基坑邊坡土釘墻支護效果研究

摘 要：【目的】基坑邊坡放坡開挖過程中易產生破壞，對基坑邊坡進行支護以保證工程安全施工具有重要意義，因此有必要對土釘墻支護效果進行研究。【方法】以福州市某基坑工程為研究對象，構建該基坑邊坡三維網格模型，采用有限差分法計算該邊坡在未采用土釘墻支護和采用土釘墻支護兩種情況下的穩定性系數和位移量。【結果】未采用土釘墻支護時，該邊坡在天然工況和暴雨工況下的穩定性系數分別為0.85和0.73，邊坡最大位移量分別為112.5 mm和125.8 mm；采用土釘墻支護后，穩定性系數分別為1.31和1.24，最大位移量分別為27.8 mm和28.0 mm。【結論】土釘墻支護顯著減少了坡體位移量，提升了邊坡的整體穩定性。

關鍵詞：基坑邊坡；土釘墻支護；邊坡穩定性；坡體位移

中圖分類號：TU753 文獻標志碼：A 文章編號：1003-5168（2024）17-0061-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.17.013

Research on the Effect of Soil Nail Wall Support for Pit Slopes

BAI Jinfeng

（Guangdong Shunxie Engineering Survey Co.， Ltd.， Fujian Branch， Quanzhou 362000， China）

Abstract： [Purposes] Since it is easy to cause damage during the excavation of foundation pit slope， to support the foundation pit slope is of great importance to ensure the safe construction of the project. Therefore， it is necessary to study the effect of soil nailing wall support on slope stability. [Methods] Taking a foundation pit project in Fuzhou as the research object， this paper constructed a three-dimensional grid model of the slope of the foundation pit， and used the finite difference method to calculate the stability and displacement of the slope without soil nail support and with soil nail support. [Findings] The stability coefficients of the slope under natural condition and rainstorm condition were 0.85 and 0.73， and the maximum slope displacements were 112.5 mm and 125.8 mm， respectively， without soil nail wall support; the stability coefficients of the slope under soil nail wall support were 1.31 and 1.24， and the maximum displacements were 27.8 mm and 28.0 mm， respectively. [Conclusions] Soil nail wall support significantly reduces the slope displacement and improves the overall stability of the slope.

Keywords： foundation pit slope; soil nail wall support; slope stability; slope displacement

0 引言

隨著城市化進程的加快，城市對于高層建筑和地下空間的需求也不斷增加。復雜的上層建筑和更多的地下空間需求給基坑工程的設計和施工帶來了更大的挑戰［1-2］。由于基坑周圍軟弱土體的易破壞性和施工的時效性，使基坑開挖過程中極容易發生坍塌和滑坡破壞［3-4］。因此，對基坑進行合理的支護以保證基坑開挖施工的安全具有重要意義［5-6］。

國內外學者針對基坑開挖支護方法進行了大量研究，推動了基坑支護方法的不斷發展。孫志浩等［7］以某偏壓綜合管廊基坑為例，通過有限元方法對該基坑進行了模擬，驗證了模型的有效性，并對該基坑參數進行了分析，研究了支護結構長度、彈性模量和等效厚度對基坑支護結構變形的影響。崔澤恒等［8］建立了4種軟土地層深基坑模型，通過將離心模型試驗的監測結果與有限元軟件建立的等比例數值模型模擬結果相互驗證，分析了支護樁端在軟土中的深基坑變形和破壞模式，以及支護結構的加固效果。朱湘旭等［9］以寧句城際軌道句容站基坑工程為研究對象，通過現場監測和數值模擬方法，研究了硬質地層中的偏壓荷載對基坑圍護樁樁身彎矩和水平位移的影響規律。

本研究以福州某小學教學樓地下室基坑為例，通過有限差分方法研究土釘墻支護對該基坑邊坡穩定性的提升效果，對類似基坑邊坡支護設計和驗證具有一定的參考意義。

1 工程概況

該基坑為福州某小學教學樓地下室基坑，教學樓為5層建筑，地下室為一層。基坑北側邊界距離道路約18 m，西側邊界距離道路約10 m，南側距離圖書樓下部地下室約30 m。基坑基底標高2.20～3.0 m，開挖深度為5.20～6.0 m，基坑開挖范圍內，組成基坑壁的土層主要為雜填土、粉質黏土、淤泥。該基坑整體穩定性較差，側壁及坑底均存在軟弱土層，坑壁土層中各巖土層抗剪強度低、穩定坡角小，自穩能力差，在未采取支護措施的情況下，基坑開挖后基坑側壁土層將會產生垮塌或滑移現象。為防止坍塌，基坑開挖必須進行基坑支護。綜合評定該基坑工程安全等級為一級，工程重要性系數γ0=1.10。

