基坑边坡土钉墙支护效果研究

摘 要：【目的】基坑边坡放坡开挖过程中易产生破坏，对基坑边坡进行支护以保证工程安全施工具有重要意义，因此有必要对土钉墙支护效果进行研究。【方法】以福州市某基坑工程为研究对象，构建该基坑边坡三维网格模型，采用有限差分法计算该边坡在未采用土钉墙支护和采用土钉墙支护两种情况下的稳定性系数和位移量。【结果】未采用土钉墙支护时，该边坡在天然工况和暴雨工况下的稳定性系数分别为0.85和0.73，边坡最大位移量分别为112.5 mm和125.8 mm；采用土钉墙支护后，稳定性系数分别为1.31和1.24，最大位移量分别为27.8 mm和28.0 mm。【结论】土钉墙支护显著减少了坡体位移量，提升了边坡的整体稳定性。

关键词：基坑边坡；土钉墙支护；边坡稳定性；坡体位移

中图分类号：TU753 文献标志码：A 文章编号：1003-5168（2024）17-0061-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.17.013

Research on the Effect of Soil Nail Wall Support for Pit Slopes

BAI Jinfeng

（Guangdong Shunxie Engineering Survey Co.， Ltd.， Fujian Branch， Quanzhou 362000， China）

Abstract： [Purposes] Since it is easy to cause damage during the excavation of foundation pit slope， to support the foundation pit slope is of great importance to ensure the safe construction of the project. Therefore， it is necessary to study the effect of soil nailing wall support on slope stability. [Methods] Taking a foundation pit project in Fuzhou as the research object， this paper constructed a three-dimensional grid model of the slope of the foundation pit， and used the finite difference method to calculate the stability and displacement of the slope without soil nail support and with soil nail support. [Findings] The stability coefficients of the slope under natural condition and rainstorm condition were 0.85 and 0.73， and the maximum slope displacements were 112.5 mm and 125.8 mm， respectively， without soil nail wall support; the stability coefficients of the slope under soil nail wall support were 1.31 and 1.24， and the maximum displacements were 27.8 mm and 28.0 mm， respectively. [Conclusions] Soil nail wall support significantly reduces the slope displacement and improves the overall stability of the slope.

Keywords： foundation pit slope; soil nail wall support; slope stability; slope displacement

0 引言

随着城市化进程的加快，城市对于高层建筑和地下空间的需求也不断增加。复杂的上层建筑和更多的地下空间需求给基坑工程的设计和施工带来了更大的挑战［1-2］。由于基坑周围软弱土体的易破坏性和施工的时效性，使基坑开挖过程中极容易发生坍塌和滑坡破坏［3-4］。因此，对基坑进行合理的支护以保证基坑开挖施工的安全具有重要意义［5-6］。

国内外学者针对基坑开挖支护方法进行了大量研究，推动了基坑支护方法的不断发展。孙志浩等［7］以某偏压综合管廊基坑为例，通过有限元方法对该基坑进行了模拟，验证了模型的有效性，并对该基坑参数进行了分析，研究了支护结构长度、弹性模量和等效厚度对基坑支护结构变形的影响。崔泽恒等［8］建立了4种软土地层深基坑模型，通过将离心模型试验的监测结果与有限元软件建立的等比例数值模型模拟结果相互验证，分析了支护桩端在软土中的深基坑变形和破坏模式，以及支护结构的加固效果。朱湘旭等［9］以宁句城际轨道句容站基坑工程为研究对象，通过现场监测和数值模拟方法，研究了硬质地层中的偏压荷载对基坑围护桩桩身弯矩和水平位移的影响规律。

本研究以福州某小学教学楼地下室基坑为例，通过有限差分方法研究土钉墙支护对该基坑边坡稳定性的提升效果，对类似基坑边坡支护设计和验证具有一定的参考意义。

1 工程概况

该基坑为福州某小学教学楼地下室基坑，教学楼为5层建筑，地下室为一层。基坑北侧边界距离道路约18 m，西侧边界距离道路约10 m，南侧距离图书楼下部地下室约30 m。基坑基底标高2.20～3.0 m，开挖深度为5.20～6.0 m，基坑开挖范围内，组成基坑壁的土层主要为杂填土、粉质黏土、淤泥。该基坑整体稳定性较差，侧壁及坑底均存在软弱土层，坑壁土层中各岩土层抗剪强度低、稳定坡角小，自稳能力差，在未采取支护措施的情况下，基坑开挖后基坑侧壁土层将会产生垮塌或滑移现象。为防止坍塌，基坑开挖必须进行基坑支护。综合评定该基坑工程安全等级为一级，工程重要性系数γ0=1.10。

