深基坑土釘支護存在的問題和研究方向

陳卓

西安工業大學 建筑工程學院  710032  西安 

    隨著我國經濟建設的快速發展，工業民用建筑、市政、交通、水利等工程建設中基坑深度和寬度不斷增大，且大多分布在沿海工程地質條件較差、建(構)筑物密集的大中城市，深基坑支護的重要性得到了前所未有的重視。基坑工程的施工工藝和設計計算方法除了傳統的放坡開挖外，深基坑有支護開挖形式已發展至數十種，總體上可以分為兩大類：傳統的支護設計理論是把基坑周圍土體當作荷載，作為支護結構的作用目標，然后根據圍護墻的位移情況，分別按靜止土壓力、主動土壓力或被動土壓力來進行支護設計，稱此類支護為被動支護；事實上，基坑周圍土體具有一定的自支撐能力，可以將它用作支護材料的一部分，充分利用其強度和穩定性，在保證深基坑安全的前提下，盡量減少支護結構的工程量并且加快工期，即設法充分發揮和提高基坑周圍土體的自支撐能力并補強其不足部分，稱此類支護為主動支護。土釘墻是在新奧法的基礎上基于主動支護機制加固土體，于20世紀70年代在德國、法國和美國發展起來的一種主動支護型式。我國于80年代初應用于礦山邊坡支護，近十來年才在基坑支護中迅速推廣應用。它由被加固土、放置于原位土體中的細長金屬桿件(土釘)及附著于坡面的混凝土面板組成，形成一個類似于重力式的支護結構；同時土釘墻通過在土體內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度和剛度。

1. 土釘墻在深基坑支護中的優點

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

    2）結構輕型，柔性大，有良好的抗震性和延性。1989年美國加州7.1級地震中，震區內有8個土釘墻結構估計遭到約0.4g水平地震加速度作用，均未出現任何損害跡象，其中3個位于震中33km范圍內。

    3）施工設備簡單，土釘的制作與成孔不需要復雜的技術和大型機具，土釘施工的所有作業對周圍環境干擾小。

    4）適應性強，施工不需單獨占用場地，對于施工場地狹小，放坡困難的，有相鄰低層建筑或堆放材料，大型護坡施工設備不能進場，該技術顯示出獨特的優越性。

    5）信息化施工，可以根據現場檢測的變形數據，及時調整土釘長度和間距。一旦發現異常不良清況，能立即采取相應加固措施，避免出現大的事故，因此能提高工程的安全可靠性。

    6）工程造價低，據國內外資料分析，土釘墻工程造價比其它類型的工程造價低1/2~1/3左右。

2. 土釘墻的支護原理

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

3. 土與土釘間相互作用研究

    類似地加筋土擋墻內拉筋與土的相互作用，土釘與土間的摩阻力的發揮，主要是由于土釘與土間的相對位移而產生的。在土釘加筋的邊坡內，同樣存在著主動區和被動區。主動區和被動區內土體與土釘的摩阻力發揮方向正好相反，而被動區內土釘可起到錨固作用(圖1)。

    土釘在復合土體中的作用可以概括為以下幾點:

    1）約束骨架作用

    土釘及其加固范圍內的土體形成復合受力體，土釘本身的剛度和強度以及它在土體內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合土體構成一個整體。

    2）分擔荷載作用

    在復合土體內，土釘與土體共同承擔外部荷載和土體自重應力。由于土釘有較高的抗拉、抗剪強度以及土體無法比擬的抗彎剛度，所以當土體進入塑性狀態后，應力逐漸向土釘轉移。當土體開裂時，土釘分擔作用更為突出，土釘內出現彎、拉、剪等復合應力，從而導致土釘內部漿體破裂，鋼筋屈服。復合土體塑性變形延遲及漸進性開裂變形的出現與土釘分擔作用密切相關。

    3）應力傳遞與擴散作用

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

    4）坡面變形的約束作用

    在坡面上設置的與土釘連成一體的鋼筋混泥土面板是發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、土體側向變位以及塑性變形和開裂發展的必然結果，限制坡面膨脹能起到削弱內部塑性變形，加強邊界約束作用，對土體自身強度和穩定性的發揮具有重要作用。

