土釘墻支護(hù)基坑邊坡的穩(wěn)定性及影響因素分析

羅遠(yuǎn)明

(廣州華立科技職業(yè)學(xué)院， 廣東 廣州 511325)

土釘墻通過土釘與土的共同作用形成復(fù)合體，提高土體的整體穩(wěn)定性，對基坑邊坡起到支護(hù)作用。因其結(jié)構(gòu)輕型、柔性大、施工簡單、造價低等特點，在基坑工程中得到廣泛應(yīng)用。針對深基坑中土釘墻的支護(hù)問題，單仁亮等通過對基坑開挖與土釘墻支護(hù)過程的數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)基坑開挖過程中土釘墻的水平位移呈“勺形”分布且底部大于頂部，墻體水平位移最大處附近的土釘軸力最大，基坑土體為粉質(zhì)砂土?xí)r在地面超載作用下土釘墻的破壞形式為體內(nèi)破壞，滑裂面周圍土體出現(xiàn)下滑；秦會來等研究土釘墻底部土體發(fā)生地基承載力失穩(wěn)的破壞模式、破壞荷載及土釘墻墻底應(yīng)力分布特點，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)剛性淺基礎(chǔ)的地基承載力的Meyerhof解比Vesic解更接近實際，進(jìn)而提出了土釘墻地基承載力計算的合理模式；段堅堤等通過三軸試驗和數(shù)值模擬，分析了土釘邊坡的支護(hù)效果和水對土釘邊坡變形的影響，結(jié)果表明土釘支護(hù)邊坡可減少1/3的水平位移，且未支護(hù)邊坡的最大位移發(fā)生在坡腳，土釘支護(hù)邊坡的最大位移發(fā)生在坡頂。目前主要對土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)的加固效果及變形特征進(jìn)行分析，而基于實際工程的土釘墻優(yōu)化設(shè)計還有待深入研究。該文以廣州市某深基坑工程為例，基于數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，對土釘墻支護(hù)基坑的穩(wěn)定性及受力變形進(jìn)行分析，研究土釘長度、土釘橫向間距、土釘入射角度等支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)對基坑支護(hù)體系穩(wěn)定性與變形的影響。

1 工程概況

廣州市某建筑有5棟多層辦公樓及3層地下室，其中深基坑工程呈梯形，總開挖面積約7 200 m2，基坑周長378 m，基坑四側(cè)為空曠平地，開挖深度1.00～8.0 m，根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》，判定該基坑周邊環(huán)境等級為二級?？紤]到該基坑開挖深度較大，且支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞對主體結(jié)構(gòu)施工影響嚴(yán)重，支護(hù)結(jié)構(gòu)四周安全等級均采用二級。

工程場地屬于珠江三角洲沖積平原地貌，地勢較平坦，但局部還需整平，地面標(biāo)高為41.27～48.95 m，最大高差7.68 m。場地內(nèi)主要覆蓋地層有人工填土層(Q4ml)、第四系全新統(tǒng)沖洪積層(Q4al+pl)、第四系殘積層(Qel)，下伏基巖為燕山期花崗巖(γ)地層。基坑開挖范圍內(nèi)土層分布見表1。

表1 巖土層分布及材料參數(shù)

地下水主要有2層，分別為上層滯水、基巖裂隙水(為潛水)，補償來源為大氣降水與地表水。由于地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，溫暖潮濕，雨量充沛，地下水位波動較大，場地內(nèi)穩(wěn)定地下水位埋深為1.50～3.50 m。

2 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

基坑工程支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計思路是保證支護(hù)體系在基坑開挖和主體結(jié)構(gòu)施工中安全可靠，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，變形可控。在基坑的北側(cè)、西側(cè)和東側(cè)采用淺部填土放坡+排樁+錨索的聯(lián)合支護(hù)形式，其中：放坡坡率為1∶2，坡面掛直徑6.5 mm、縱橫間距為200 mm的鋼筋網(wǎng)，噴射100 mm厚C20細(xì)石砼；排樁樁徑為1 m，樁間距為1. 3 m；錨索采用由3束7條直徑5 mm鋼絲扎成的低松弛1860級預(yù)應(yīng)力鋼絞線，錨固力為300 kN，錨固長度14 m，自由段為6 m。

基坑南側(cè)和東南側(cè)均采用土釘墻支護(hù)，坡面坡率為1∶1，共設(shè)5排土釘，水平傾角為15°，豎向間距1.2 m，水平間距1.3 m，孔徑100 mm。由上至下前2排的土釘長度均為12 m，后3排的土釘長度均為8 m，中心拉桿采用直徑25 mm的鋼筋，孔內(nèi)貫入水灰比為0.5的水泥漿。土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖(單位：mm)

