土钉墙支护在长春某基坑中的应用研究

摘 要：文章分析了长春某基坑工程地质条件，对基坑支护方案进行分析论证，并对所采用的土钉墙支护方案进行设计。文章采用单因素分析法，在土钉倾角合理区间内，对土钉倾角进行最优设计，得出了土钉倾角对基坑边坡稳定性影响规律。实践证明，本工程采用土钉墙支护的方案，短时高效地完成了工程任务，实现工程利润的最大化，并通过土钉倾角优化设计，在工程造价不变的情况下，大幅提升施工安全。为土钉墙支护在长春基坑工程中的应用研究提供借鉴。

关键词：基坑支护；土钉支护；土钉倾角；监测与检测

1 工程介绍

本建设项目，临近长春市南四环，位于吉林省长春市东风大街以北，大众街以东，凯达北街以西，丙九路以南。基坑支护整体平面图如图1所示。需要说明的是图中部分采用土钉墙支护，部分采用钢管桩+扩大头锚索支护。文章主要介绍土钉墙支护。

图1 基坑支护总平面图

本工程包括前期策划办公楼（地下一层，地上七层），项目团队楼（六层），研发设计综合楼（五层），停车楼（七层），整车对标试验室（局部二层）等建筑物和调车场试车跑道。工程建筑物±0.000相当于海平面高程202.0m。基坑周长约3073m，支护深度5.15m-10m，总支护面积约20000m2。

2 场地的工程地质条件（表1）

表1 基坑支护设计参数表

勘察期间，场地所有钻孔均遇见地下水，地下水类型为潜水，主要赋存于粉质粘土，稳定水位埋深为5.20-8.50m，其主要补给来源为大气降水，勘察期间正值冬季，丰水季节水位将有所上升。

3 支护方案的选定

本基坑支护工程安全等级为二级，并具有以下特点：（1）基坑面积较大，面积约20000m2，周长约3073m，基坑实际挖深度5.15m-10m。（2）基坑影响深度范围内的土层以粉质粘土为主，土质较好。（3）基坑开挖深度内无承压水含水层，仅部分支护段有少量潜水，并主要赋存于粉质粘土，对基坑开挖并无重大影响，支护墙面设置排水孔，基坑底设置排水沟。（4）基坑周边无重要建筑物和管线，对基坑变形要求较低，允许放坡。

根据《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2012）“土钉墙适用于基坑深度不宜大于12m的基坑侧壁安全等级宜为二、三级的非软土场地[1]”土钉墙施工方便灵活，能合理利用土体的自稳能力，需要的施工场地小、施工简便速度快，工期短等优点。

本工程地质条件及周边环境较为简单，并在保证安全的情况下，应尽量选择安全、经济、施工方便的支护方案。

根据支护设计总平面图和现场具体工程条件，土钉墙支护段分为9种，如表2所示。

表2 支护段分类表

支护段土钉参数。本基坑支护工程安全等级为二级。取土钉水平间距SX=1.5m，土钉倾角？兹=15°。基坑四周严禁堆土或堆载，本区段考虑施工车辆通行，地面超载应控制在30kPa以内，取超载10kPa。支护段1-9，如表3所示。

表3 支护段土钉参数表

喷射面层：面层厚度为100mm，强度C20，挂单层6.5@200×200的钢筋网，允许误差±10mm，加强筋2？I14。可用焊接或绑扎而成，搭接长度不小于一个网格边长。土钉钢筋与网片用2？I14主筋横向焊接在一起，在土钉端部用“井”字架与网片焊接在一起。面层顶部上翻地面1.0m。

4 土钉倾角优化设计

在工程建设中，土钉施工与土方开挖往往存在一些配合上的问题，工作面平整度对土钉倾角也造成影响，因此人们为简化施工和设计，常采用水平或略倾斜角度[2]。根据《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2012）：土钉倾角宜为5°-20°。同时土钉水平放置比斜向大倾角侧向位移要小而所受摩阻力却大于后者[3]，因此本部分在水平或小角度合理范围内对土钉倾角进行优化设计，充分发挥土钉应有的效能，在原有工程造价不变的情况下，大幅提高施工安全。

4.1 理论分析

根据弹塑性力学理论，土单元沿着？滓1方向产生压缩变形，而沿着？滓3方向产生伸长变形。土体加固就是要限制这种变形，因此，从理论上讲，沿？滓3方向插入土钉，可以最大程度地限制土体沿？滓3方向的伸长变形，使其加固效果比沿垂直于斜面方向插入的加固效果更为明显[4]。相关研究人员运用ADINA有限元探讨了土钉倾角对无粘性及稍含粘粒粒状体边坡加固，得出？滓3大致称平行线排列[5]。土体单元应力分布情况及土钉插入方向如图2所示。

图2 土体单元应力分布情况及土钉插入方向

考虑工程实际及地层复杂性和不可复制性，土层内最小主应力？滓3的方向是个变量，工程上土钉的插入很难严格按照变化的最小主应力？滓3的方向插入，这就需要用一个平均的角度来替代变化的最小主应力？滓3的方向[5]。因此我们通过基坑整体稳定性系数，在水平或小倾角范围内，大致寻找？滓3主方向，得出土钉最优倾角。

4.2 土钉倾角优化计算

基坑整体稳定性采用圆弧滑动条分法计算，可运用理正进行计算。

4.2.1 单因素分析法

土钉墙支护五个常见参数：土钉长度、土钉倾角、土钉的直径（钢筋直径）、水平间距和垂直间距。采用单因素分析法，即选取一个标准模型，然后变化土钉倾角，其余四个因素保持不变，分析土钉倾角对基坑稳定性的影响[6]。

