土釘+噴射混凝土加固基坑邊坡的穩定性分析

曾彩云（西南交通大學希望學院，四川 成都 610400）

土釘+噴射混凝土組合支護加固基坑邊坡的模式在工程中廣泛存在，其構成的土釘墻具有一定的抗彎強度，因而在建筑基坑邊坡加固工程中得到廣泛認可，特別對于巖土的自穩性較高、開挖深度淺的基坑，更是一種有效控制基坑側向位移變形的措施。眾多學者對此開展了研究。林杭等[1]對土釘長度變化帶來的邊坡穩定系數差異進行了有限差分數值模擬研究，研究得到如下結論：土釘長度的變化對邊坡穩定性的影響與其是否穿過滑動面密切相關。胡敏云等[2,3]結合工程實際主要研究了復合土釘墻（CSNW）在的應用和施工，對兩種計算模型的土釘軸力分布、超前樁的受力以及土體的位移模式等進行研究，結果表明：復合土釘支護與一般土釘支護加固方式的性狀有明確差異。王輝等[4,5]對三類支護加固體系的作用機理進行了分析，結果表明：不同加固體系的作用機制各異。段其品等[6]對深基坑加固設計方法進行了研究，結果表明：與基坑坑壁相關的大變形或坍塌問題構成了基坑的主要災害形式。丁勇春等[7,8]采用FLAC3D 軟件專門就基坑的變形特性進行了與荷載相關的機理研究，結果表明：放坡開挖陽角是基坑變形的不利區域，其最大側向變形位于下部坡腳位置處。張榮平等[9,10]通過數值模擬手段土釘支護與分步開挖時變形和安全系數變化過程的數值模擬，結果表明：在FLAC3D 中構建的數值計算模型是合理的，軟件所采用的分析方精度較高。朱劍鋒等[11]提出了一種全局優化算法用于預測和計算土釘加固后邊坡的滑動面，結果表明：結合了Morgenstern-Price的算法，能夠有效體現加固后邊坡的穩定性，可用于實際工程中。

通過對以上學者的研究手段的分析可知，目前針對加固后的基坑邊坡變形和安全系數計算主要涉及三類方法：數值模擬、理論分析、模型試驗。研究成果眾多，本文主要根據陜西省寶雞市一淺開挖建筑基坑工程，研究土釘+噴射混凝土方式組合支護形式的土釘墻加固基坑邊坡的穩定性特征，采用MIDAS-GTS 數值模擬軟件構建二維數值模型，主要通過分析不同坡率下的噴射混凝土型土釘墻的最大彎矩變化特征進行。

1 工程概況

本文以陜西省寶雞市一淺開挖建筑基坑工程為依托，實體基坑模型圖如圖1 所示，計劃開挖5.8m 深度，基坑開挖深度影響范圍內共有三層粉質黏土。從上至下共有三排土釘，第一和第二排土釘長度設置為5m，最下部土釘長度為3m。三層粉質黏土的性狀如下：

第一層，粉質黏土（Q4al+pl），土黃色、灰褐色，可塑，含鐵錳質結核及灰白色泥質團塊。干強度中等，中等韌性，搖振反應無，稍有光澤。層底埋深6.40m～7.30m，地層厚度2.50m～3.80m。

第二層，粉質黏土（Q3al+pl），褐黃色，硬塑，含鐵錳質結核。干強度中等，中等韌性，搖振反應無，稍有光澤。層底埋深11.30m～12.50m，地層厚度4.50m～5.50m。

第三層，粉質黏土（Q3al+pl），黃褐色，硬塑，含鐵錳質結核及灰白色泥質條帶。干強度中等，中等韌性，搖振反應無，稍有光澤。層底埋深13.40m～14.40m，地層厚度1.30m～2.40m。

各層土體的相關物理力學參數如表1所示。

表1 地層物理力學參數

2 數值模型建立

按照圖1 中所示的實體基坑模型首先在MIDAS/GTS軟件構建長寬尺寸一致的長方形待開挖模型，通過網格剖分，將上述未開挖的土體模型剖分為8152 個有限單元體，其中，包含有8101個單元節點。根據表1給出的各層土體的參數對不同區域的土體進行材料屬性設置。采用逐層分步開挖進行基坑開挖模擬和各階段的基坑邊坡支護，開挖后的基坑兩側邊界設置25MPa的強度，以模擬噴射混凝土層，基坑底部設置為自由邊界。