3 土釘墻基坑安全性分析

3.1 土釘墻基坑整體穩(wěn)定性分析

根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》的要求，采用畢肖普法對土釘墻支護(hù)段的基坑進(jìn)行整體穩(wěn)定性驗算，各工況下基坑安全系數(shù)見表2。

表2 各工況下土釘墻穩(wěn)定性計算結(jié)果

由表2可知：各開挖工況下土釘墻支護(hù)段的基坑安全系數(shù)均滿足Fst>1.30的要求。

3.2 基坑坡頂變形分析

基坑開挖過程中土釘墻坡頂?shù)乃轿灰坪统两底兓妶D2。

圖2 基坑頂?shù)淖冃?/p>

由圖2可知：在基坑開挖過程中，坡頂產(chǎn)生了一定變形。相對來說，沉降值大于水平位移值，現(xiàn)場實測變形量小于計算變形量。隨著開挖深度的增加，坡頂水平位移和沉降增大。開挖到坑底時，坡頂水平位移和沉降達(dá)到最大，分別為10.9和13.8 mm，而實測值分別為8.9和10.7 mm?？梢?，在整個開挖過程中，土釘墻支護(hù)段坑頂?shù)淖冃瘟枯^小，滿足設(shè)計要求。

3.3 土釘抗拔承載力分析

基坑開挖過程中土釘?shù)妮S力變化見圖3。

圖3 土釘?shù)妮S力變化

由圖3可知：隨著開挖深度的增加，各排土釘?shù)妮S力增大。第1排土釘在各開挖工況下的軸力最大，基坑開挖至坑底時，其最大軸力為41.35 kN。主要是因為第1排土釘錨固最深，其承受的荷載更大。隨著開挖深度的增加，土體變形越大，土釘?shù)谋粍邮芰σ苍酱?。各排土釘在剛植入時，軸力增長速率較小，隨著開挖深度的增加，增幅逐漸增大。這是因為第2排土釘植入時，土方開挖引起的側(cè)向土壓力增量主要由前一排土釘承擔(dān)，作用在第2排土釘上的土壓力較小。此外，各排土釘?shù)妮S力均遠(yuǎn)小于其抗拔承載力標(biāo)準(zhǔn)值，滿足設(shè)計要求。

4 土釘墻支護(hù)基坑邊坡的影響因素分析

為探索基坑最優(yōu)支護(hù)方法，采用單因素分析法，將土釘墻支護(hù)中不同土釘長度、土釘橫向間距及入射角度作為研究參數(shù)，計算不同工況下基坑邊坡的安全系數(shù)和坡頂變形。

4.1 土釘長度的影響

為充分發(fā)揮土釘對土體的加固作用，同時避免材料浪費，取不同土釘長度(見表3)進(jìn)行分析，計算得到土釘墻在各開挖工況下基坑邊坡安全系數(shù)及坡頂變形(見圖4～6)。

表3 土釘長度計算方案

圖4 坡頂安全系數(shù)與土釘長度的關(guān)系

從圖4可以看出：隨著基坑開挖深度的增加，坡頂安全系數(shù)降低，但下降速率逐漸減緩?；娱_挖至3.2 m深度時，方案5下基坑邊坡的安全系數(shù)比其他方案下降更快；開挖至坑底時，方案5下邊坡的安全系數(shù)為1.14，不滿足要求。其他方案在各開挖工況下邊坡的安全系數(shù)非常接近。說明增加土釘長度能在一定程度上提高邊坡的安全系數(shù)，但土釘長度較大時，土釘長度的增加已無助于提高基坑邊坡的安全性。

由圖5可知：隨著基坑開挖深度的增加，邊坡坡頂?shù)乃轿灰圃龃?，且水平位移增長速率不斷提高。其中方案5下坡頂?shù)乃轿灰谱畲?，基坑開挖至坑底時，坡頂水平位移達(dá)到25.2 mm；其次是方案4，坡頂最大水平位移為13.8 mm；方案1～3下坡頂最大水平位移分別為10.8、11.1、11.9 mm。可見，土釘長度增加能有效減少基坑邊坡坡頂?shù)乃轿灰?，但土釘長度超過某一限值時，繼續(xù)增加土釘長度，對坡頂水平位移的限制作用會逐漸減弱。另外，“上長下短”的土釘布置形式優(yōu)于“下長上短”的布置形式。