4.2.2 标准模型

选取支护段9进行介绍：基坑开挖10m，土钉参数设置见表3，倾角15°，土钉配筋均为HRB400级钢筋，土钉孔径120mm，水平间距Sx=1.5m，边坡超载个数为1，荷载值为10kPa。对倾角进行递增，变化范围为 3°-19°，其余四个参数固定不变。得到土钉倾角和安全系数之间的关系，如图3所示。

土钉倾角对基坑整体稳定性的影响呈抛物线变化，在一定范围内，随着倾角增大，安全系数增加；土钉倾角持续增加，安全系数减小，存在一个极值为土钉最优倾角。本工程土钉倾角选取11°支护效果最明显；从施工工艺来说，11°倾角的土钉，施工要求也比较低。实际施工中，为便于施工，可适当降低下部土钉倾角。因下部土钉的倾角所起的作用 （迫使潜在危险滑面的滑弧顶点改变位置）不如上部土钉的明显，因此下部土钉倾角小一些，可使土钉拉力对安全系数的贡献最大[7]。

实践表明，本工程采用土钉墙支护的方案，短时高效地完成了工程任务，实现了工程利润的最大化，在以后的支护工程中值得借鉴，并通过土钉倾角优化设计，在工程造价不变的情况下，大幅提升施工安全。

5 基坑监测

为了保证周围建筑物在护坡施工过程中的安全性，对周边进行沉降及位移观测。

5.1 观测点建立

5.1.1 观测基准点的建立

在基坑上口每隔20m设置水平、垂直位移监测点，并在基坑中间和基坑四边设置五个观测井。在基坑支护及地下室施工期间，对基坑进行监测支护结构水平、垂直位移及竖向沉降。

5.1.2 水准基点观测

采用《国家二等水准测量规范》中Ⅰ等水准测量的方法和计数要求进行观测，双转点，视线≤15m，前后视距差≤0.3m，视距累积差≤1.5m。

其主要精度指标如下：标高中误差≤±0.3mm；相邻点高差中误差≤±0.1mm；附合闭合差≤±0.15■mm（n为测站点）。

5.2 沉降基点观测

采用Ⅰ等观测的技术的要求进行施测，但精度最低要达到Ⅱ等水准的要求，其主要精度指标如下：相邻点高差中误差≤±0.5mm；每站高差中误差≤±0.13mm；附合闭合差≤±0.3■mm（n为测站点）。

每次观测前，对作为起算数据的基点进行高差检测，检查基点的稳定性和可靠性，要求观测路线形成附合或闭合路线。在沉降观测期间，沉降点每观测3次后，对沉降观测基点进行复测。

主要观测内容有：（1）测斜。主要观测基坑开挖过程及土方开挖阶段支护及深层土体的位移，在基坑四周（围护桩及土体内）埋置测斜管。（2）地下水位的观测。布置坑内外地下水位观测井，监测坑内外地下水位的波动情况。（3）地下管线及临近建筑物的监测。主要进行地下管线及临近建筑物的水平位移及沉降观测。（4）坑外地表沉降观测。

5.3 观测周期

在围护结构施工前，测得初始读数。在基坑降水及开挖期间一日一测，如观测期间数据变化较大，随时加大观测频率。

6 结束语

（1）本工程已施工完成，监测结果表明，周围建筑物沉降量、基坑位移量都满足规范要求。该基坑正常使用11个月，经历了雨季考验，土钉墙支护达到预想的效果，可为今后同类基坑的设计和施工提供一些参考。（2）该基坑支护中采用土钉墙支护技术，充分调用土体自身强度和承载能力，节省土石方工作量，节约成本，缩短施工工期。短时高效地完成了工程任务，实现了工程利润的最大化，在以后的支护工程中值得借鉴。（3）对土钉倾角进行优化，得出倾角对基坑整体稳定性的影响呈抛物线的现象，存在一个最优倾角；该最优倾角为11°左右，在原有工程造价不变的基础上，实践证明将原设计中土钉倾角改为11°，大幅提高了施工安全。

参考文献

[1]JGJ120-2012.建筑基坑支护技术规程[S].

[2]黄汉成.土钉支护设计中几个问题的探讨[J].岩土工程界，2001，4（8）：50-52.

[3]俞季民，邹勇.土钉支护结构模型试验研究[J].土工基础，1998，12（1）：14-19.

[4]王巍，刘斯宏.土钉倾角对斜面加固效果影响的试验研究[J].人江，2010，6（5）：23-27.

[5]王巍，黄吴.土钉角度对斜面加固效果影响的有限元分析[J].人江，2014，5（8）：26-33.

[6]曾艳品.土钉墙基坑支护优化设计的一些问题研究[D].西安：长安大学，2014.

[7]刘大鹏，周建中，唐小兵.土钉倾角对边坡稳定性影响研究[J].工程勘察，2006，34（1），8-11.

[8]陈希哲.土力学地基基础（第4版）[M].北京：清华大学出版社，2004.

[9]孙小杰，魏焕卫，杨峻岿.土钉墙在深基坑中的设计应用[J].探矿工程（岩土钻掘工程），2009，36（11）：39-41.

[10]孟凡运，刘全峰.土钉墙在超深基坑支护中的应用[J].探矿工程（岩土钻掘工程），2008（5）：44-46.

[11]张伟军，丁向东.复合土钉墙在深基坑工程中的应用[J].江苏建筑（2014增刊）.