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摘要：土釘作為一種性能可靠、施工簡(jiǎn)便和造價(jià)低廉的支護(hù)結(jié)構(gòu)已經(jīng)在基坑開挖工程中得到了廣泛的應(yīng)用。為了保證土釘墻的工程質(zhì)量，研究土釘?shù)氖芰�機(jī)理，指出土釘支護(hù)理論研究、工程設(shè)計(jì)與施工過程中需要注意的問題。...

深基坑土釘支護(hù)存在的問題和研究方向

陳卓

西安工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院  710032  西安 

    隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，工業(yè)民用建筑、市政、交通、水利等工程建設(shè)中基坑深度和寬度不斷增大，且大多分布在沿海工程地質(zhì)條件較差、建(構(gòu))筑物密集的大中城市，深基坑支護(hù)的重要性得到了前所未有的重視�；�坑工程的施工工藝和設(shè)計(jì)計(jì)算方法除了傳統(tǒng)的放坡開挖外，深基坑有支護(hù)開挖形式已發(fā)展至數(shù)十種，總體上可以分為兩大類：傳統(tǒng)的支護(hù)設(shè)計(jì)理論是把基坑周圍土體當(dāng)作荷載，作為支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用目標(biāo)，然后根據(jù)圍護(hù)墻的位移情況，分別按靜止土壓力、主動(dòng)土壓力或被動(dòng)土壓力來進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)，稱此類支護(hù)為被動(dòng)支護(hù)；事實(shí)上，基坑周圍土體具有一定的自支撐能力，可以將它用作支護(hù)材料的一部分，充分利用其強(qiáng)度和穩(wěn)定性，在保證深基坑安全的前提下，盡量減少支護(hù)結(jié)構(gòu)的工程量并且加快工期，即設(shè)法充分發(fā)揮和提高基坑周圍土體的自支撐能力并補(bǔ)強(qiáng)其不足部分，稱此類支護(hù)為主動(dòng)支護(hù)。土釘墻是在新奧法的基礎(chǔ)上基于主動(dòng)支護(hù)機(jī)制加固土體，于20世紀(jì)70年代在德國、法國和美國發(fā)展起來的一種主動(dòng)支護(hù)型式。我國于80年代初應(yīng)用于礦山邊坡支護(hù)，近十來年才在基坑支護(hù)中迅速推廣應(yīng)用。它由被加固土、放置于原位土體中的細(xì)長金屬桿件(土釘)及附著于坡面的混凝土面板組成，形成一個(gè)類似于重力式的支護(hù)結(jié)構(gòu)；同時(shí)土釘墻通過在土體內(nèi)放置一定長度和密度的土釘，使土釘與土共同工作來大大提高原狀土的強(qiáng)度和剛度。

1. 土釘墻在深基坑支護(hù)中的優(yōu)點(diǎn)

    1）受力合理，能合理利用土體的自承能力，將土體作為支護(hù)結(jié)構(gòu)不可分割的部分，土釘和土體共同受力，能夠充分發(fā)揮這兩種材料的承載力。

    2）結(jié)構(gòu)輕型，柔性大，有良好的抗震性和延性。1989年美國加州7.1級(jí)地震中，震區(qū)內(nèi)有8個(gè)土釘墻結(jié)構(gòu)估計(jì)遭到約0.4g水平地震加速度作用，均未出現(xiàn)任何損害跡象，其中3個(gè)位于震中33km范圍內(nèi)。

    3）施工設(shè)備簡(jiǎn)單，土釘?shù)闹谱髋c成孔不需要復(fù)雜的技術(shù)和大型機(jī)具，土釘施工的所有作業(yè)對(duì)周圍環(huán)境干擾小。

    4）適應(yīng)性強(qiáng)，施工不需單獨(dú)占用場(chǎng)地，對(duì)于施工場(chǎng)地狹小，放坡困難的，有相鄰低層建筑或堆放材料，大型護(hù)坡施工設(shè)備不能進(jìn)場(chǎng)，該技術(shù)顯示出獨(dú)特的優(yōu)越性。