圖5 坑頂水平位移與土釘長度的關(guān)系

由圖6可知：基坑坡頂?shù)某两导捌涑两邓俾孰S基坑開挖深度的增加而增大。開挖到坑底時，方案5下坡頂沉降為26.5 mm，方案1～4下坡頂沉降分別13.3、14.0、14.7、15.7mm?？梢?，土釘長度增加能在一定程度上減少坡頂沉降，但土釘長度超過一定限值時，繼續(xù)增加土釘長度對坡頂沉降的控制作用已不明顯。

圖6 坡頂沉降與土釘長度的關(guān)系

4.2 土釘橫向間距的影響

分別取土釘橫向間距為1.0、1.2、1.4、1.6 m進(jìn)行模擬，不同土釘橫向間距時基坑邊坡的安全系數(shù)和坡頂變形見圖7～9。

圖7 邊坡安全系數(shù)與土釘橫向間距的關(guān)系

由圖7可知：開挖越深，基坑邊坡的安全系數(shù)越低，但安全系數(shù)下降速率隨開挖深度的增加逐漸放緩?；娱_挖至坑底(6.1 m)時，土釘橫向間距1.0、1.2、1.4、1.6 m所對應(yīng)的邊坡安全系數(shù)分別為1.46、1.41、1.36、1.30?？梢?，在同一開挖深度下，土釘橫向間距增大會使基坑邊坡的安全系數(shù)減小。

由圖8、圖9可知：土釘橫向間距增加會使基坑邊坡坡頂?shù)乃轿灰坪统两翟龃?，且其增幅隨基坑開挖深度的增大而顯著增加。土釘橫向間距為1.6、1.0 m時，基坑邊坡坡頂最大水平位移分別為17.6、12.1 mm，坡頂最大沉降分別為17.7、13.8 mm，橫向間距為1.6 m時，基坑坡頂最大水平位移和最大沉降值比橫向間距為1.0 m時分別增加45.5%、28.3%?？梢姡玲敊M向間距對基坑邊坡坡頂變形的影響很大。

圖8 坡頂水平位移與土釘橫向間距的關(guān)系

圖9 坡頂沉降與土釘橫向間距的關(guān)系

4.3 土釘入射角度的影響

分別取土釘入射角度為5°、10°、15°、20°進(jìn)行分析，不同入射角度時基坑邊坡的安全系數(shù)和坡頂變形見圖10～12。

圖10 邊坡安全系數(shù)與土釘入射角度的關(guān)系

由圖10可知：基坑還未開挖至坑底時，基坑邊坡的安全系數(shù)隨土釘入射角度的減小而增大；開挖至坑底時，土釘入射角度5°、10°、15°和20°所對應(yīng)的邊坡安全系數(shù)分別為1.32、1.38、1.41和1.33。這是因為基坑開挖至坑底時，基坑邊坡滑動面剪出口往下移，而不同入射角度的土釘對加固區(qū)域的影響范圍有所改變，因而基坑邊坡的穩(wěn)定性發(fā)生變化。

由圖11、圖12可知：土釘入射角度為5°時，坡頂水平位移和沉降最小，分別為9.9和11.2 mm。隨著土釘入射角度的增大，坡頂水平位移和沉降增加。入射角度為10°、15°和20°時，坡頂最大水平位移分別為11.6、13.8和16.2 mm，比入射角度為5°時分別增加17.2%、39.4%和63.6%；最大沉降分別為13.6、15.3和16.4 mm，比入射角度為5°時分別增加21.4%、36.6%和46.4%。可見，在5°～20°范圍內(nèi)，增大土釘入射角度會使基坑坡頂變形增大，降低土釘支護(hù)基坑邊坡的安全性。

圖11 坡頂水平位移與土釘入射角度的關(guān)系

圖12 坡頂沉降與土釘入射角度的關(guān)系

5 結(jié)論

(1) 根據(jù)計算與實測結(jié)果，該深基坑的穩(wěn)定性、變形及土釘抗拔承載力均滿足設(shè)計要求，基坑開挖過程安全、穩(wěn)定。

(2) 增加土釘長度能在一定程度上提高邊坡的安全系數(shù)、減少基坑坡頂?shù)淖冃?。但土釘長度較大時，繼續(xù)增加土釘長度對于邊坡安全系數(shù)的提高已不明顯；“上長下短”的土釘布置形式優(yōu)于“下長上短”的布置形式。

(3) 增大土釘?shù)臋M向間距會使邊坡的安全系數(shù)減小、基坑坡頂?shù)淖冃卧龃?。?°～20°范圍內(nèi)，增大土釘入射角度會使基坑坡頂變形增大，降低土釘支護(hù)基坑邊坡的安全性。