關(guān)于土釘墻作用機理及工作性能的探討

一、前 言

在眾多基坑支護方法中，土釘支護方法以其工藝簡單、施工方便、快速及時、安全經(jīng)濟等特點受到廣大工程技術(shù)人員的青睞，在工程實踐中已經(jīng)創(chuàng)造了巨大的社會經(jīng)濟效益，但是其也存在自身的弊端，因此，為了把土釘墻支護結(jié)構(gòu)技術(shù)更好地應(yīng)用到工程中，筆者特對土釘墻的作用機理及工作性能作下深入的探討和研究，謹(jǐn)供大家作參考之用。

二、土釘墻的基本性質(zhì)及支護原理

2.1 土釘墻支護原理

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(jié)構(gòu)整體性，當(dāng)開挖基坑時，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。所采用的傳統(tǒng)支擋結(jié)構(gòu)均基于被動制約機制，即以支擋結(jié)構(gòu)自身的強度和剛度，承受其后的側(cè)向土壓力，防止土體整體穩(wěn)定性破壞。

土釘墻則是在土體中放置一定長度和密度的土釘構(gòu)成的。土釘與土共同工作，形成了能大大提高原狀土強度和剛度的復(fù)合土體，土釘?shù)淖饔檬腔谶@種主動加固的機制。土釘與土的相互作用，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。

試驗表明:直立的土釘墻在坡頂?shù)某休d能力約是素土墻的一倍以上。更為重要的是，土釘墻在受荷載過程中不會發(fā)生象素土邊坡那樣的突發(fā)性的滑塌。它不僅推遲了塑性變形發(fā)展階段，而且明顯的呈現(xiàn)出漸進變形與與開裂破壞并存且逐步擴展的現(xiàn)象，直至喪失承受更大荷載的能力，仍然不會發(fā)生整體性滑塌。

土釘支護原理可用“優(yōu)勢滑移面”的理論加以分析。在某一開挖深度條件下，坑壁產(chǎn)生滑移具有某種隨機性，即可能出現(xiàn)滑移線簇。但最危險和最先產(chǎn)生的滑移線只有一條，稱之為優(yōu)勢滑移線，相應(yīng)的滑移面稱為優(yōu)勢滑移面。

優(yōu)勢滑移線隨基坑下挖而轉(zhuǎn)移，因而在不同開挖深度上具有不同的優(yōu)勢

滑移線，從而形成優(yōu)勢滑移線簇。但任一確定深度的基坑邊壁之最先產(chǎn)生、

也是最危險的優(yōu)勢滑移線只有一條，稱之為優(yōu)勢滑移控制線，相應(yīng)的滑移

面稱為優(yōu)勢滑移控制面(圖3)。

滑移體實際下滑以優(yōu)勢滑移控制面的最終形成為前提。優(yōu)勢滑移控制面產(chǎn)生初期，以地面出現(xiàn)滑移性裂縫或區(qū)間高變形速率為先導(dǎo)，并以一定的變形速率發(fā)展變化。采用具有足夠“縫合強度”的土釘(管、索、檢)逐次超前“縫合”優(yōu)勢滑移控制面，則此滑移面將不會萌生，或不致發(fā)展和形成(圖4)。

在優(yōu)勢滑移面產(chǎn)生后，維持坑壁穩(wěn)定的因素是:

(1)被土釘及面層加固的滑動土體自重在滑移面上的摩擦力;

(2)土釘力在滑移面上產(chǎn)生的摩阻力。

通過對土釘支護工作機理的分析，可以總結(jié)出土釘支護與傳統(tǒng)支擋結(jié)構(gòu)工作機理的不同之處，即土釘支護方法以盡可能保持顯著提高，最大限度利用基坑邊壁土體固有力學(xué)強度，提高主動支護土體變土體荷載為支護結(jié)構(gòu)體系—部分，與土體共同工作的基本特性。

