考慮地下水影響的基坑邊坡土釘墻支護效果研究

摘 要：【目的】為了驗證基坑邊坡支護方案的合理性，保證施工安全，以晉江某基坑邊坡為例，研究分析其邊坡支護效果?！痉椒ā拷⒒舆吰氯S網(wǎng)格模型和地下水位模型，采用有限差分法計算地下水影響情況下，該基坑邊坡未支護和土釘墻支護時天然工況和暴雨工況下的穩(wěn)定性系數(shù)和位移量分布。【結(jié)果】計算結(jié)果表明，土釘墻支護下該邊坡在天然工況和暴雨工況下的穩(wěn)定性系數(shù)分別為2.85和2.60，與未支護情況下的2.35和1.51相比有了大幅提升，位移量也明顯減少?！窘Y(jié)論】土釘墻支護明顯提升了邊坡的整體穩(wěn)定性，并且改變了基坑邊坡的位移分布模式，降低了邊坡的坍塌風(fēng)險。研究成果對類似的基坑邊坡穩(wěn)定性分析和支護方案設(shè)計和驗證具有一定的參考價值。

關(guān)鍵詞：基坑邊坡；有限差分法；地下水位；坑底隆起；邊坡位移

中圖分類號：TUT53 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1003-5168（2024）19-0054-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.19.011

Study on the Effect of Soil Nail Wall Support for Foundation Pit Slopes Considering the Effect of Groundwater

WANG Jinlun LIU Huimin FAN Chenguang

（MCC Wukan Engineering Technology Co.， Ltd.， Wuhan 430000， China）

Abstract： [Purposes] In order to verify the reasonableness of the foundation pit slope support scheme and ensure the construction safety， taking a foundation pit slope in Jinjiang as an example， the slope support effect is studied and analyzed. [Methods] The three-dimensional grid model of the foundation pit slope and the groundwater level model were established， and the stability coefficient and displacement distribution of the foundation pit slope under the influence of groundwater were simulated by finite difference method under the natural and rainstorm conditions when the foundation pit slope was unsupported and supported by soil nail wall. [Findings] The results show that the stability coefficients of the slope under natural and rainstorm conditions with soil nail wall support are 2.85 and 2.6 respectively， which are greatly improved compared with 2.35 and 1.51 in the unsupported condition， and the displacements are also significantly reduced. [Conclusions] The soil nail wall support obviously improved the overall stability of the slope， and changed the displacement distribution pattern of the foundation pit slope， reducing the risk of slope collapse. This study has certain reference value for similar foundation pit slope stability analysis and support scheme design and verification.

Keywords： foundation pit slope; finite difference method; groundwater level; pit bottom uplift; slope displacement

0 引言

基坑工程是地下空間建設(shè)中的重要一環(huán)［1］。然而，在軟弱土體中進行基坑開挖可能會面臨支護不穩(wěn)定導(dǎo)致的基坑坍塌、坑內(nèi)滑坡等風(fēng)險［2-3］。因此，采用合理的支護形式對基坑進行支護以保證施工安全順利進行具有重要意義［4］。

國內(nèi)外學(xué)者針對基坑支護形式和效果開展了大量研究。劉永超等［5］通過對天津地區(qū)多個基坑工程中的支護樁彎矩分布情況進行統(tǒng)計分析，并對區(qū)段復(fù)式配筋預(yù)應(yīng)力混凝土管樁進行抗彎試驗及有限元分析，研究了區(qū)段配筋的可行性和PR-PHC管樁的抗彎性能。王桂林等［6］以重慶某輕軌車站區(qū)間隧道明暗挖工程為例，提出了隧道明暗挖分界面處支護樁結(jié)構(gòu)的物理概化模型，采用數(shù)值模擬并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，對隧道明暗挖分界面處基坑支護樁施工的力學(xué)效應(yīng)進行了研究。Wang等［7］以長江中下游某基坑為例，對其進行U型鋼板樁支護研究，建立支護結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，并進行了折減模量RMA（Reduced Modulus Action，RMA）參數(shù)分析，根據(jù)RMA值，對后續(xù)基坑的支護結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，并在開挖過程中對樁頭的變形進行了監(jiān)測。Deng等［8］針對橋梁基坑支護結(jié)構(gòu)位移變形導(dǎo)致附近建筑物產(chǎn)生較大沉降的問題，提出了一種基于混合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的橋梁基坑支護結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，能有效保證基坑工程開挖和支護的安全。

