放坡开挖基坑与土钉墙支护技术

在基坑开挖施工中，在一定的地质条件、场地周边条件下，为节省建设成本，往往可以通过采用合理的基坑边坡坡度，使基坑开挖后的土体在无支挡结构的条件下，依靠自身的强度，在新的平衡状态下保持基坑边坡的稳定。这类无支护措施的基坑开挖方法称为放坡开挖。放坡开挖相对于其他有支挡的开挖方式，该法所需的工程费用较低，施工工期短，可为主体结构施工提供较宽敞的作业空间。它涉及的主要施工技术内容是土方开挖，通常易干组织实施。因此，在目前的工程建设中，特别是在无地下水或地下水位低于基础底面、场地土质均匀较好的工程中，放坡开挖得到了广泛的应用。

放坡开挖基坑的施工，通常需要选择开挖土坡的坡度，验算基坑开挖各阶段的土坡稳定性，确定地面及基坑的排水组织。选择土坡坡面的防护方法以及土方开挖程序等设计及施工组织工作。在有地下水及地下水位较高又丰富时，尚应进行施工降水设计。并结合邻近工程环境条件提出相应的控制措施和监测方法。

在确定基坑边坡的最优开挖坡度及坡形时，一般可根据基坑及场地条件，分别使用查表法、工程类比法、刚塑体假定等计算方法。其中，采用刚塑体假定的计算方法包括极限平衡法、极限分析法和滑移线法。其中，工程地质类比法是通过全面分析比较拟开挖基坑和已有的放坡开挖基坑工程二者在场地岩土性质、地下水条件、邻近环境、施工条件等方面的相似性。从而对拟开挖基坑边坡的稳定性做出评价及预测，并依此选定合理安全的边坡坡度。

当基坑采取放坡开挖而基坑侧壁无法满足稳定条件时，需对基坑的边坡采取一定的加固措施，对于土质条件均匀、力学性能较好的土体，目前，工程建设中常用土钉墙支挡形式来加固基坑侧壁。

土钉墙是近年发展起来用于维护边坡或基坑侧壁稳定的一种新型支挡结构。它由被加固土体、放置于原位土体中的细长金属杆件（士钉） 及附着于坡面的混凝土面板组成，形成一个类似重力式墙的挡土墙，以此来抵抗墙后传来的土压力和其他作用力，从而使开挖坡面稳定。

土钉一般是通过钻孔、插筋、注浆来设置的，但也可通过直接打入较粗的钢筋或型钢形成土钉。土钉沿通长与周围土体接触，依靠接触界面上的粘结摩阻力，与其周围土体形成复合土体，土钉在土体发生变形的条件下被动受力，并主要通过其受拉工作对土体进行加固，而土钉间土体变形则通过面板（通常为配筋喷射混凝土）予以约束。其典型结构如图4-1所示。

现代土钉技术是从20世纪70年代出现的。德国、法国和美国几乎在同一时期各自独立地开始了土钉墙的研究和应用。1972年法国首先在工程中应用土钉墙技术，德国于1979年首先在Stuttgart建造了第一个永久性土钉工程（高14m），并进行了长达10年的工程测量，获得了许多有价值的数据。至1992年，德国已建成 500 个土钉墙工程。为了减少支护变形对附近建筑物设施造成的影响。德国工程师们认为上排土钉宜加长或改用锚杆，他们曾在一个28m的边坡开挖中（坡度 82°）用10排长15m的土钉，上排加用两排30m长的锚杆。美国最早应用土钉墙技术是在1974年。其中一项有名的土钉工程是匹兹堡PPG工业总部的深基坑开挖。由于有建筑物与其紧挨着，所以开挖时对土体进行了注浆处理，并对土钉区内已有建筑物基础用微型桩作了托换。

我国在1980年将土钉技术应用于山西柳湾煤矿的边坡支护中，这是我国应用土钉技术的首例工程。近年来，中冶集团建筑研究总院、北京工业大学、清华大学、广州军区建筑工程设计院和总参工程兵等单位，在土钉墙的研究开发应用方面做了不少工作。在一些地质条件较好的城市建设中，土钉墙作为边坡或基坑支护手段已被广泛应用干工程实际中，并取得了理想的工程效果。土钉与锚杆的联合应用（见图4-2），使土钉墙的应用变得更为广泛，给工程建设带来了更大的经济效益。