2.2 土與土釘間相互作用

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位移而產(chǎn)生的。在土釘加筋的邊坡內(nèi)，同樣存在著主動區(qū)和被動區(qū)。主動區(qū)和被動區(qū)內(nèi)土體與土釘?shù)哪ψ枇Πl(fā)揮方向正好相反，而被動區(qū)內(nèi)土釘可起到錨固作用

土釘與周圍土體間的極限界面摩阻力取決于土的類型、上覆壓力和土釘?shù)脑O(shè)置技術(shù)。美國ELias和Juran(1988)在試驗室做了在密砂中土釘?shù)目拱卧囼?，認(rèn)為“加筋土擋墻內(nèi)拉筋與土釘?shù)脑O(shè)置方法不同，它的極限界面摩阻力也不相同。因此，加筋土擋墻的設(shè)計原則不能完全用來設(shè)計土釘結(jié)構(gòu)。應(yīng)對土釘作抗拔試驗為最后設(shè)計提供可靠數(shù)據(jù)”。目前，土釘?shù)臉O限界面摩阻力問題尚有待進行深入的理論和試驗研究。

土釘在復(fù)合土體中的作用可以概括為以下幾點:

(1)約束骨架作用:該作用是由土釘本身的剛度和強度以及它在土體內(nèi)的分布空間所決定的。它具有制約土體變形的作用，并使復(fù)合土體構(gòu)成一個整體。

(2)分擔(dān)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、抗剪強度以及土體無法比擬的抗彎剛度，所以當(dāng)土體進入塑性狀態(tài)后，應(yīng)力逐漸向土釘轉(zhuǎn)移。當(dāng)土體開裂時.土釘分擔(dān)作用更為突出，這時，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，加強邊界約束作用。這對土體開裂變形階段尤為重要。

三、土釘墻的工作性能

通過對現(xiàn)有國內(nèi)外實際土釘墻工程的測試資料及大型模擬工程的試驗結(jié)果的分析，可以將土釘墻的工作性能歸納為以下幾點:

(1)土釘墻的變形較小。最大水平位移發(fā)生在墻體頂部，越往下越小。最大水平位移與開挖高度之比一般不大干3%。這種位移值不會影響工程的適用性和長期穩(wěn)定性，它對整個土釘墻工程來說，不構(gòu)成控制設(shè)計的主要因素。土釘墻體內(nèi)的水平位移隨離開墻面距離增大而減小。

(2)土釘內(nèi)的拉力分布是不均勻的，一般呈現(xiàn)中間大，兩邊小的規(guī)律，即最大拉力出現(xiàn)在臨近破裂面處。土體產(chǎn)生微小變位才能使土釘受力，在面板附近土釘受力不大，這表明土釘已將其所受的大部分的力傳遞到土體當(dāng)中去了。土釘墻位置越往下，土釘最大受力點越往面板處移。

(3)土釘最大拉力出現(xiàn)在基坑的中部。上部、下部土釘?shù)氖芰^小。在施工階段，下層土體開挖對已設(shè)置的所有上層土釘受力均有較大影響，各層土釘拉力均有突變增量，即土釘受力具有開挖效應(yīng)。

(4)采用密集土釘加固的土釘墻性能類似重力式擋墻。破壞時明顯地帶有平移和轉(zhuǎn)動的性質(zhì)，故設(shè)計時除驗算土釘墻的內(nèi)部穩(wěn)定性，以保證它們有足夠的釘長、頂徑及合理的間距外，還必須驗算其整體的穩(wěn)定性，即驗算土釘墻的抗滑及抗傾覆安全性。

結(jié) 語

本文詳細討論了土釘墻的支護原理及作用機理。得出了土釘墻工作性能及與其它支護結(jié)構(gòu)工作性能的不同之處。因此，分析得出土釘支護的應(yīng)用范圍甚廣，可作為土體開挖的臨時支護，用于高層建筑、地下結(jié)構(gòu)等深基坑開挖，土坡開挖等;可作為永久性擋土結(jié)構(gòu)，一般與施工開挖時的臨時支護相結(jié)合。以及現(xiàn)有擋土墻的修理加固和各類臨時支護發(fā)生失穩(wěn)時的搶險加固。