彭永强

（湖南麓谷建设工程有限公司，湖南 长沙 410000）

土钉墙支护以其效果好、成本低，被广泛应用于深基坑工程支护，展现出良好的应用效果。现有的文献资料多为研究土钉墙的支护效果以及受力变形规律，结合工程实践研究土钉墙支护稳定性的资料较少。基于此，本文结合某深基坑工程，通过实地勘测和数据分析总结应用土钉墙支护的深基坑边坡稳定性以及变形情况，从土钉的长度、间距、入射角入手研究深基坑工程中土钉墙支护效果的方法。

1 工程概况

麓谷·山湖郡项目二期建筑有5 栋多层住宅楼，土方开挖共计8300m2，基坑深度1.50～8.5m。由于该建筑的基坑较深，基坑周边安全等级为Ⅱ级。 建筑施工场地主要覆盖层为人工充填、第四系-全新世开挖层、第四系残留层，下伏基岩为燕山期花岗岩地层，地面标高42.38～49.06m，高差最大7.79m。地下水包括表层水和岩石裂缝水，地下水补充来源为自然降水和地表水。 由于建筑工程施工场地位于亚热带季风气候区，气候温暖湿润，降雨量大，导致地下水位波动明显，施工区域内稳定地下水位埋深1.50～3.50m。基坑开挖范围内土层分布见表1。

表1 岩土层分布及材料参数

2 基坑支护结构设计

在设计建筑工程深基坑工程支护结构时需要重点考虑建筑主体以及基坑支护结构的稳定性，确保基坑变形在安全范围。该建筑工程深基坑支护采取北、西、东侧实行放坡＋排桩＋锚索综合运用的支护方案。该建筑工程基坑东侧、南侧采用土钉墙支护，基坑边坡倾角比为1:1，土钉共布设6 排，土钉水平倾角15°，垂直间距1.2m，横向间距1.3m，钉孔直径100mm。土钉墙支护结构如图1 所示。

图1 土钉墙支护结构剖面图（单位：mm）

3 土钉墙基坑安全性分析

3.1 土钉墙基坑整体稳定性分析

按照当前深基坑工程边坡支护施工规范，通过计算验证边坡结构的整体稳定性，在不同工况下深基坑土钉墙稳定性计算结果见表2。

表2 各工况下土钉墙稳定性计算结果

根据上表数据可以发现，不同工况下的土钉墙支护深基坑边坡安全系数均满足大于1.30，符合施工设计要求。

3.2 基坑坡顶变形分析

开挖深基坑时，布设土钉墙的边坡顶部变形如图2所示。

图2 基坑顶的变形

基于图2 可知，开挖基坑时，基坑边坡顶部出现变形，边坡沉降大于水平位移，现场测得的边坡顶部变形值低于计算值。基坑开挖深度越大，边坡顶部的水平位移和沉降越大。当开挖至基坑底部时，边坡顶部的水平位移和沉降分别达到最大值10.7mm、13.6mm。但布设有土钉墙支护结构的基坑边坡顶部变形不明显，符合施工设计要求。

3.3 土钉抗拔承载力分析

开挖深基坑时，土钉轴力变化如图3 所示。

根据图3 可以看出，基坑开挖深度与土钉的轴力成正比。在任何开挖条件下，第一排土钉的轴向力始终最大。基坑开挖到底部时，第一排土钉轴向力最大可达41.57kN。布设第二排土钉时，基坑开挖作业导致的侧向土压力变大，主要由前排土钉墙承压，第二排土钉强承受的土压力较小。此外，所有土钉墙的轴向力明显低于标准抗拔力，符合施工设计要求。

图3 土钉的轴力变化

4 土钉墙支护基坑边坡的影响因素分析

本次研究运用单因素分析找出最理想的基坑支护方案，分别针土钉长度、横向间距、入射角着三种因素进行计算分析，明确多种工况下的基坑边坡稳定性以及边坡顶部变形情况。

4.1 土钉长度的影响

4.1.1 为使土钉墙的加固作用得到有效发挥，减少材料浪费，本次研究针对不同长度的土钉进行计算分析，具体见表3，总结土钉长度与基坑边坡安全系数之间的关系，多种基坑开挖条件下的边坡安全系数变化情况如图4 所示，基坑开挖深度与基坑边坡顶部的安全系数成反比，但安全系数的下降速度逐渐变小。开挖至坑底时，方案5 对应的基坑边坡顶部安全系数为1.15，不符合施工安全要求，而其他方案在不同基坑开挖条件下的安全系数相似，表示土钉长度能够提高基坑边坡的安全系数。

