支護參數對基坑潛在滑移模式與穩定性的影響研究

呂仁軍，蔣 碩

(山東省物化探勘察院，山東省地質勘察工程技術研究中心，山東 濟南 250013)

隨著我國城鎮化進程的加快，基礎設施建設持續、快速的發展，建筑工程行業發展需求依然穩固。基坑工程是建筑工程中綜合性很強的系統工程，近年來，隨著工程建設發展趨勢逐漸大型化，基坑開挖深度不斷增加，基坑支護不當引發的安全問題日益凸顯[1-2]，成為影響工程質量的重要方面。因此，從保證基坑穩定、節省支護材料方面考慮，有必要開展支護參數對基坑穩定性影響的研究。

國內外學者在基坑支護方面開展了大量的工作，并取得了豐碩的成果。莫海鴻等[3]采用桿系有限元增量法分析各種基坑開挖情況的支護樁受力，形成了比較完整的支護樁結構優化設計體系。楊雪強等[4]在進行土壓力計算時考慮了三維空間效應，并提出了相關計算公式，對于基坑地下連續墻支護具有較好的適用性。楊光華[5]針對基坑支護結構設計、計算過程中的關鍵問題，提出了一套系統的計算方法，可較好的計算基坑的受力和變形，并在工程中取得良好應用。宋二祥等[6]利用三維有限元分析法對長江大橋北錨碇基礎施工工藝進行模擬計算，分析了基坑穩定性的影響因素并對基坑設計的合理性進行了評價，并論證了計算方法的可靠性。俞建霖等[7]采用空間有限單元法對基坑支護結構變形、地表沉降進行分析，探討了影響基坑支護結構變形的因素，并以實際工程為例，驗證了分析方法的合理性。Ratnam等[8]研究了簡支梁在集中軸向周期荷載作用下的動力穩定特性，重點研究了過渡地基參數對簡支梁動力穩定性的影響。Zhang 等[9]以某在建工程基坑周邊既有建筑物為例，論證了基坑施工對鄰近建筑物沉降的影響，認為既有建筑物在基坑開挖過程中的地層沉降不僅受開挖土體施工任務的影響，而且受基坑施工中降水土體的影響較大。李常茂等[10]通過現場監測分析了軟土深基坑的空間變形特征，并提出了基坑變形判別依據。徐長節等[11]利用平面彈塑性有限元法對不同支護參數下基坑變形進行了討論，總結得出了基坑側向變形特性。李志宏等[12]通過三維數值模擬開展了基坑支護全過程的變形分析，研究支撐體系支護參數對基坑支護效果的影響程度。李柏生等[13]結合工程實例具體分析樁錨支護結構設計參數對錨桿內力、長度、支護樁內力、支護樁嵌固深度和樁頂位移的影響。史吏等[14]通過建立的有限元強度折減模型分析了偏壓對軟土基坑的影響，并同極限平衡法相對比，認為極限平衡法在基坑偏壓穩定性分析中偏保守。

由此可知，前人在不同支護方案優選、基坑支護結構變形、受力、支護參數對基坑穩定性的影響方面開展了廣泛的研究，而關于不同土釘參數在建筑深基坑支護方面的研究較少。因此，本文以濟南漢峪B9地塊深基坑為工程背景，在制定并優化支護方案的基礎上開展了土釘傾角、位置、長度等對基坑穩定性的影響研究，提出了合理土釘支護參數，研究可為建筑基坑支護方案的制定與施工工藝參數的選擇提供借鑒。

1 工程概況

擬建場地位于濟南高新區漢峪片區，奧體片區以東。初步計劃建設11幢高層住宅。其中，地上建筑18層，地下建筑1～2層，采用框架—剪力墻結構。場區周邊環境地勢開闊，場地地形起伏變化較大，基坑西側距在建大漢峪西8.2～10.0 m，目前在建大漢峪西路處于前期準備階段，預計基坑回填時在建大漢峪西路仍處于施工階段，不會投入使用。埋設電纜(東西向)位于基坑南側地面下，埋深2.0 m左右，距基礎邊線最近處約11.3 m，基坑東側、北側均無影響基坑開挖建筑物。

(1)場地地形地貌。擬建場地為山前沖洪積平原地貌單元，場地大部分區域分布有人工填土，地形起伏較大，勘察期間最大高差約20.15 m。現場地已整平至178.00～187.00 m。

(2)場地地下水。區域水文地質資料顯示，場地內地下水埋深50 m以上。勘探期間、勘探深度內未測得地下水穩定水位，地下水對建筑材料的腐蝕性及對建筑物的影響較小，不予考慮。受季節影響，勘區內第四系孔隙水變化較大，季節性第四系孔隙潛水有隱患危險，雨季后危險性最大，潛藏于碎石土或基巖表面中。枯水期，潛水靜止水位呈下降趨勢，最終消失。