    5）信息化施工，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的變形數(shù)據(jù)，及時(shí)調(diào)整土釘長度和間距。一旦發(fā)現(xiàn)異常不良清況，能立即采取相應(yīng)加固措施，避免出現(xiàn)大的事故，因此能提高工程的安全可靠性。

    6）工程造價(jià)低，據(jù)國內(nèi)外資料分析，土釘墻工程造價(jià)比其它類型的工程造價(jià)低1/2~1/3左右。

2. 土釘墻的支護(hù)原理

    土體的抗剪強(qiáng)度較低，抗拉強(qiáng)度幾乎可以忽略，但土體具有一定的結(jié)構(gòu)整體性，當(dāng)開挖基坑時(shí)，土體存在使邊坡保持直立的臨界高度，當(dāng)超過這一高度或者在地面超載及其它作用下將發(fā)生突發(fā)性整體破壞。與以往采用的傳統(tǒng)支擋結(jié)構(gòu)不同，土釘墻則是在土體中放置一定長度和密度的土釘構(gòu)成，土釘與土共同工作，基于主動(dòng)加固的機(jī)制形成了能大大提高原狀土強(qiáng)度和剛度的復(fù)合土體，還能改變土坡的變形與破壞形態(tài)，顯著提高了土坡的整體穩(wěn)定性。

3. 土與土釘間相互作用研究

    類似地加筋土擋墻內(nèi)拉筋與土的相互作用，土釘與土間的摩阻力的發(fā)揮，主要是由于土釘與土間的相對(duì)位移而產(chǎn)生的。在土釘加筋的邊坡內(nèi)，同樣存在著主動(dòng)區(qū)和被動(dòng)區(qū)。主動(dòng)區(qū)和被動(dòng)區(qū)內(nèi)土體與土釘?shù)哪ψ枇Πl(fā)揮方向正好相反，而被動(dòng)區(qū)內(nèi)土釘可起到錨固作用(圖1)。

    土釘在復(fù)合土體中的作用可以概括為以下幾點(diǎn):

    1）約束骨架作用

    土釘及其加固范圍內(nèi)的土體形成復(fù)合受力體，土釘本身的剛度和強(qiáng)度以及它在土體內(nèi)的空間分布具有制約土體變形的作用，土釘和土體共同受力并使復(fù)合土體構(gòu)成一個(gè)整體。

    2）分擔(dān)荷載作用

    在復(fù)合土體內(nèi)，土釘與土體共同承擔(dān)外部荷載和土體自重應(yīng)力。由于土釘有較高的抗拉、抗剪強(qiáng)度以及土體無法比擬的抗彎剛度，所以當(dāng)土體進(jìn)入塑性狀態(tài)后，應(yīng)力逐漸向土釘轉(zhuǎn)移。當(dāng)土體開裂時(shí)，土釘分擔(dān)作用更為突出，土釘內(nèi)出現(xiàn)彎、拉、剪等復(fù)合應(yīng)力，從而導(dǎo)致土釘內(nèi)部漿體破裂，鋼筋屈服。復(fù)合土體塑性變形延遲及漸進(jìn)性開裂變形的出現(xiàn)與土釘分擔(dān)作用密切相關(guān)。

    3）應(yīng)力傳遞與擴(kuò)散作用

    在同等荷載作用下，由土釘加固的土體內(nèi)的應(yīng)變水平比素土邊坡土體內(nèi)的應(yīng)變水平大大降低，從而推遲了開裂的形成與發(fā)展。

    4）坡面變形的約束作用

    在坡面上設(shè)置的與土釘連成一體的鋼筋混泥土面板是發(fā)揮土釘有效作用的重要組成部分。坡面膨脹變形是開挖卸荷、土體側(cè)向變位以及塑性變形和開裂發(fā)展的必然結(jié)果，限制坡面膨脹能起到削弱內(nèi)部塑性變形，加強(qiáng)邊界約束作用，對(duì)土體自身強(qiáng)度和穩(wěn)定性的發(fā)揮具有重要作用。