3. 土釘墻在深基坑支護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散、傳播，而整個墻體向坑內也發生一定的位移使土釘被動受力，而土釘墻位移計算還缺乏比較理想的計算方法。目前常用數值計算方法結合可靠的經驗進行驗算確定，有限元分析中如果采用二維有限元模型，把土釘支護邊坡簡化為平面應變問題，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面，加入界面單元時又削弱了整個上下兩層土之間的聯結。如果等效薄層的剛度較大，阻止剪應力在土中的傳遞，就更不能正確反映實際的受力狀態。同時由于土釘的尺寸較小，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，還要加入三維界面單元，計算模型又變得十分復雜。所以必須通過合理假設，探索符合土釘實際受力狀況的有限元計算方法是研究土釘受力機制的重要途徑。

    其次，土釘墻后土壓力一些基坑規程計算土壓力仍采用傳統上的三角形土壓力分布模式來計算，有的則采用經驗土壓力，而實測的土壓力并非如此。土釘墻后土壓力是隨著基坑開挖而不斷變化著，每個階段土壓力的大小和分布形式決定了土釘墻的位移、穩定程度。而經驗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系具有非常重要的指導意義。

    3.2 在工程設計方面，首先，由于土釘墻施工需結合開挖進行，是一種動態支護過程。目前在理論上還未能完全弄清楚土釘墻的工作機理，加上地下工程許多巖土參數的不確定性，因而在設計中表現為不恰當地盲目地提高土釘墻的安全系數，試圖通過提高安全系數來保證基坑的穩定和安全，從而造成材料的巨大浪費；另一方面，由于未能充分而全面地考慮工程的特殊性和復雜性而導致工程事故時有發生。

    其次，土釘的長度通常根據經驗而定，《建筑基坑工程技術規范》(YB9258-97)“一般對非飽和土，土釘長度L與開挖深度H之比為0.6-1.0范圍，密實及干硬粘土取小值”。有的文獻中[4]指出土釘長度L與開挖深度H之比為0.6-1.2范圍，對土釘墻的設計還停留在經驗上。

    最后，實測數據表明面層土壓力與面層的剛度有關，面層的設計極為懸殊。有些臨時支護的面層往往不做計算，僅按構造規定掛網并噴射一定厚度的混凝土。雖然不做計算僅作為構造處理使工程偏于安全，但面層土壓力的存在對基坑變形和其中的應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位移、基坑穩定影響是以后土釘墻研究中的另一個重要內容。

    3.3 在土釘施工方面，首先，與其他支護方式不同，土釘墻的施工是從上到下分層開挖的，開挖一層支護一層。由于施工時是先開挖后支護，所以在前層開挖結束而土釘尚未設置時，很容易出現局部的塌方，甚至導致整個維護結構的破壞。因此，在每層土體開挖結束后要盡快設置土釘縮短邊坡土體裸露時間，同時每層的開挖深度也不宜過大，以保證結構的安全。另外，當地下水位較高時，在基坑施工前應先采取人工降水措施，因為地下水的存在對土釘墻的施工及土釘的作用均有影響。為確保工程質量和施工安全，在施工前及施工過程中應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合，在孔口處設置止漿塞并旋緊，使其與孔壁緊密貼合。注漿時一定要注滿整個釘孔，以免減弱土釘的作用影響土釘墻的穩定性。為防止水泥砂漿或水泥漿在硬化過程中產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，在施工中做好質量檢驗，土釘墻工程質量檢驗包括土釘的基本抗拔力試驗、土釘抗拔力檢驗試驗、原材料的進場檢驗、噴射混凝土面層強度和厚度檢驗等。對于一般的土釘墻工程,土釘抗拔力檢驗試驗是必須的，實驗數量應為土釘總數的1%，且不少于3根；土釘檢驗的合格標準為：土釘抗拔力平均值應大于設計極限抗拔力，抗拔力最小值應大于設計極限抗拔力的0.9倍。土釘抗拔力設計安全系數：對臨時工程可取1.5，對永久性工程可取2.0。

4.總結

    實踐證明，深基坑工程的土釘支護是一種非常實用的支護技術，但是土釘的理論研究還遠落后于工程應用，只有在實踐中不斷的探索和研究才能使這項支護技術有進一步的發展，更好地服務于工程建設。

參考文獻：

[1] 葉書麟主編. 地基處理工程實例應用手冊. 北京: 中國建筑工業出版社, 1998.

[2] 陳肇元，崔京浩. 土釘支護在基坑工程中的應用，第二版.中國建筑業出版社，2000. 12.

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

[4] 曾憲明，黃久松，王作民等.土釘支護設計與施工手冊.中國建筑工出版社，2003.8.

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：文徑 尹維維 編輯  劉真 審核)