(3)工程地質條件。場區第四系地層主要包含人工填土、坡洪積成因的黏性土、碎石土，下伏奧陶系石灰巖、燕山期輝長巖，可分為6層，自上而下為：①層雜填土；②層黃土狀粉質黏土、②-1層碎石混粉質黏土；③層粉質黏土、③-1層碎石混粉質黏土；④層粉質黏土、④-1層碎石混粉質黏土；⑤-1層強風化泥質灰巖、⑤-2層中風化泥質灰巖、⑤-3層石灰巖(較破碎)、⑤層石灰巖(較完整)；⑥-1層全風化輝長巖、⑥-2層強風化輝長巖、⑥-3層全風化角礫狀泥灰巖、⑥層強風化角礫狀泥灰巖。

2 基坑支護方案確定

根據基坑地質勘察結果、基坑開挖深度以及基坑四周環境，此次將基坑支護分為7個支護剖面。各剖面主要采用放坡、土釘、錨桿聯合支護，具體支護方式見表1。以7-7剖面為例，展示支護設計圖，如圖1所示。

表1 坡面支護方式Tab.1 Slope supporting method

圖1 7-7段剖面支護設計Fig.1 Supporting design of 7-7 section

3 基坑支護參數分析

3.1 支護方案分析

為了檢驗設計支護方案的合理性，基于極限平衡思想[15-16]，利用GEO-Slope軟件分別計算各剖面支護前后安全系數值。基坑巖土體與錨固力學參數見表2、表3。

表2 巖土體力學參數值Tab.2 Value of geotechnical physical parameters

表3 支護力學參數取值Tab.3 Value of supporting mechanical parameters

基坑穩定性分析主要考慮放坡后基坑穩定性狀態與支護后基坑穩定性狀態，支護后基坑數值計算時根據各坡面設計的支護方案進行建模、計算，以7-7剖面為例展示進行支護后的坡面，如圖2所示。

圖2 7-7剖面數值計算模型Fig.2 Numerical calculation model of 7-7

采用Morgenstern-Price 極限平衡方法，以自動搜索滑移面的方式對各坡面支護前后狀態進行分析計算。7-7坡面支護后穩定性計算結果如圖3所示，各坡面穩定性計算結果如圖4所示。

圖3 7-7坡面穩定性計算結果Fig.3 Stability calculation result of 7-7

圖4 不同坡面穩定性計算結果Fig.4 Results of stability calculation for different slopes

由圖4可知，除3-3剖面外，各坡面支護前安全系數均在1.0以下，均不能滿足穩定性的要求，3-3剖面由于基坑開挖深度較小，坡面在放坡后穩定性能夠得到滿足。計算結果也表明坡面的安全系數并不完全由開挖深度決定，安全系數同時會受到坡面地層情況的影響。例如，7-7剖面的開挖深度為12 m大于5-5剖面的開挖深度，但7-7剖面的安全系數卻大于5-5剖面的安全系數。由此可知，在進行基坑坡面支護設計時除應考慮基坑的開挖深度，也不能忽視基坑所處地層巖土力學性質的影響。

各剖面采取支護措施后，安全系數均有所提升。其中，1-1剖面安全系數由0.544提高至1.343，提高約146.8%；2-2剖面安全系數由0.891提高至1.375，提高約54.3%；4-4剖面安全系數由0.727提高至1.463，提高約101.2%；5-5剖面安全系數由0.463提高至1.328，提高約186.8%；6-6剖面安全系數由0.749提高至1.320，提高約76.2%；7-7剖面安全系數由0.541提高至1.247，提高約130.5%。由此可知，支護后各剖面安全系數均滿足規范要求，但如1-1、5-5等剖面支護后安全系數提升較大，支護設計有進一步優化的可能性。

3.2 土釘長度對基坑穩定性影響

為避免土釘長度選擇不當造成基坑的失穩或者材料的浪費，有必要開展土釘長度對基坑坡面穩定性的影響。由于此次只考慮土釘長度對基坑穩定性的影響，將基坑簡化為只有1層粉質黏土，基坑高度12 m，放坡比例1.0∶0.5。采用極限平衡方法對不同土釘支護長度下基坑坡面的安全系數進行計算，不同支護長度與坡面安全系數關系如圖5所示。

圖5 土釘長度與安全系數關系Fig.5 Relationship between length of soil nail and safety factor

由圖5可知，基坑坡面的安全系數隨著土釘長度的增加呈現先增加后平穩不變的整體趨勢。當土釘長度小于有效支護長度時，基坑坡面的安全系數隨著土釘長度的增加而逐漸增大，二者近似呈指數函數規律，且滿足y=0.02×ex/2.02+0.92的擬合方程，相關性系數為0.989。土釘長度達到有效支護長度后基坑坡面的穩定性系數達到峰值安全系數，本次模擬條件下峰值安全系數為1.056，代入擬合方程，可得土釘的有效支護長度為8.52 m，土釘端頭至潛在滑移面的距離為7.24 m。因此，土釘長度超過潛在滑移面1.28 m時即達到有效支護長度，此時土釘長度增加對基坑坡面的穩定性不再起作用。

