增加而逐渐增大，二者近似呈指数函数规律，且满足y=0.02×ex/2.02+0.92的拟合方程，相关性系数为0.989。土钉长度达到有效支护长度后基坑坡面的稳定性系数达到峰值安全系数，本次模拟条件下峰值安全系数为1.056，代入拟合方程，可得土钉的有效支护长度为8.52 m，土钉端头至潜在滑移面的距离为7.24 m。因此，土钉长度超过潜在滑移面1.28 m时即达到有效支护长度，此时土钉长度增加对基坑坡面的稳定性不再起作用。

土钉长度9 m时基坑坡面的稳定性计算结果如图6所示。由图6可知，土钉支护对基坑坡面的稳定性起到促进作用，基坑坡面安全系数由未支护时的0.926提高至1.056。潜在滑移面附近土钉主要受到滑体的拉力作用，最大拉力约150 kN。

图6 土钉长度9 m时计算结果Fig.6 Calculation results when the length of soil nail is 9 m

3.3 土钉位置对基坑稳定性影响

为了研究土钉支护位置对基坑坡面稳定性的影响，利用极限平衡分析软件计算了不同土钉支护位置的基坑边坡安全系数。为简化计算，假设坡面只有1根土钉支护，土钉长15 m，以避免土钉长度影响坡面安全系数，土钉均水平打入土体。自坡顶向坡底每隔1 m进行一次支护，并计算获得一个安全系数，由于坡面高度为12 m，共布设11次土钉，当土钉距坡顶1 m时，土钉位置为1，当土钉距坡顶2 m时土钉位置为2，以此类推，计算结果如图7所示。由图7可知，随着土钉在基坑坡面位置的向下移动，坡面安全系数先增高后减小，且安全系数在达到峰值安全系数前，安全系数与土钉位置呈一次函数规律。最优土钉支护位置土钉与坡顶距离为9 m，即土钉支护在距基坑底部1/4坡面高度时的支护效果最佳。

图7 土钉位置与安全系数关系Fig.7 Relationship between soil nailing position and safety factor

最佳支护位置与安全系数开始降低位置时的坡面滑移模式如图8所示。由图8(a)可知，在最佳支护位置前滑移面穿过土钉，土钉起到阻碍滑移的作用；当土钉位置为10 m时，土钉上部坡顶土体高度太大，下滑力大于抗滑力，滑移面从土钉上部切出，土钉所起作用不大，坡面安全系数降低。

图8 不同位置潜在滑移面Fig.8 Potential slip surfaces at different locations

3.4 土钉倾角对基坑稳定性影响

为了研究不同土钉支护角度对基坑坡面防护所起作用，采用不同支护角度的数值计算模型开展相关计算。实际情况中不同倾角的土钉必然会穿过不同的土层，再用1层土层开展数值分析显然不合适。因此，此次建立的数值计算模型包含多层土层，采用2根平行土钉支护。模型中基坑高度为12 m，放坡比例为1∶0.5，支护土钉位于坡面中间。土钉水平打入时土钉倾角为0°，假设土钉顺时针转动为正，每隔5°计算1次坡面稳定性，倾角为15°时稳定性分析结果如图9所示，不同倾角支护时坡面安全系数计算结果如图10所示。由图10可知，基坑坡面的安全系数与土钉支护角度呈负相关关系，随着土钉支护角度的增加，基坑坡面安全系数逐渐降低，二者呈一次函数关系。根据计算结果，长度15 m的土钉水平打入时支护效果最好。这是因为土钉主要用于控制坡面水平方向的移动，当土钉水平打入时，土钉中的拉力全部用于抵抗坡面水平方向运动，土钉的支护效果也最好。但考虑到施工的便利性且倾角由0°增加至20°时安全系数的变化不大，工程上一般将土钉与水平面夹角定为5°～20°。

图9 土钉倾角15°稳定性计算结果Fig.9 Calculation results of stability of soil nailing angle of 15°

图10 支护角度与安全系数关系Fig.10 Relationship between support angle and safety factor

4 结论

(1)针对基坑不同区域地质条件、开挖深度、基坑四周环境的不同，对进坑进行分区域治理，制定了各区域支护方案；基于极限平衡方法计算分析了基坑支护前后安全系数的变化，提出了支护优化建议。

(2)分析了土钉长度对基坑稳定性的影响，当土钉长度小于有效支护长度时，基坑坡面的安全系数随着土钉长度的增加而逐渐增大，二者近似呈指数函数规律，通过方程式求解确定了土钉长度超出潜在滑移面1.28 m时支护效果最优。

(3)分析了土钉支护位置对基坑稳定性的影响，随着土钉在基坑坡面位置的向下移动，坡面安全系数先增高后减小，安全系数在达到峰值安全系数前，安全系数与土钉位置呈一次函数规律，确定了最优的支护位置为距基坑底部1/4坡面高度。

(4)分析了土钉倾角对基坑稳定性的影响，发现随着土钉支护角度的增加，基坑坡面安全系数逐渐降低，呈一次函数关系，但支护倾角由0°增加到20°过程中安全系数降低很小，考虑施工便利性，土钉支护角度一般定为5°～20°。

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