圖1 實體基坑模型

3 計算結果分析

為了分析邊坡坡率對噴射混凝土彎矩的影響，并通過對不同坡率條件下的噴射混凝土土釘墻最大彎矩的分析比較，確定合理的開挖坡率，設置了三種坡率開挖工況，分別為坡率為1:0.25、1:0.5、1:0.75的工況1、2、3。通過數值分析，求解得坡率為1:0.25 時的噴射混凝土的Y方向的彎矩云圖，如圖2所示；坡率為1:0.5時的噴射混凝土的Y 方向的彎矩云圖，如圖3 所示；坡率為1:0.75 時的噴射混凝土的Y 方向的彎矩云圖，如圖4 所示；此外，繪制了不同坡率條件下的最大彎矩變化圖5；最后，采用軟件內置的強度折減法計算了三種工況下的基坑邊坡穩定性，并繪制了如圖6所示的不同坡率條件下的安全系數變化圖。

3.1 坡率為1:0.25

當基坑邊坡坡率設置為1:0.25時，求解得到了如圖2 所示坡率為1:0.25 時噴射混凝土的Y 方向的彎矩云圖。

由圖2可知，基坑邊坡坡率設置為1:0.25條件下噴射混凝土的Y 方向的最大彎矩為4.46kN·m，上部兩排土釘附近處的彎矩較大，靠近坡腳處一排土釘處的最大彎矩約為1.49kN·m，噴射混凝土的彎矩分布整體呈現各排土釘位置處最大，向土釘兩側位置處的彎矩逐漸減小，減小規律呈現出線性變化特征。

圖2 工況1噴射混凝土Y向的彎矩

3.2 坡率為1:0.5

當基坑邊坡坡率設置為1:0.5 時，求解得到了如圖3所示坡率為1:0.5時噴射混凝土的Y方向的彎矩云圖。

圖3 工況2噴射混凝土Y向的彎矩

由圖3 可知，基坑邊坡坡率設置為1:0.5 條件下噴射混凝土的Y 方向的最大彎矩為3.96kN·m，上部兩排土釘附近處的彎矩較大，靠近坡腳處一排土釘處的最大彎矩約為1.98kN·m，噴射混凝土的彎矩分布整體呈現各排土釘位置處最大，向土釘兩側位置處的彎矩逐漸減小，減小規律呈現出線性變化特征。

3.3 坡率為1:0.75

當基坑邊坡坡率設置為1:0.75時，求解得到了如圖4 所示坡率為1:0.75 時噴射混凝土的Y 方向的彎矩云圖。

圖4 工況3噴射混凝土Y向的彎矩

由圖4可知，基坑邊坡坡率設置為1:0.75條件下噴射混凝土的Y 方向的最大彎矩為3.67kN·m，上部兩排土釘附近處的彎矩較大，靠近坡腳處一排土釘處的最大彎矩呈現為反方向，大小約為1.83kN·m，噴射混凝土的彎矩分布整體呈現各排土釘位置處最大，向土釘兩側位置處的彎矩逐漸減小，減小規律呈現出線性變化特征。

3.4 最大彎矩變化

根據上述分析，繪制了最大彎矩隨著工況條件的變化圖，如圖5所示。

圖5 各工況噴射混凝土Y方向的最大彎矩變化

由圖5 可知，隨著基坑邊坡坡率的降低，噴射混凝土Y方向的最大彎矩逐漸減小，相對于工況1，工況2條件下的噴射混凝土Y方向的最大彎矩減小了11.2%，工況3的噴射混凝土Y方向的最大彎矩減小了17.7%。

3.5 安全系數變化

采用軟件內置的強度折減法計算三種工況下的基坑邊坡穩定性，分別得到工況1 的安全系數為1.94，工況2 的安全系數為2.04，工況3 的安全系數為2.1，均能滿足規范要求，繪制相應的變化趨勢圖，如圖6所示，可見隨著邊坡變緩，安全系數逐漸增大。但是，考慮到坡率較大時的土方開挖量較小，從節約成本的角度，應采用工況1的基坑邊坡坡率。

圖6 安全系數隨工況變化

4 結語

本文依托陜西省寶雞市一淺開挖建筑基坑工程，分析了土釘+噴射混凝土組合形式的土釘墻加固基坑邊坡的彎矩變化和安全系數大小，得到如下結論：

（1）隨著基坑邊坡坡率的降低，噴射混凝土Y軸方向的最大彎矩逐漸減小，相對于工況1，工況2 的噴射混凝土Y 方向的最大彎矩減小了11.2%，工況3的噴射混凝土Y方向的最大彎矩減小了17.7%。

（2）三種工況下的基坑邊坡穩定性安全系數分別為1.94、2.04和2.1，可見，隨著邊坡變緩，安全系數逐漸增大，但三種工況的安全系數均能滿足規范要求。

（3）考慮到大坡率條件下的土方開挖量小，從節約成本的角度，本基坑工程應采用工況1 的基坑邊坡坡率，即1：0.25。