该基坑采用放坡法分两层开挖，第一层放坡开挖深度为3 m，坡比为1∶1.5，第二层放坡开挖深度为2.2 m，坡比1∶1.25，中间台阶宽为1 m。为了防止基坑开挖过程出现垮塌或滑移破坏，采用土钉墙对开挖后的边坡进行支护。土钉直径为22 mm，长度为8 m，与水平方向夹角为15°，横纵间距均为1 m，如图1所示。墙体厚80 mm，采用C30混凝土喷射形成。

2 工程地质条件

2.1 地形地貌

拟建基坑位于福州市仓山区城门镇内，拟建场地现状为空地，北侧为现状路和三江口高级中学，东侧为规划纵六路，西侧为现状路和三江口高级中学，南侧为空地和下洋路。场地内及场地周边未发现管线。场地地貌单元为冲淤积平原地貌。

2.2 岩土体特征

该场地第四纪土层以人工堆填、淤积、冲洪积成因为主，基底母岩为燕山晚期花岗岩，场地内覆盖层主要为第四系不同成因类型的岩土层。

2.3 水文地质条件

基坑工程场地的地下水类型为杂填土中的上层滞水、细砂中的孔隙承压水以及花岗岩中的承压水—孔隙裂隙水。上层滞水水位和水量随季节性气候影响变化较大，水量较小，主要受地表水及大气降水补给。孔隙承压水水量较大主要受含水层的侧向径流补给。承压水—孔隙裂隙水主要受大气降水及地下侧向径流补给。场地上部地下水初见水位埋深1.0～2.0 m（标高5.86～6.86 m），下部地下水埋深3.40～6.90 m（标高-4.34～4.58 m）。

2.4 区域地质构造

拟建基坑位于武夷—戴云隆褶带闽东火山断拗带内。区域范围内构造总体轴向为南北东向，北西向构造斜穿本区，同时在区内存在南岭纬向构造带。无活动断裂通过本场地，区域稳定性较好。

3 数值模型构建

3.1 基坑边坡模型

为了对边坡开挖过程中的稳定性进行分析，以图1中剖面为典型剖面，构建了边坡三维网格模型，以用于边坡稳定性的数值计算。边坡网格模型如图2所示，该边坡模型高10 m、长18 m、宽6 m，一共包含62 239个网格和36 610个节点。该模型一共包含5个地层，分别是杂填土、杂填土（开挖部分）、粉质黏土、粉质黏土（开挖部分）和细砂。土层采用摩尔-库伦本构模型，土钉采用cable单元进行模拟，墙体采用shell单元进行模拟。

3.2 岩土体参数取值

岩土体参数取值是否准确合理会影响边坡稳定性计算结果的合理性。本研究基于野外勘察和室内试验结果，结合本地区的基坑工程经验，对岩土体在天然工况和暴雨工况下的物理力学参数进行取值，见表1。

4 土钉墙支护效果分析

4.1 未支护情况下边坡稳定性分析

为了分析土钉墙支护形式对于基坑边坡稳定性的提升效果，采用有限差分法对该基坑边坡未采用土钉墙支护和采用土钉墙支护两种情况下的稳定性系数和位移进行了计算，每种情况均考虑了天然工况和暴雨工况两种工况。首先，对未开挖的基坑边坡进行地应力平衡计算，然后对平衡地应力之后的模型中的开挖部分地层进行移除，进而计算边坡的稳定性系数和坡体位移。

该基坑边坡未采用土钉墙支护情况下，在天然工况和暴雨工况下的稳定性和位移如图3和图4所示。由图3可知，未采用土钉墙支护时，该基坑边坡在天然工况下的稳定性系数为0.85，该边坡处于不稳定状态。坡体位移最大的部分位于第一层放坡开挖的坡体，最大位移量为112.5 mm，第二层放坡开挖的坡体位移量为20～70 mm。由图4可知，该基坑边坡在暴雨工况下的稳定性系数为0.73，该边坡也处于不稳定状态。暴雨工况下该边坡的位移分布特点与天然工况下相似，坡体位移最大的部分也位于第一层放坡开挖的坡体，最大位移量为125.8 mm。由计算结果可知，该边坡在未进行土钉墙支护时处于不稳定状态，坡体位移量较大，需要对边坡进行支护以保证施工安全。