該基坑采用放坡法分兩層開挖，第一層放坡開挖深度為3 m，坡比為1∶1.5，第二層放坡開挖深度為2.2 m，坡比1∶1.25，中間臺階寬為1 m。為了防止基坑開挖過程出現垮塌或滑移破壞，采用土釘墻對開挖后的邊坡進行支護。土釘直徑為22 mm，長度為8 m，與水平方向夾角為15°，橫縱間距均為1 m，如圖1所示。墻體厚80 mm，采用C30混凝土噴射形成。

2 工程地質條件

2.1 地形地貌

擬建基坑位于福州市倉山區城門鎮內，擬建場地現狀為空地，北側為現狀路和三江口高級中學，東側為規劃縱六路，西側為現狀路和三江口高級中學，南側為空地和下洋路。場地內及場地周邊未發現管線。場地地貌單元為沖淤積平原地貌。

2.2 巖土體特征

該場地第四紀土層以人工堆填、淤積、沖洪積成因為主，基底母巖為燕山晚期花崗巖，場地內覆蓋層主要為第四系不同成因類型的巖土層。

2.3 水文地質條件

基坑工程場地的地下水類型為雜填土中的上層滯水、細砂中的孔隙承壓水以及花崗巖中的承壓水—孔隙裂隙水。上層滯水水位和水量隨季節性氣候影響變化較大，水量較小，主要受地表水及大氣降水補給。孔隙承壓水水量較大主要受含水層的側向徑流補給。承壓水—孔隙裂隙水主要受大氣降水及地下側向徑流補給。場地上部地下水初見水位埋深1.0～2.0 m（標高5.86～6.86 m），下部地下水埋深3.40～6.90 m（標高-4.34～4.58 m）。

2.4 區域地質構造

擬建基坑位于武夷—戴云隆褶帶閩東火山斷拗帶內。區域范圍內構造總體軸向為南北東向，北西向構造斜穿本區，同時在區內存在南嶺緯向構造帶。無活動斷裂通過本場地，區域穩定性較好。

3 數值模型構建

3.1 基坑邊坡模型

為了對邊坡開挖過程中的穩定性進行分析，以圖1中剖面為典型剖面，構建了邊坡三維網格模型，以用于邊坡穩定性的數值計算。邊坡網格模型如圖2所示，該邊坡模型高10 m、長18 m、寬6 m，一共包含62 239個網格和36 610個節點。該模型一共包含5個地層，分別是雜填土、雜填土（開挖部分）、粉質黏土、粉質黏土（開挖部分）和細砂。土層采用摩爾-庫倫本構模型，土釘采用cable單元進行模擬，墻體采用shell單元進行模擬。

3.2 巖土體參數取值

巖土體參數取值是否準確合理會影響邊坡穩定性計算結果的合理性。本研究基于野外勘察和室內試驗結果，結合本地區的基坑工程經驗，對巖土體在天然工況和暴雨工況下的物理力學參數進行取值，見表1。

4 土釘墻支護效果分析

4.1 未支護情況下邊坡穩定性分析

為了分析土釘墻支護形式對于基坑邊坡穩定性的提升效果，采用有限差分法對該基坑邊坡未采用土釘墻支護和采用土釘墻支護兩種情況下的穩定性系數和位移進行了計算，每種情況均考慮了天然工況和暴雨工況兩種工況。首先，對未開挖的基坑邊坡進行地應力平衡計算，然后對平衡地應力之后的模型中的開挖部分地層進行移除，進而計算邊坡的穩定性系數和坡體位移。

該基坑邊坡未采用土釘墻支護情況下，在天然工況和暴雨工況下的穩定性和位移如圖3和圖4所示。由圖3可知，未采用土釘墻支護時，該基坑邊坡在天然工況下的穩定性系數為0.85，該邊坡處于不穩定狀態。坡體位移最大的部分位于第一層放坡開挖的坡體，最大位移量為112.5 mm，第二層放坡開挖的坡體位移量為20～70 mm。由圖4可知，該基坑邊坡在暴雨工況下的穩定性系數為0.73，該邊坡也處于不穩定狀態。暴雨工況下該邊坡的位移分布特點與天然工況下相似，坡體位移最大的部分也位于第一層放坡開挖的坡體，最大位移量為125.8 mm。由計算結果可知，該邊坡在未進行土釘墻支護時處于不穩定狀態，坡體位移量較大，需要對邊坡進行支護以保證施工安全。