土釘長度9 m時基坑坡面的穩定性計算結果如圖6所示。由圖6可知，土釘支護對基坑坡面的穩定性起到促進作用，基坑坡面安全系數由未支護時的0.926提高至1.056。潛在滑移面附近土釘主要受到滑體的拉力作用，最大拉力約150 kN。

圖6 土釘長度9 m時計算結果Fig.6 Calculation results when the length of soil nail is 9 m

3.3 土釘位置對基坑穩定性影響

為了研究土釘支護位置對基坑坡面穩定性的影響，利用極限平衡分析軟件計算了不同土釘支護位置的基坑邊坡安全系數。為簡化計算，假設坡面只有1根土釘支護，土釘長15 m，以避免土釘長度影響坡面安全系數，土釘均水平打入土體。自坡頂向坡底每隔1 m進行一次支護，并計算獲得一個安全系數，由于坡面高度為12 m，共布設11次土釘，當土釘距坡頂1 m時，土釘位置為1，當土釘距坡頂2 m時土釘位置為2，以此類推，計算結果如圖7所示。由圖7可知，隨著土釘在基坑坡面位置的向下移動，坡面安全系數先增高后減小，且安全系數在達到峰值安全系數前，安全系數與土釘位置呈一次函數規律。最優土釘支護位置土釘與坡頂距離為9 m，即土釘支護在距基坑底部1/4坡面高度時的支護效果最佳。

圖7 土釘位置與安全系數關系Fig.7 Relationship between soil nailing position and safety factor

最佳支護位置與安全系數開始降低位置時的坡面滑移模式如圖8所示。由圖8(a)可知，在最佳支護位置前滑移面穿過土釘，土釘起到阻礙滑移的作用；當土釘位置為10 m時，土釘上部坡頂土體高度太大，下滑力大于抗滑力，滑移面從土釘上部切出，土釘所起作用不大，坡面安全系數降低。

圖8 不同位置潛在滑移面Fig.8 Potential slip surfaces at different locations

3.4 土釘傾角對基坑穩定性影響

為了研究不同土釘支護角度對基坑坡面防護所起作用，采用不同支護角度的數值計算模型開展相關計算。實際情況中不同傾角的土釘必然會穿過不同的土層，再用1層土層開展數值分析顯然不合適。因此，此次建立的數值計算模型包含多層土層，采用2根平行土釘支護。模型中基坑高度為12 m，放坡比例為1∶0.5，支護土釘位于坡面中間。土釘水平打入時土釘傾角為0°，假設土釘順時針轉動為正，每隔5°計算1次坡面穩定性，傾角為15°時穩定性分析結果如圖9所示，不同傾角支護時坡面安全系數計算結果如圖10所示。由圖10可知，基坑坡面的安全系數與土釘支護角度呈負相關關系，隨著土釘支護角度的增加，基坑坡面安全系數逐漸降低，二者呈一次函數關系。根據計算結果，長度15 m的土釘水平打入時支護效果最好。這是因為土釘主要用于控制坡面水平方向的移動，當土釘水平打入時，土釘中的拉力全部用于抵抗坡面水平方向運動，土釘的支護效果也最好。但考慮到施工的便利性且傾角由0°增加至20°時安全系數的變化不大，工程上一般將土釘與水平面夾角定為5°～20°。

圖9 土釘傾角15°穩定性計算結果Fig.9 Calculation results of stability of soil nailing angle of 15°

圖10 支護角度與安全系數關系Fig.10 Relationship between support angle and safety factor

4 結論

(1)針對基坑不同區域地質條件、開挖深度、基坑四周環境的不同，對進坑進行分區域治理，制定了各區域支護方案；基于極限平衡方法計算分析了基坑支護前后安全系數的變化，提出了支護優化建議。

(2)分析了土釘長度對基坑穩定性的影響，當土釘長度小于有效支護長度時，基坑坡面的安全系數隨著土釘長度的增加而逐漸增大，二者近似呈指數函數規律，通過方程式求解確定了土釘長度超出潛在滑移面1.28 m時支護效果最優。

(3)分析了土釘支護位置對基坑穩定性的影響，隨著土釘在基坑坡面位置的向下移動，坡面安全系數先增高后減小，安全系數在達到峰值安全系數前，安全系數與土釘位置呈一次函數規律，確定了最優的支護位置為距基坑底部1/4坡面高度。

(4)分析了土釘傾角對基坑穩定性的影響，發現隨著土釘支護角度的增加，基坑坡面安全系數逐漸降低，呈一次函數關系，但支護傾角由0°增加到20°過程中安全系數降低很小，考慮施工便利性，土釘支護角度一般定為5°～20°。

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