4.2 支护情况下边坡稳定性分析

该基坑边坡采用土钉墙支护情况下，在天然工况和暴雨工况下的稳定性和位移如图5和图6所示。由图5可知，采用土钉墙支护时，该基坑边坡在天然工况下的稳定性系数为1.31，该边坡处于稳定状态。坡体位移分布特点与未采用土钉墙支护时明显不同。位移最大的部分位于第二层放坡开挖的坡体，最大位移量为28.0 mm，第一层放坡开挖的坡体位移量为5～17.5 mm。由图6可知，该基坑边坡在暴雨工况下的稳定性系数为1.24，该边坡处于稳定状态。暴雨工况下该边坡的位移分布特点与天然工况下相似，坡体位移最大的部分也位于第二层放坡开挖的坡体，最大位移量为27.8 mm。由计算结果可知，该边坡在进行土钉墙支护时处于稳定状态，坡体位移量与未支护时相比大幅降低，坡体稳定性显著提升。

值得注意的是，第二层放坡开挖的顶部坡体部位未打土钉，因此其位移量最大。为提升基坑开挖过程中的安全性，可在此部位增设一排土钉以降低其位移，以提升边坡的整体稳定性。

由边坡的稳定性和位移分析可知，未进行土钉支护时，坡体位移量较大，该基坑边坡处于不稳定状态；进行土钉墙支护后，边坡的位移量大幅降低，且边坡处于稳定状态。因此，土钉墙支护显著减小了坡体位移量，对于基坑边坡的整体稳定性具有明显的提升作用。

5 结论

基坑边坡放坡开挖过程中易产生破坏，因此，应采用土钉墙对边坡进行支护。为了验证土钉墙支护对边坡稳定性的提升效果，本研究构建了基坑边坡三维网格模型，采用有限差分法计算了该边坡在未采用土钉墙支护和采用土钉墙支护两种情况下的稳定性系数和位移量，得出以下结论。

①未采用土钉墙支护时，该边坡在天然工况和暴雨工况下的稳定性系数分别为0.85和0.73，边坡处于不稳定状态；采用土钉墙支护后，该边坡在天然工况和暴雨工况下的稳定性系数分别为1.31和1.24，边坡处于稳定状态，土钉墙支护显著提升了边坡的整体稳定性。

②未采用土钉墙支护时，该边坡在天然工况和暴雨工况下的最大位移量分别为112.5 mm和125.8 mm；采用土钉墙支护后，该边坡在天然工况和暴雨工况下的最大位移量分别为27.8 mm和28.0 mm，土钉墙支护显著减小了坡体位移。

参考文献：

［1］沈荣锋.预应力锚杆在基坑支护加固工程中的应用研究：以南京某基坑加固工程为例［J］.河南科技，2021，40（18）：103-105.

［2］王贵美，周建亮.高层建筑深基坑支护结构位移动态监测方法［J］.哈尔滨工程大学学报，2024，45（4）：717-721.

［3］施生喜.深基坑工程中微型钢管桩预应力锚杆索组合支护技术应用研究［J］.河南科技，2021，40（31）： 90-93.

［4］王海燕，郝江江，郝清婷，等.软土地区深基坑支护方案优选［J］.河南科技，2023，42（21）： 65-68.

［5］刘永超，刘岩，李兵兵，等.基于基坑支护工程的区段复式配筋预应力管桩抗弯试验及数值模拟［J］.岩土工程学报，2024，46（2）： 406-414.

［6］慕焕东，邓亚虹，张文栋，等.洛阳地铁车站基坑支护变形特性模型试验研究［J］.岩土工程学报，2021，43（S1）： 198-203.

［7］孙志浩，徐长节，房玲明，等.非对称荷载下内撑式基坑支护结构参数分析及设计优化探讨［J］.应用力学学报，2024，41（1）： 158-168.

［8］崔泽恒，胡科，阎波，等.深厚软土深基坑被动区土体加固机制［J］.安全与环境工程，2024，31（1）： 44-56.

［9］朱湘旭，徐昭辰，章定文，等.硬质地层中偏压基坑支护结构受力特性研究［J］.岩土工程学报，2021，43（S2）： 166-169.

收稿日期：2024-02-24

作者简介：白锦烽（1979—），男，本科，高级工程师，研究方向：工程勘察设计。