4.2 支護情況下邊坡穩定性分析

該基坑邊坡采用土釘墻支護情況下，在天然工況和暴雨工況下的穩定性和位移如圖5和圖6所示。由圖5可知，采用土釘墻支護時，該基坑邊坡在天然工況下的穩定性系數為1.31，該邊坡處于穩定狀態。坡體位移分布特點與未采用土釘墻支護時明顯不同。位移最大的部分位于第二層放坡開挖的坡體，最大位移量為28.0 mm，第一層放坡開挖的坡體位移量為5～17.5 mm。由圖6可知，該基坑邊坡在暴雨工況下的穩定性系數為1.24，該邊坡處于穩定狀態。暴雨工況下該邊坡的位移分布特點與天然工況下相似，坡體位移最大的部分也位于第二層放坡開挖的坡體，最大位移量為27.8 mm。由計算結果可知，該邊坡在進行土釘墻支護時處于穩定狀態，坡體位移量與未支護時相比大幅降低，坡體穩定性顯著提升。

值得注意的是，第二層放坡開挖的頂部坡體部位未打土釘，因此其位移量最大。為提升基坑開挖過程中的安全性，可在此部位增設一排土釘以降低其位移，以提升邊坡的整體穩定性。

由邊坡的穩定性和位移分析可知，未進行土釘支護時，坡體位移量較大，該基坑邊坡處于不穩定狀態；進行土釘墻支護后，邊坡的位移量大幅降低，且邊坡處于穩定狀態。因此，土釘墻支護顯著減小了坡體位移量，對于基坑邊坡的整體穩定性具有明顯的提升作用。

5 結論

基坑邊坡放坡開挖過程中易產生破壞，因此，應采用土釘墻對邊坡進行支護。為了驗證土釘墻支護對邊坡穩定性的提升效果，本研究構建了基坑邊坡三維網格模型，采用有限差分法計算了該邊坡在未采用土釘墻支護和采用土釘墻支護兩種情況下的穩定性系數和位移量，得出以下結論。

①未采用土釘墻支護時，該邊坡在天然工況和暴雨工況下的穩定性系數分別為0.85和0.73，邊坡處于不穩定狀態；采用土釘墻支護后，該邊坡在天然工況和暴雨工況下的穩定性系數分別為1.31和1.24，邊坡處于穩定狀態，土釘墻支護顯著提升了邊坡的整體穩定性。

②未采用土釘墻支護時，該邊坡在天然工況和暴雨工況下的最大位移量分別為112.5 mm和125.8 mm；采用土釘墻支護后，該邊坡在天然工況和暴雨工況下的最大位移量分別為27.8 mm和28.0 mm，土釘墻支護顯著減小了坡體位移。

參考文獻：

［1］沈榮鋒.預應力錨桿在基坑支護加固工程中的應用研究：以南京某基坑加固工程為例［J］.河南科技，2021，40（18）：103-105.

［2］王貴美，周建亮.高層建筑深基坑支護結構位移動態監測方法［J］.哈爾濱工程大學學報，2024，45（4）：717-721.

［3］施生喜.深基坑工程中微型鋼管樁預應力錨桿索組合支護技術應用研究［J］.河南科技，2021，40（31）： 90-93.

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

［5］劉永超，劉巖，李兵兵，等.基于基坑支護工程的區段復式配筋預應力管樁抗彎試驗及數值模擬［J］.巖土工程學報，2024，46（2）： 406-414.

［6］慕煥東，鄧亞虹，張文棟，等.洛陽地鐵車站基坑支護變形特性模型試驗研究［J］.巖土工程學報，2021，43（S1）： 198-203.

［7］孫志浩，徐長節，房玲明，等.非對稱荷載下內撐式基坑支護結構參數分析及設計優化探討［J］.應用力學學報，2024，41（1）： 158-168.

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

［9］朱湘旭，徐昭辰，章定文，等.硬質地層中偏壓基坑支護結構受力特性研究［J］.巖土工程學報，2021，43（S2）： 166-169.

收稿日期：2024-02-24

作者簡介：白錦烽（1979—），男，本科，高級工程師，研究方向：工程勘察設計。