3. 土釘墻在深基坑支護(hù)中存在的問題和研究方向

    3.1在理論研究方面，首先，土釘中的鋼筋通過水泥漿與周圍土體的握裹力和相互摩擦作用把荷載向土中擴(kuò)散、傳播，而整個(gè)墻體向坑內(nèi)也發(fā)生一定的位移使土釘被動(dòng)受力，而土釘墻位移計(jì)算還缺乏比較理想的計(jì)算方法。目前常用數(shù)值計(jì)算方法結(jié)合可靠的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)算確定，有限元分析中如果采用二維有限元模型，把土釘支護(hù)邊坡簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問題，土釘按剛度相等的原則等效為單位寬度的薄層。這樣夸大了土釘與土體之間的粘結(jié)面，加入界面單元時(shí)又削弱了整個(gè)上下兩層土之間的聯(lián)結(jié)。如果等效薄層的剛度較大，阻止剪應(yīng)力在土中的傳遞，就更不能正確反映實(shí)際的受力狀態(tài)。同時(shí)由于土釘?shù)某叽巛^小，需要在土釘和土體之間加入過渡單元，如果考慮土釘與土體的粘結(jié)，還要加入三維界面單元，計(jì)算模型又變得十分復(fù)雜。所以必須通過合理假設(shè)，探索符合土釘實(shí)際受力狀況的有限元計(jì)算方法是研究土釘受力機(jī)制的重要途徑。

    其次，土釘墻后土壓力一些基坑規(guī)程計(jì)算土壓力仍采用傳統(tǒng)上的三角形土壓力分布模式來計(jì)算，有的則采用經(jīng)驗(yàn)土壓力，而實(shí)測(cè)的土壓力并非如此。土釘墻后土壓力是隨著基坑開挖而不斷變化著，每個(gè)階段土壓力的大小和分布形式?jīng)Q定了土釘墻的位移、穩(wěn)定程度。而經(jīng)驗(yàn)土壓力的分布并不是真正的土壓力分布形式，因此研究土釘墻后土壓力的大小、分布形式，土釘力沿釘身和深度上的分布，弄清楚土釘力與土壓力的關(guān)系具有非常重要的指導(dǎo)意義。

    3.2 在工程設(shè)計(jì)方面，首先，由于土釘墻施工需結(jié)合開挖進(jìn)行，是一種動(dòng)態(tài)支護(hù)過程。目前在理論上還未能完全弄清楚土釘墻的工作機(jī)理，加上地下工程許多巖土參數(shù)的不確定性，因而在設(shè)計(jì)中表現(xiàn)為不恰當(dāng)?shù)孛つ康靥岣咄玲攭Φ陌踩�系�?shù)，試圖通過提高安全系數(shù)來保證基坑的穩(wěn)定和安全，從而造成材料的巨大浪費(fèi)；另一方面，由于未能充分而全面地考慮工程的特殊性和復(fù)雜性而導(dǎo)致工程事故時(shí)有發(fā)生。

    其次，土釘?shù)拈L度通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)而定，《建筑基坑工程技術(shù)規(guī)范》(YB9258-97)“一般對(duì)非飽和土，土釘長度L與開挖深度H之比為0.6-1.0范圍，密實(shí)及干硬粘土取小值”。有的文獻(xiàn)中[4]指出土釘長度L與開挖深度H之比為0.6-1.2范圍，對(duì)土釘墻的設(shè)計(jì)還停留在經(jīng)驗(yàn)上。

    最后，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明面層土壓力與面層的剛度有關(guān)，面層的設(shè)計(jì)極為懸殊。有些臨時(shí)支護(hù)的面層往往不做計(jì)算，僅按構(gòu)造規(guī)定掛網(wǎng)并噴射一定厚度的混凝土。雖然不做計(jì)算僅作為構(gòu)造處理使工程偏于安全，但面層土壓力的存在對(duì)基坑變形和其中的應(yīng)力分布存在著很大的影響。因此考慮面層土壓力的大小分布和對(duì)位移、基坑穩(wěn)定影響是以后土釘墻研究中的另一個(gè)重要內(nèi)容。