图4 坡顶安全系数与土钉长度的关系

表3 土钉长度计算方案

4.1.2 基坑开挖深度与基坑边坡顶部的水平位移成正比，同时水平位移增加速度越来越快。方案5 对应的基坑边坡顶部水平位移最大。基坑开挖至底部时，边坡顶部水平位移为25.3mm；方案04 对应的边坡顶部水平位移为13.9mm。方案01 、方案02、方案03 对应的边坡顶部水平位移最大值分别为10.9、11.2、11.8mm。

4.1.3 基坑开挖深度与基坑边坡顶部沉降成正比，且沉降速度不断增加。开挖至坑底时，方案5 对应的边坡顶部沉降达26.6mm，方案01、方案02、方案03、方案04对应的边坡顶部沉降分别为13.4mm、14.1mm、14.8mm、15.8mm，说明增加土钉长度可有效减少基坑边坡顶部沉降。

4.2 土钉横向间距的影响

分析土钉横向间距为1.0m、1.2m、1.4m、1.6m 时的基坑支护情况，研究间距与基坑边坡安全系数、坡顶变形之间的关系，具体如图5 所示。

图5 边坡安全系数与土钉横向间距的关系

根据图5 可以看出，基坑开挖深度与基坑边坡安全系数成反比，但随着开挖深度的增加，基坑边坡的安全系数下降速度越来越小。当开挖至坑底（6.1m）时，不同土钉横向间距1.0m、1.2m、1.4m 和1.6 m 下，基坑边坡安全系数为1.47、1.42、1.37、1.31，说明开挖深度不变的情况下，土钉横向间距与基坑边坡安全系数成反比；此外，随着间距的增加，基坑边坡顶部水平位移和沉降变大，且变化幅度与基坑开挖深度成正比，说明土钉横向间距对基坑边坡坡顶变形有显著影响。

4.3 土钉入射角度的影响

针对土钉入射角5°、10°、15°、20°时的基坑边坡稳定性和变形情况开展研究，总结入射角与基坑边坡安全系数之间的关系，具体见图6。

从图6 可以看出，如果基坑还未开挖到底部，此时开挖边坡的安全系数与土钉入射角成反比；开挖至坑底时，取5°、10°、15°20°入射角时，边坡安全系数分别为1.33、1.39、1.42 和1.34。因为开挖到达基坑底部时，边坡滑动面剪力出口下移，而不同入射角的土钉对加固支护区的影响范围不同，从而影响边坡的安全系数。

图6 边坡安全系数与土钉入射角度的关系

此外，入射角为5°时，基坑边坡顶部水平位移、沉降最小，分别为9.8mm、11.3 mm，入射角与边坡顶部水平位移、沉降成反比。当入射角为10°、15°、20°时，相应基坑边坡水平位移分别为11.6mm、13.8mm、16.2 mm，相比入射角5°时分别增加17.3%、39.5%和63.7%，对应沉降分别为13.6mm、15.3mm、16.4 mm，相比入射角5°时分别增加啊21.5%、36.7%和46.5%。说明，入射角在5°～20°范围内时，土钉入射角与基坑边坡顶部变形成正比，对基坑边坡稳定性造成不利影响。

5 结论

基于上述现场勘测与数据分析可知该建筑基坑支护结构的稳定性、边坡顶部变形和沉降均满足施工设计要求，开挖过程安全稳定，本次研究析得出结论主要包括：

5.1 通过加长土钉可有效增加基坑边坡的安全系数，减少基坑边坡顶部变形。但当土钉长度达到一定长度时再增加土钉长度无法显著提升基坑边坡安全系数。

5.2 增加土钉横向间距会降低基坑边坡的安全系数，增加基坑边坡顶部的变形。在5°～20°范围内，增大土钉入射角将导致基坑边坡顶部变形增加，进而影响土钉支护基坑边坡的稳定性。