本研究以晉江某醫(yī)院基坑為例，采用有限差分法分析考慮地下水影響的土釘墻對放坡開挖基坑邊坡的支護效果，研究成果為類似工程背景下的基坑開挖支護方案的設(shè)計和驗證提供一定的參考。

1 基坑工程概況

擬建基坑為晉江某醫(yī)院地下室基坑，基坑安全等級為二級，工程重要性系數(shù)γ0=1.0?；訑M采用放坡法分兩層開挖，第一層開挖深度為2.5 m，坡比1∶1.5，第二層開挖深度為2 m，坡比1∶1.2，總開挖深度為4.5 m。第一層與第二層邊坡之間留有1 m寬的臺階。該基坑開挖深度內(nèi)坑壁土層為素填土和粉質(zhì)黏土。該土層抗剪強度低、穩(wěn)定坡角小，自穩(wěn)能力差，開挖坑壁穩(wěn)定性和整體穩(wěn)定性較差，為防止基坑開挖過程中發(fā)生坍塌事故，必須采取合適的支護措施以保證施工安全。

經(jīng)過方案比選，決定采用土釘墻對基坑邊坡進行支護。土釘設(shè)計長度為9 m，直徑為22 mm，與水平方向夾角為15°，橫縱間距均為1 m，基坑邊坡剖面如圖1所示。采用C30混凝土噴射形成80 mm厚的墻體。

2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

2.1 工程地質(zhì)條件

該工程區(qū)地貌單元為剝蝕殘丘地貌。工程區(qū)地層主要為素填土、粉質(zhì)黏土、殘積砂質(zhì)黏性土和花崗巖。該工程區(qū)位于新華夏構(gòu)造體系的長樂—南澳斷裂帶的第二帶之中，由一系列呈NE走向且多期次的斷裂破碎帶、變質(zhì)帶、巖體、巖脈侵入等構(gòu)成。

2.2 水文地質(zhì)條件

該工程區(qū)地下水類型為素填土中的潛水以及殘積土下部花崗巖風(fēng)化帶中的孔隙-裂隙水?？辈閰^(qū)潛水水位和水量隨季節(jié)性氣候影響變化較大，水量較小，主要由地表水及大氣降水補給；孔隙-裂隙水水位和水量隨季節(jié)性氣候影響變化較大，水量較小，主要由地表水及大氣降水補給。穩(wěn)定地下水位埋深為4.30～5.80 m。根據(jù)抽水試驗數(shù)據(jù)按照式（1）計算殘積土及風(fēng)化層的滲透系數(shù)為0.05 m/d。

[k=0.732Q2H?s?s1s?s1lgr1r] （1）

式中：s、s1分別為抽水孔和觀測孔降深；r為抽水孔孔徑；r1為抽水孔和觀測孔孔距；k為滲透系數(shù)；H為含水層厚度。

3 基坑邊坡數(shù)值模型

3.1 數(shù)值模型構(gòu)建

為了驗證土釘墻對該基坑邊坡的支護效果，采用有限差分法對該基坑邊坡在考慮地下水影響下的穩(wěn)定性和位移量進行計算。以圖1為典型剖面構(gòu)建了基坑邊坡的三維網(wǎng)格模型，如圖2所示。根據(jù)勘察結(jié)果構(gòu)建了地下水位模型。基坑邊坡網(wǎng)格模型長20 m、寬5 m、高10 m，一共包含20 896個網(wǎng)格和19 883個節(jié)點。

3.2 巖土體參數(shù)取值

巖土體參數(shù)對數(shù)值模擬的計算結(jié)果具有不可忽視的影響，準(zhǔn)確合理的巖土體參數(shù)會使計算結(jié)果更具有說服力和參考價值。基于野外調(diào)查和室內(nèi)試驗結(jié)果，參考相同地區(qū)的類似工程經(jīng)驗，確定了本研究中天然工況和暴雨工況下的地層參數(shù)，具體見表1。

