土釘墻在工程應(yīng)用中的問題及改進方法的探討

易麗麗，聶 俊，潘 泓

(1.華南理工大學(xué) 亞熱帶建筑科學(xué)國家重點實驗室，廣州 510640;2.廣州市建筑科學(xué)研究院，廣州 510440)

新奧法產(chǎn)生于20世紀(jì)60年代，新奧法施工是將噴射混凝土技術(shù)和全長黏結(jié)注漿錨桿技術(shù)結(jié)合起來，應(yīng)用于隧道巖土開挖的一種方法，之后試用于土體。土釘墻是以新奧法理論為基礎(chǔ)發(fā)展起來的，在許多方面與新奧法類似，可以看作是新奧法概念的延續(xù)。

20世紀(jì)70年代，歐美一些國家開始了土釘墻的研究和應(yīng)用，進行現(xiàn)場和室內(nèi)試驗，研究土釘墻的作用機理、設(shè)計與施工工藝。20世紀(jì)90年代之后，許多國家陸續(xù)制定了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。如［1］美國聯(lián)邦公路總局1996年完成的Design＆Construction Monitoring of Soil Nail Walls(FHWA－SA－96－069R)，歐洲標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)委員會發(fā)布的歐盟標(biāo)準(zhǔn)Execution of Special Geotechnical Works:Soil Nailing(PREN14490－2002)等。歷經(jīng)40年的發(fā)展，土釘墻已經(jīng)發(fā)展成為一門成熟、常規(guī)、通用的巖土工程技術(shù)。

1 土釘墻的作用機理與破壞形式

1.1 作用機理

單一的(或稱“基本型”)土釘墻應(yīng)具備“土”、“釘”、“墻”3個基本特征［2］。土釘墻屬于土體加筋技術(shù)的一種，充分利用土體的自承能力，在邊坡中按照一定的水平與豎向間距和長短布置土釘，如圖1所示。土釘墻按施工工藝分為“鉆孔注漿型土釘”、“擊入型土釘”和“注漿的鋼管擊入型土釘”?！般@孔注漿型土釘”施工時先在土中鉆孔，植入變形鋼筋，并沿著全長壓力注漿的方法形成;“擊入型土釘”是將鋼筋或型鋼直接打入土體中，不注漿，適合于較淺和土質(zhì)較好的基坑支護;“擊入錨管型土釘”主要用于成孔困難的地層。土釘依靠土與土釘界面之間的摩擦力或黏結(jié)力，在土體發(fā)生變形的條件下，被動受力。土釘置入后起到了提前“縫合”滑移面的作用，使最危險滑移面轉(zhuǎn)移，從而提高了土體的穩(wěn)定性。土釘具有抗拔、抗剪、抗彎作用，主要是抗拔作用。并輔以鋼筋網(wǎng)噴射混凝土面層，使土釘與土體協(xié)同作用，形成有機的整體。所以一個完整體系的土釘墻由密集的土釘群，被加固的土體和噴射混凝土面層以及必要的防水系統(tǒng)共4部分組成。

圖1 土釘墻詳圖Fig.1 Detailed sketch of soil nail wall

土釘?shù)难a強效應(yīng)主要表現(xiàn)為骨架作用、分擔(dān)作用、應(yīng)力傳遞與擴散作用、坡面變形制約作用。最終起到補強土體抗拉、抗剪強度低的弱點，同時改變了基坑的變形與破壞形狀，提高土體的整體剛度與穩(wěn)定性，確?；?或邊坡)的穩(wěn)定。如圖2所示。

1.2 破壞形式

土釘墻破壞時明顯帶有平移和轉(zhuǎn)動性質(zhì)，類似于重力式擋土墻。破壞形式分為內(nèi)部穩(wěn)定破壞(局部破壞)和外部整體穩(wěn)定破壞(滑移和傾覆)［4］。因此，設(shè)計時需要考慮滑移、傾覆、整體失穩(wěn)、沿薄弱土層破壞、施工階段開挖時整體失穩(wěn)等，并逐一進行驗算。

