土釘墻支護在長春某基坑中的應用研究

袁鵬 趙大軍 謝俊革 周宇

摘 要：文章分析了長春某基坑工程地質條件，對基坑支護方案進行分析論證，并對所采用的土釘墻支護方案進行設計。文章采用單因素分析法，在土釘傾角合理區間內，對土釘傾角進行最優設計，得出了土釘傾角對基坑邊坡穩定性影響規律。實踐證明，本工程采用土釘墻支護的方案，短時高效地完成了工程任務，實現工程利潤的最大化，并通過土釘傾角優化設計，在工程造價不變的情況下，大幅提升施工安全。為土釘墻支護在長春基坑工程中的應用研究提供借鑒。

關鍵詞：基坑支護；土釘支護；土釘傾角；監測與檢測

1 工程介紹

本建設項目，臨近長春市南四環，位于吉林省長春市東風大街以北，大眾街以東，凱達北街以西，丙九路以南?；又ёo整體平面圖如圖1所示。需要說明的是圖中部分采用土釘墻支護，部分采用鋼管樁+擴大頭錨索支護。文章主要介紹土釘墻支護。

圖1 基坑支護總平面圖

本工程包括前期策劃辦公樓（地下一層，地上七層），項目團隊樓（六層），研發設計綜合樓（五層），停車樓（七層），整車對標試驗室（局部二層）等建筑物和調車場試車跑道。工程建筑物±0.000相當于海平面高程202.0m?；又荛L約3073m，支護深度5.15m-10m，總支護面積約20000m2。

2 場地的工程地質條件（表1）

表1 基坑支護設計參數表

勘察期間，場地所有鉆孔均遇見地下水，地下水類型為潛水，主要賦存于粉質粘土，穩定水位埋深為5.20-8.50m，其主要補給來源為大氣降水，勘察期間正值冬季，豐水季節水位將有所上升。

3 支護方案的選定

本基坑支護工程安全等級為二級，并具有以下特點：（1）基坑面積較大，面積約20000m2，周長約3073m，基坑實際挖深度5.15m-10m。（2）基坑影響深度范圍內的土層以粉質粘土為主，土質較好。（3）基坑開挖深度內無承壓水含水層，僅部分支護段有少量潛水，并主要賦存于粉質粘土，對基坑開挖并無重大影響，支護墻面設置排水孔，基坑底設置排水溝。（4）基坑周邊無重要建筑物和管線，對基坑變形要求較低，允許放坡。

根據《建筑基坑支護技術規程》（JGJ120-2012）“土釘墻適用于基坑深度不宜大于12m的基坑側壁安全等級宜為二、三級的非軟土場地[1]”土釘墻施工方便靈活，能合理利用土體的自穩能力，需要的施工場地小、施工簡便速度快，工期短等優點。

本工程地質條件及周邊環境較為簡單，并在保證安全的情況下，應盡量選擇安全、經濟、施工方便的支護方案。

根據支護設計總平面圖和現場具體工程條件，土釘墻支護段分為9種，如表2所示。

表2 支護段分類表

支護段土釘參數。本基坑支護工程安全等級為二級。取土釘水平間距SX=1.5m，土釘傾角？茲=15°?；铀闹車澜淹粱蚨演d，本區段考慮施工車輛通行，地面超載應控制在30kPa以內，取超載10kPa。支護段1-9，如表3所示。

表3 支護段土釘參數表

噴射面層：面層厚度為100mm，強度C20，掛單層6.5@200×200的鋼筋網，允許誤差±10mm，加強筋2？覫14?？捎煤附踊蚪壴?，搭接長度不小于一個網格邊長。土釘鋼筋與網片用2？覫14主筋橫向焊接在一起，在土釘端部用“井”字架與網片焊接在一起。面層頂部上翻地面1.0m。

4 土釘傾角優化設計

在工程建設中，土釘施工與土方開挖往往存在一些配合上的問題，工作面平整度對土釘傾角也造成影響，因此人們為簡化施工和設計，常采用水平或略傾斜角度[2]。根據《建筑基坑支護技術規程》（JGJ120-2012）：土釘傾角宜為5°-20°。同時土釘水平放置比斜向大傾角側向位移要小而所受摩阻力卻大于后者[3]，因此本部分在水平或小角度合理范圍內對土釘傾角進行優化設計，充分發揮土釘應有的效能，在原有工程造價不變的情況下，大幅提高施工安全。

4.1 理論分析

根據彈塑性力學理論，土單元沿著？滓1方向產生壓縮變形，而沿著？滓3方向產生伸長變形。土體加固就是要限制這種變形，因此，從理論上講，沿？滓3方向插入土釘，可以最大程度地限制土體沿？滓3方向的伸長變形，使其加固效果比沿垂直于斜面方向插入的加固效果更為明顯[4]。相關研究人員運用ADINA有限元探討了土釘傾角對無粘性及稍含粘粒粒狀體邊坡加固，得出？滓3大致稱平行線排列[5]。土體單元應力分布情況及土釘插入方向如圖2所示。

圖2 土體單元應力分布情況及土釘插入方向

考慮工程實際及地層復雜性和不可復制性，土層內最小主應力？滓3的方向是個變量，工程上土釘的插入很難嚴格按照變化的最小主應力？滓3的方向插入，這就需要用一個平均的角度來替代變化的最小主應力？滓3的方向[5]。因此我們通過基坑整體穩定性系數，在水平或小傾角范圍內，大致尋找？滓3主方向，得出土釘最優傾角。

