論深基坑工程影響土釘墻支護(hù)穩(wěn)定性的因素及對(duì)策

彭永強(qiáng)

（湖南麓谷建設(shè)工程有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

土釘墻支護(hù)以其效果好、成本低，被廣泛應(yīng)用于深基坑工程支護(hù)，展現(xiàn)出良好的應(yīng)用效果。現(xiàn)有的文獻(xiàn)資料多為研究土釘墻的支護(hù)效果以及受力變形規(guī)律，結(jié)合工程實(shí)踐研究土釘墻支護(hù)穩(wěn)定性的資料較少?；诖?，本文結(jié)合某深基坑工程，通過(guò)實(shí)地勘測(cè)和數(shù)據(jù)分析總結(jié)應(yīng)用土釘墻支護(hù)的深基坑邊坡穩(wěn)定性以及變形情況，從土釘?shù)拈L(zhǎng)度、間距、入射角入手研究深基坑工程中土釘墻支護(hù)效果的方法。

1 工程概況

麓谷·山湖郡項(xiàng)目二期建筑有5 棟多層住宅樓，土方開(kāi)挖共計(jì)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(jí)為Ⅱ級(jí)。 建筑施工場(chǎng)地主要覆蓋層為人工充填、第四系-全新世開(kāi)挖層、第四系殘留層，下伏基巖為燕山期花崗巖地層，地面標(biāo)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(bǔ)充來(lái)源為自然降水和地表水。 由于建筑工程施工場(chǎng)地位于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫暖濕潤(rùn)，降雨量大，導(dǎo)致地下水位波動(dòng)明顯，施工區(qū)域內(nèi)穩(wěn)定地下水位埋深1.50～3.50m?；娱_(kāi)挖范圍內(nèi)土層分布見(jiàn)表1。

表1 巖土層分布及材料參數(shù)

2 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)建筑工程深基坑工程支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)需要重點(diǎn)考慮建筑主體以及基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，確保基坑變形在安全范圍。該建筑工程深基坑支護(hù)采取北、西、東側(cè)實(shí)行放坡＋排樁＋錨索綜合運(yùn)用的支護(hù)方案。該建筑工程基坑?xùn)|側(cè)、南側(cè)采用土釘墻支護(hù)，基坑邊坡傾角比為1:1，土釘共布設(shè)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(hù)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)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(wěn)定性分析

按照當(dāng)前深基坑工程邊坡支護(hù)施工規(guī)范，通過(guò)計(jì)算驗(yàn)證邊坡結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，在不同工況下深基坑土釘墻穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 各工況下土釘墻穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

根據(jù)上表數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，不同工況下的土釘墻支護(hù)深基坑邊坡安全系數(shù)均滿足大于1.30，符合施工設(shè)計(jì)要求。

3.2 基坑坡頂變形分析

開(kāi)挖深基坑時(shí)，布設(shè)土釘墻的邊坡頂部變形如圖2所示。

圖2 基坑頂?shù)淖冃?/p>

基于圖2 可知，開(kāi)挖基坑時(shí)，基坑邊坡頂部出現(xiàn)變形，邊坡沉降大于水平位移，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的邊坡頂部變形值低于計(jì)算值?；娱_(kāi)挖深度越大，邊坡頂部的水平位移和沉降越大。當(dāng)開(kāi)挖至基坑底部時(shí)，邊坡頂部的水平位移和沉降分別達(dá)到最大值10.7mm、13.6mm。但布設(shè)有土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)的基坑邊坡頂部變形不明顯，符合施工設(shè)計(jì)要求。

3.3 土釘抗拔承載力分析

開(kāi)挖深基坑時(shí)，土釘軸力變化如圖3 所示。

根據(jù)圖3 可以看出，基坑開(kāi)挖深度與土釘?shù)妮S力成正比。在任何開(kāi)挖條件下，第一排土釘?shù)妮S向力始終最大?；娱_(kāi)挖到底部時(shí)，第一排土釘軸向力最大可達(dá)41.57kN。布設(shè)第二排土釘時(shí)，基坑開(kāi)挖作業(yè)導(dǎo)致的側(cè)向土壓力變大，主要由前排土釘墻承壓，第二排土釘強(qiáng)承受的土壓力較小。此外，所有土釘墻的軸向力明顯低于標(biāo)準(zhǔn)抗拔力，符合施工設(shè)計(jì)要求。