4 土釘墻支護效果分析

4.1 未支護工況下基坑邊坡穩(wěn)定性分析

本研究對邊坡網(wǎng)格模型賦予地層屬性并設(shè)置邊界條件后，對該模型進行了地應(yīng)力平衡。基于地應(yīng)力平衡結(jié)果，對基坑邊坡未支護情況下開挖的穩(wěn)定性系數(shù)和位移量進行計算，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，未支護情況下，該基坑邊坡在天然工況和暴雨工況下的穩(wěn)定性系數(shù)分別為2.35和1.51，表明該邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，沒有滑坡風(fēng)險。由圖3（a）可知，天然工況下該基坑邊坡的水平位移主要集中在第一層放坡的頂部和邊坡底部區(qū)域，最大水平位移量為2.7 mm。由圖3（b）可知，天然工況下該基坑邊坡的豎向位移主要表現(xiàn)為坑底隆起和邊坡土地的卸荷回彈，坑底隆起量最大為15.9 mm，邊坡的卸荷回彈量最大為13 mm。由圖3（c）和圖3（d）可知，暴雨工況下基坑邊坡的水平位移和豎向位移均集中出現(xiàn)在第一層放坡開挖的邊坡上半部分。其中，水平位移最大的區(qū)域為開挖深度1 m的邊坡坡面，最大水平位移量為442.6 mm，方向朝向基坑內(nèi)部；豎向位移最大的區(qū)域為邊坡頂部，最大豎向位移量為190.4 mm，表現(xiàn)為土體沉降。暴雨工況下的水平位移和豎向位移較大，表明該基坑邊坡可能發(fā)生坍塌。因此，需要對基坑邊坡進行支護，以提高邊坡穩(wěn)定性。

4.2 土釘墻支護工況下基坑邊坡穩(wěn)定性分析

采用土釘墻支護之后，該基坑邊坡在天然工況和暴雨工況下的穩(wěn)定性系數(shù)和位移量如圖4所示。該邊坡在天然工況和暴雨工況下的穩(wěn)定性系數(shù)分別為2.85和2.6，與未支護情況下的2.35和1.51相比有了大幅提升，該基坑邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，沒有滑坡風(fēng)險。

由圖4（a）和圖4（b）可知，采用土釘墻支護之后，該基坑邊坡在天然工況下達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時的位移分布模式和未支護情況下的位移分布模式相似。水平位移主要分布在邊坡頂部和坡體下部，頂部的位移方向朝向基坑內(nèi)部，最大為3.5 mm，坡體下部的位移方向朝向基坑外部，最大為10.3 mm。豎向位移主要分布在基坑底部和鄰近基坑的地面，基坑底部的豎向位移表現(xiàn)為坑底隆起，最大為15.9 mm，鄰近基坑的地面處的豎向位移表現(xiàn)為地面沉降，最大為28.7 mm。由圖4（c）和圖4（d）可知，暴雨工況下邊坡達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時位移分布與天然工況類似，頂部的水平位移方向朝向基坑內(nèi)部，最大為3.0 mm，坡體下部的位移方向朝向基坑外部，最大為11.3 mm；坑底隆起的豎向位移最大為15.6 mm，地面沉降最大為32.9 mm，與天然工況下的位移量相差較小。

對比分析未支護和土釘墻支護兩種情況下的邊坡達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時的位移可知，土釘墻支護對于天然工況下的基坑邊坡位移分布模式影響較小，但是對暴雨工況下基坑邊坡的位移分布產(chǎn)生了明顯影響。未支護時暴雨工況下的水平位移和豎向位移主要分布在基坑第一層放坡開挖的上半部分邊坡，且最大水平位移量和最大豎向位移量分別達(dá)到了442.6 mm和192.4 mm，表明基坑可能發(fā)生坍塌。土釘墻支護時暴雨工況下基坑邊坡的水平位移最大的區(qū)域轉(zhuǎn)移到了邊坡下部，最大水平位移量僅為11.3 mm；豎向位移仍然表現(xiàn)為坑底隆起和地面沉降，但是坑底隆起最大僅為15.9 mm，地面沉降最大僅為32.9 mm。由此可知，土釘墻支護后暴雨工況下的邊坡水平位移量和豎向位移量和未支護時相比大幅減少，基坑的坍塌風(fēng)險被大幅降低。

4.3 基坑開挖過程位移分析

為了研究基坑開挖過程中坡頂和基坑坡后位移發(fā)展情況，在坡頂和基坑后方距離坡頂3 m的地方分別設(shè)置了監(jiān)測點S1（坡頂）和S2（坡后）。邊坡開挖未支護的情況下，S1和S2的位移曲線如圖5所示。由圖5可知，天然工況和暴雨工況下，S1（坡頂）和S2（坡后）的水平位移均為先增大，然后趨于穩(wěn)定。其中S1（坡頂）的最大水平位移量為3.4 mm，而S2（坡后）的最大水平位移量為0.8 mm。天然工況下，S1（坡頂）的豎向位移最大量為1.9 mm，表現(xiàn)為卸荷回彈；S2（坡后）的豎向位移量為0.5 mm，表現(xiàn)較為地表沉降。而暴雨工況下S1（坡頂）的豎向位移幾乎為零；S2（坡后）的豎向位移3.6 mm，表現(xiàn)為地表沉降。說明暴雨會抑制坡頂?shù)男逗苫貜?，并且會增大坡后的地表沉降?/p>