    3.3 在土釘施工方面，首先，與其他支護(hù)方式不同，土釘墻的施工是從上到下分層開挖的，開挖一層支護(hù)一層。由于施工時(shí)是先開挖后支護(hù)，所以在前層開挖結(jié)束而土釘尚未設(shè)置時(shí)，很容易出現(xiàn)局部的塌方，甚至導(dǎo)致整個(gè)維護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞。因此，在每層土體開挖結(jié)束后要盡快設(shè)置土釘縮短邊坡土體裸露時(shí)間，同時(shí)每層的開挖深度也不宜過大，以保證結(jié)構(gòu)的安全。另外，當(dāng)?shù)叵滤�位較高時(shí)，在基坑施工前應(yīng)先采取人工降水措施，因?yàn)榈叵滤�的存在�?duì)土釘墻的施工及土釘?shù)淖饔镁�有影響。為確保工程質(zhì)量和施工安全，在施工前及施工過程中應(yīng)將地下水位降至開挖面以下。

    其次，土釘一般采用壓力注漿，為保證土釘與周圍土體的緊密結(jié)合，在孔口處設(shè)置止?jié){塞并旋緊，使其與孔壁緊密貼合。注漿時(shí)一定要注滿整個(gè)釘孔，以免減弱土釘?shù)淖饔糜绊懲玲攭Φ姆�(wěn)定性。為防止水泥砂漿或水泥漿在硬化過程中產(chǎn)生干縮裂縫提高其防腐性能，可摻入一定量的膨脹劑以保證漿體與周圍土壁的緊密黏合。

    最后，在施工中做好質(zhì)量檢驗(yàn)，土釘墻工程質(zhì)量檢驗(yàn)包括土釘?shù)幕�本抗拔力試�?yàn)、土釘抗拔力檢驗(yàn)試驗(yàn)、原材料的進(jìn)場(chǎng)檢驗(yàn)、噴射混凝土面層強(qiáng)度和厚度檢驗(yàn)等。對(duì)于一般的土釘墻工程,土釘抗拔力檢驗(yàn)試驗(yàn)是必須的，實(shí)驗(yàn)數(shù)量應(yīng)為土釘總數(shù)的1%，且不少于3根；土釘檢驗(yàn)的合格標(biāo)準(zhǔn)為：土釘抗拔力平均值應(yīng)大于設(shè)計(jì)極限抗拔力，抗拔力最小值應(yīng)大于設(shè)計(jì)極限抗拔力的0.9倍。土釘抗拔力設(shè)計(jì)安全系數(shù)：對(duì)臨時(shí)工程可取1.5，對(duì)永久性工程可取2.0。

4.總結(jié)

    實(shí)踐證明，深基坑工程的土釘支護(hù)是一種非常實(shí)用的支護(hù)技術(shù)，但是土釘?shù)睦碚撗芯窟�遠(yuǎn)落后于工程應(yīng)用，只有在實(shí)踐中不斷的探索和研究才能使這項(xiàng)支護(hù)技術(shù)有進(jìn)一步的發(fā)展，更好地服務(wù)于工程建設(shè)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 葉書麟主編. 地基處理工程實(shí)例應(yīng)用手冊(cè). 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 1998.

[2] 陳肇元，崔京浩. 土釘支護(hù)在基坑工程中的應(yīng)用，第二版.中國建筑業(yè)出版社，2000. 12.

[3] 武亞軍，奕茂田，楊敏. 深基坑土釘支護(hù)的彈塑性數(shù)值模擬[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24(9): 1549-1554.

[4] 曾憲明，黃久松，王作民等.土釘支護(hù)設(shè)計(jì)與施工手冊(cè).中國建筑工出版社，2003.8.

(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì)  文徑網(wǎng)絡(luò)：文徑 尹維維 編輯  劉真 審核)

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