圖3 土釘?shù)妮S力變化

4 土釘墻支護(hù)基坑邊坡的影響因素分析

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

4.1 土釘長(zhǎng)度的影響

4.1.1 為使土釘墻的加固作用得到有效發(fā)揮，減少材料浪費(fèi)，本次研究針對(duì)不同長(zhǎng)度的土釘進(jìn)行計(jì)算分析，具體見(jiàn)表3，總結(jié)土釘長(zhǎng)度與基坑邊坡安全系數(shù)之間的關(guān)系，多種基坑開(kāi)挖條件下的邊坡安全系數(shù)變化情況如圖4 所示，基坑開(kāi)挖深度與基坑邊坡頂部的安全系數(shù)成反比，但安全系數(shù)的下降速度逐漸變小。開(kāi)挖至坑底時(shí)，方案5 對(duì)應(yīng)的基坑邊坡頂部安全系數(shù)為1.15，不符合施工安全要求，而其他方案在不同基坑開(kāi)挖條件下的安全系數(shù)相似，表示土釘長(zhǎng)度能夠提高基坑邊坡的安全系數(shù)。

圖4 坡頂安全系數(shù)與土釘長(zhǎng)度的關(guān)系

表3 土釘長(zhǎng)度計(jì)算方案

4.1.2 基坑開(kāi)挖深度與基坑邊坡頂部的水平位移成正比，同時(shí)水平位移增加速度越來(lái)越快。方案5 對(duì)應(yīng)的基坑邊坡頂部水平位移最大。基坑開(kāi)挖至底部時(shí)，邊坡頂部水平位移為25.3mm；方案04 對(duì)應(yīng)的邊坡頂部水平位移為13.9mm。方案01 、方案02、方案03 對(duì)應(yīng)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(kāi)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(kāi)挖至坑底時(shí)，方案5 對(duì)應(yīng)的邊坡頂部沉降達(dá)26.6mm，方案01、方案02、方案03、方案04對(duì)應(yīng)的邊坡頂部沉降分別為13.4mm、14.1mm、14.8mm、15.8mm，說(shuō)明增加土釘長(zhǎng)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(shí)的基坑支護(hù)情況，研究間距與基坑邊坡安全系數(shù)、坡頂變形之間的關(guān)系，具體如圖5 所示。

圖5 邊坡安全系數(shù)與土釘橫向間距的關(guān)系

根據(jù)圖5 可以看出，基坑開(kāi)挖深度與基坑邊坡安全系數(shù)成反比，但隨著開(kāi)挖深度的增加，基坑邊坡的安全系數(shù)下降速度越來(lái)越小。當(dāng)開(kāi)挖至坑底（6.1m）時(shí)，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(shù)為1.47、1.42、1.37、1.31，說(shuō)明開(kāi)挖深度不變的情況下，土釘橫向間距與基坑邊坡安全系數(shù)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(kāi)挖深度成正比，說(shuō)明土釘橫向間距對(duì)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(duì)土釘入射角5°、10°、15°、20°時(shí)的基坑邊坡穩(wěn)定性和變形情況開(kāi)展研究，總結(jié)入射角與基坑邊坡安全系數(shù)之間的關(guān)系，具體見(jiàn)圖6。

從圖6 可以看出，如果基坑還未開(kāi)挖到底部，此時(shí)開(kāi)挖邊坡的安全系數(shù)與土釘入射角成反比；開(kāi)挖至坑底時(shí)，取5°、10°、15°20°入射角時(shí)，邊坡安全系數(shù)分別為1.33、1.39、1.42 和1.34。因?yàn)殚_(kāi)挖到達(dá)基坑底部時(shí)，邊坡滑動(dòng)面剪力出口下移，而不同入射角的土釘對(duì)加固支護(hù)區(qū)的影響范圍不同，從而影響邊坡的安全系數(shù)。

圖6 邊坡安全系數(shù)與土釘入射角度的關(guān)系

此外，入射角為5°時(shí)，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(dāng)入射角為10°、15°、20°時(shí)，相應(yīng)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(shí)分別增加17.3%、39.5%和63.7%，對(duì)應(yīng)沉降分別為13.6mm、15.3mm、16.4 mm，相比入射角5°時(shí)分別增加啊21.5%、36.7%和46.5%。說(shuō)明，入射角在5°～20°范圍內(nèi)時(shí)，土釘入射角與基坑邊坡頂部變形成正比，對(duì)基坑邊坡穩(wěn)定性造成不利影響。

5 結(jié)論

基于上述現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)與數(shù)據(jù)分析可知該建筑基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、邊坡頂部變形和沉降均滿足施工設(shè)計(jì)要求，開(kāi)挖過(guò)程安全穩(wěn)定，本次研究析得出結(jié)論主要包括：

5.1 通過(guò)加長(zhǎng)土釘可有效增加基坑邊坡的安全系數(shù)，減少基坑邊坡頂部變形。但當(dāng)土釘長(zhǎng)度達(dá)到一定長(zhǎng)度時(shí)再增加土釘長(zhǎng)度無(wú)法顯著提升基坑邊坡安全系數(shù)。

5.2 增加土釘橫向間距會(huì)降低基坑邊坡的安全系數(shù)，增加基坑邊坡頂部的變形。在5°～20°范圍內(nèi)，增大土釘入射角將導(dǎo)致基坑邊坡頂部變形增加，進(jìn)而影響土釘支護(hù)基坑邊坡的穩(wěn)定性。