4.2 土釘傾角優化計算

基坑整體穩定性采用圓弧滑動條分法計算，可運用理正進行計算。

4.2.1 單因素分析法

土釘墻支護五個常見參數：土釘長度、土釘傾角、土釘的直徑（鋼筋直徑）、水平間距和垂直間距。采用單因素分析法，即選取一個標準模型，然后變化土釘傾角，其余四個因素保持不變，分析土釘傾角對基坑穩定性的影響[6]。

4.2.2 標準模型

選取支護段9進行介紹：基坑開挖10m，土釘參數設置見表3，傾角15°，土釘配筋均為HRB400級鋼筋，土釘孔徑120mm，水平間距Sx=1.5m，邊坡超載個數為1，荷載值為10kPa。對傾角進行遞增，變化范圍為 3°-19°，其余四個參數固定不變。得到土釘傾角和安全系數之間的關系，如圖3所示。

土釘傾角對基坑整體穩定性的影響呈拋物線變化，在一定范圍內，隨著傾角增大，安全系數增加；土釘傾角持續增加，安全系數減小，存在一個極值為土釘最優傾角。本工程土釘傾角選取11°支護效果最明顯；從施工工藝來說，11°傾角的土釘，施工要求也比較低。實際施工中，為便于施工，可適當降低下部土釘傾角。因下部土釘的傾角所起的作用 （迫使潛在危險滑面的滑弧頂點改變位置）不如上部土釘的明顯，因此下部土釘傾角小一些，可使土釘拉力對安全系數的貢獻最大[7]。

實踐表明，本工程采用土釘墻支護的方案，短時高效地完成了工程任務，實現了工程利潤的最大化，在以后的支護工程中值得借鑒，并通過土釘傾角優化設計，在工程造價不變的情況下，大幅提升施工安全。

5 基坑監測

為了保證周圍建筑物在護坡施工過程中的安全性，對周邊進行沉降及位移觀測。

5.1 觀測點建立

5.1.1 觀測基準點的建立

在基坑上口每隔20m設置水平、垂直位移監測點，并在基坑中間和基坑四邊設置五個觀測井。在基坑支護及地下室施工期間，對基坑進行監測支護結構水平、垂直位移及豎向沉降。

5.1.2 水準基點觀測

采用《國家二等水準測量規范》中Ⅰ等水準測量的方法和計數要求進行觀測，雙轉點，視線≤15m，前后視距差≤0.3m，視距累積差≤1.5m。

其主要精度指標如下：標高中誤差≤±0.3mm；相鄰點高差中誤差≤±0.1mm；附合閉合差≤±0.15■mm（n為測站點）。

5.2 沉降基點觀測

采用Ⅰ等觀測的技術的要求進行施測，但精度最低要達到Ⅱ等水準的要求，其主要精度指標如下：相鄰點高差中誤差≤±0.5mm；每站高差中誤差≤±0.13mm；附合閉合差≤±0.3■mm（n為測站點）。

每次觀測前，對作為起算數據的基點進行高差檢測，檢查基點的穩定性和可靠性，要求觀測路線形成附合或閉合路線。在沉降觀測期間，沉降點每觀測3次后，對沉降觀測基點進行復測。

主要觀測內容有：（1）測斜。主要觀測基坑開挖過程及土方開挖階段支護及深層土體的位移，在基坑四周（圍護樁及土體內）埋置測斜管。（2）地下水位的觀測。布置坑內外地下水位觀測井，監測坑內外地下水位的波動情況。（3）地下管線及臨近建筑物的監測。主要進行地下管線及臨近建筑物的水平位移及沉降觀測。（4）坑外地表沉降觀測。

5.3 觀測周期

在圍護結構施工前，測得初始讀數。在基坑降水及開挖期間一日一測，如觀測期間數據變化較大，隨時加大觀測頻率。

6 結束語

（1）本工程已施工完成，監測結果表明，周圍建筑物沉降量、基坑位移量都滿足規范要求。該基坑正常使用11個月，經歷了雨季考驗，土釘墻支護達到預想的效果，可為今后同類基坑的設計和施工提供一些參考。（2）該基坑支護中采用土釘墻支護技術，充分調用土體自身強度和承載能力，節省土石方工作量，節約成本，縮短施工工期。短時高效地完成了工程任務，實現了工程利潤的最大化，在以后的支護工程中值得借鑒。（3）對土釘傾角進行優化，得出傾角對基坑整體穩定性的影響呈拋物線的現象，存在一個最優傾角；該最優傾角為11°左右，在原有工程造價不變的基礎上，實踐證明將原設計中土釘傾角改為11°，大幅提高了施工安全。

參考文獻

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[4]王巍，劉斯宏.土釘傾角對斜面加固效果影響的試驗研究[J].人民珠江，2010，6（5）：23-27.

[5]王巍，黃吳.土釘角度對斜面加固效果影響的有限元分析[J].人民珠江，2014，5（8）：26-33.

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[11]張偉軍，丁向東.復合土釘墻在深基坑工程中的應用[J].江蘇建筑（2014增刊）.