邊坡開挖并采用土釘墻支護的監(jiān)測點位移曲線如圖6所示。由圖6可知，天然工況和暴雨工況下，S1（坡頂）和S2（坡后）的水平位移均為先增大，達(dá)到峰值之后緩慢下降，然后趨于穩(wěn)定。其中S1（坡頂）的峰值水平位移量為5.6 mm，最終水平位移量為5.1 mm；而S2（坡后）的峰值水平位移量為5.4 mm，最終水平位移量為4.9 mm。天然工況下，S1（坡頂）的峰值豎向位移量為3.1 mm，最終穩(wěn)定豎向位移量為2.7 mm，表現(xiàn)為卸荷回彈；S2（坡后）的豎向位移量為0.5 mm，表現(xiàn)為地表沉降。而暴雨工況下S1（坡頂）的最終豎向位移幾乎為零；S2（坡后）的最終豎向位移量為4.1 mm，表現(xiàn)為地表沉降。說明土釘墻支護的情況下，暴雨會抑制坡頂?shù)男逗苫貜?，并且會增大坡后的地表沉降?/p>

5 結(jié)論

本研究以晉江某基坑為例，構(gòu)建基坑邊坡三維網(wǎng)格模型和地下水位模型，采用有限差分法計算了基坑開挖未支護和土釘墻支護情況下的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)和位移量，得出以下結(jié)論。

①未支護時，天然工況下該基坑邊坡達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時的最大水平位移量為2.7 mm，坑底隆起量最大為15.9 mm，邊坡的卸荷回彈量最大為13 mm；暴雨工況下最大水平位移量和最大豎向位移量分別為442.6 mm和192.4 mm，基坑有坍塌風(fēng)險。

②采用土釘墻支護后，天然工況下基坑邊坡達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時水平位移最大量為10.3 mm，坑底隆起最大量為15.9 mm，地面沉降最大量為28.7 mm；暴雨工況下基坑邊坡水平位移最大量為11.3 mm；坑底隆起的豎向位移最大量為15.6 mm，地面沉降最大量為32.9 mm。

③土釘墻支護明顯提升了邊坡的整體穩(wěn)定性，并且改變了基坑邊坡的位移分布模式，大幅減少了暴雨工況下邊坡的水平位移和豎向位移量，降低了邊坡的坍塌風(fēng)險。

參考文獻(xiàn)：

［1］劉性鋒，劉禹，李輝，等.地鐵站深基坑樁撐支護開挖變形［J］. 科學(xué)技術(shù)與工程， 2023， 23（33）： 14332-14341.

［2］王海燕，郝江江，郝清婷，等.軟土地區(qū)深基坑支護方案優(yōu)選［J］.河南科技，2023，42（21）：65-68.

［3］彭軍.地鐵車站深基坑支護及降水施工技術(shù)研究［J］.河南科技，2023，42（20）：67-71.

［4］崔澤恒，胡科，閻波，等.深厚軟土深基坑被動區(qū)土體加固機制［J］.安全與環(huán)境工程， 2024， 31（1）： 44-56.

［5］劉永超，劉巖，李兵兵，等.基于基坑支護工程的區(qū)段復(fù)式配筋預(yù)應(yīng)力管樁抗彎試驗及數(shù)值模擬［J］.巖土工程學(xué)報， 2024，46（2）： 406-414.

［6］王桂林，陳相宇，冉龍寶，等.隧道明暗挖分界面處基坑支護樁施工力學(xué)效應(yīng)［J］.地下空間與工程學(xué)報， 2021， 17（5）： 1557-1568.

［7］WANG J F， XIANG H W， YAN J G. Numerical simulation of steel sheet pile support structures in foundation pit excavation［J］. International Journal of Geomechanics， 2019， 19（4）： 05019002.

［8］DENG R， ZHOU L. Optimising the supporting structure of a bridge's foundation pit based on hybrid neural network［J］.International Journal of Critical Infrastructures， 2022，18（2）： 159-171.