土釘墻計算方法分為2大類，即極限平衡法和有限元法，極限平衡法主要計算結(jié)果為安全系數(shù)，而有限元法還可預(yù)測變形大小。

圖2 土釘支護體系的作用機理［3］Fig.2 The action mechanism of soil nailing support system［3］

1.3 常用計算方法

極限計算方法主要有5種［5］。①Stocker方法:Stocker等在1979年根據(jù)試驗結(jié)果提出的一種方法。②Davis方法:美國加州大學(xué)Davis分校的C.K.Shen等根據(jù)有限元計算得到土釘墻安全系數(shù)輪廓線位置及室內(nèi)試驗結(jié)果而提出的一種方法。③Bridle方法:Bridle在總結(jié)了他人一些研究成果的基礎(chǔ)上，于1989年提出了分析土釘墻內(nèi)部穩(wěn)定極限平衡方法。④王步云方法:王步云根據(jù)土釘墻原位試驗和理論分析，在1990年提出了內(nèi)部穩(wěn)定計算方法。⑤拋物線滑裂面法及能量法:根據(jù)分析土釘墻變形觀測資料及受力情況，楊育文提出了土釘墻內(nèi)部穩(wěn)定計算方法。

極限平衡法中最大的優(yōu)點是概念明確、方法簡單、人們?nèi)菀捉邮?最大的缺點是假設(shè)的前提條件過多，適用性上存在一定的局限性，且無法考慮施工過程的影響和有關(guān)變形的信息。

有限元法不僅能計算土釘墻中土釘內(nèi)力，土體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，模擬開挖過程等，而且還可以考慮土體的非均勻性和各向異性，處理各種復(fù)雜的幾何性質(zhì)和各種類型的邊界條件，解決難以用解析法求解的力學(xué)問題，解決土釘與土相互作用的難題。其最大的優(yōu)點是能預(yù)測土釘墻變形的大小，這對柔性支護是非常重要的。

2 土釘墻的優(yōu)越性和局限性

2.1 優(yōu)越性

土釘墻于20世紀(jì)80年代引入我國，國內(nèi)1992年在深圳文錦廣場基坑搶險工程中首次將土釘墻用于基坑工程。以后的很長一段時期內(nèi)，土釘墻的使用比例大幅攀升。例如在廣州市建設(shè)高峰期時，土釘墻的使用率超過70%，武漢地區(qū)2004年所完成的200多個基坑工程中，采用土釘墻支護(或與其他支護方式結(jié)合的復(fù)合、組合支護的基坑)占80%以上，取得了良好的社會和經(jīng)濟效益。采用土釘墻支護技術(shù)建造的工程在全國遍地開花［6］。

與傳統(tǒng)的支護形式相比，土釘墻具有以下特點:①經(jīng)濟，造價低廉。在我國土釘墻比灌注樁支護等節(jié)約造價1/3～2/3，因此性價比非常高，這也是土釘墻占領(lǐng)深基坑支護市場較大份額的最重要的原因之一。②施工便捷，施工設(shè)備輕便，操作方法簡單，施工靈活，施工所需場地較小，施工時對環(huán)境振動小。③材料用量和工程量省、工期短。采用土釘墻進行深基坑支護既節(jié)省了建材又縮短了工期。④結(jié)構(gòu)輕巧，柔性和延性較好。土釘復(fù)合墻體與素土相比，承載力提高了2～3倍，延遲了塑性變形發(fā)展階段，且有明顯的漸進性變形和開裂破壞并存且逐步發(fā)展，不會發(fā)生整體性坍塌，因而有一定的時間段可用于排除險情，此外，總的土釘起到群體作用，個別土釘失效對整體影響不大，因而更安全更可靠。⑤可以根據(jù)現(xiàn)場開挖發(fā)現(xiàn)的土質(zhì)情況和現(xiàn)場檢測的土體變形數(shù)據(jù)，修改土釘間距和長度等，進行動態(tài)設(shè)計。⑥無需設(shè)內(nèi)支撐，有利于基坑內(nèi)采用大型機械作業(yè)，提高施工的效率，縮短工期。相比于鋼支撐、鋼筋混凝土內(nèi)支撐等，邊開挖邊支護，不僅縮短工期，而且節(jié)約工程造價。這些優(yōu)點在用地緊張的城市建設(shè)中尤為突出，特別適合城市要求。因此，在城市建設(shè)、高速公路及水利工程建設(shè)中，都廣泛采用了土釘墻技術(shù)，大大促進了它的發(fā)展。

2.2 局限性

據(jù)國內(nèi)土釘墻應(yīng)用于邊坡的工程案例統(tǒng)計分析表明，1998—2004年是土釘墻應(yīng)用的高峰期，這一時期土釘墻幾乎無所不能，被廣泛應(yīng)用于各種條件下的基坑，但是這段時期土釘墻工程的事故或險情也比較多。歸納起來，主要有以下幾個方面的問題:

(1)設(shè)計問題。進行土釘墻設(shè)計需要仔細閱讀工程地質(zhì)資料，了解土質(zhì)條件。土體的性質(zhì)對土釘墻的影響比較大，對于不符合適用條件的土體需要考慮采用復(fù)合土釘墻或其他支護方式。單純使用土釘墻往往會產(chǎn)生過大的變形，或者由于土體與土釘之間的抗拔力不夠而局部失穩(wěn)破壞。

(2)超挖。超挖引起的基坑工程事故非常多，主要是施工時沒有按照設(shè)計要求進行開挖，造成土釘抗拔力不夠、邊坡變形過大、整體傾覆等。土釘墻受土體影響比較大，土體如果沒有一定的自立高度則不能進行施工。

(3)防水。噴射的混凝土面層能防止雨水對邊坡的沖刷和侵蝕。坡頂則主要是通過開挖集水溝，匯集雨水，防止雨水或地面水流入土坡中的豎向裂縫使土的抗剪強度降低，側(cè)壓力增大，促使土坡滑動。若地下水對邊坡產(chǎn)生動水力，則對土坡的穩(wěn)定性危害更大。

(4)土釘灌漿技術(shù)問題。土釘灌漿要飽滿，否則土釘與土體界面之間的摩擦力或黏結(jié)力就不能充分發(fā)揮，土釘就起不到補強作用。

(5)相比于鉆孔灌注樁、人工挖孔樁、地下連續(xù)墻等圍護結(jié)構(gòu)，土釘墻沒有插入深度，不能解決基坑底部的隆起、滲流、管涌等穩(wěn)定性問題。

3 土釘墻的改進方法

3.1 復(fù)合土釘墻與其他組合支護結(jié)構(gòu)

目前，采用超前支護及土釘?shù)冉M成的復(fù)合型土釘墻突破了土釘墻適用的局限性，極大的擴展了土釘墻技術(shù)的應(yīng)用范圍，在一定程度上解決了土釘墻位移大、支護深度較小的難點。復(fù)合土釘墻可應(yīng)用于砂性土、粉土、黏性土、淤泥及淤泥質(zhì)土。復(fù)合土釘墻能解決軟弱土體的自立性、隔水性，以及噴射混凝土面層與土體的粘結(jié)問題，解決基坑底部的隆起，防滲問題，減少基坑水平位移等。目前復(fù)合土釘墻主要形式有4種類型:①土釘墻+止水帷幕+預(yù)應(yīng)力錨桿;②土釘墻+預(yù)應(yīng)力錨桿;③土釘墻+微型樁+預(yù)應(yīng)力錨桿;④土釘墻+止水帷幕+微型樁+預(yù)應(yīng)力錨桿。

止水帷幕常采用相互搭接的單排或雙排深層攪拌樁，高壓旋噴樁。主要作用是為了防止地下水位的降低引起建筑物和道路的沉降。此外還有一定的加固作用。這樣不需要降低地下水位便能采用土釘墻，擴大了土釘?shù)倪m用性。

預(yù)應(yīng)力錨桿提前給土體施加初始應(yīng)力，可以減少土釘墻的位移，適用于對變形要求嚴(yán)格的工程。

微型樁屬于超前加固技術(shù)的一種，對于自穩(wěn)能力差的土層，起到保證開挖坡面的自穩(wěn)能力。超前加固技術(shù)還包括:超前加固注漿，打入角鋼、槽鋼、木樁、預(yù)制混凝土桿件等。

采用擊入注漿式土釘，如鋼花管，可以解決砂層和軟土層難成孔的問題。

此外，處在發(fā)展與研究中的疏排樁錨－土釘墻支護技術(shù)，通過土釘來提高樁間土體的穩(wěn)定性，設(shè)置排樁和錨桿以減小土釘墻的變形，形成以水平向支護和豎向支護相結(jié)合的方法。通過排樁的超前支護作用，有效控制開挖過程中土體的變形，而且，排樁具有較強的剛度和抗彎性能，削弱了土體內(nèi)部塑性變形的發(fā)展。樁與錨桿共同作用，由于排樁屬于剛性結(jié)構(gòu)，變形小，而樁間土釘墻屬于柔性結(jié)構(gòu)，變形相對較大，由他們形成的組合結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生大小不同的變形，基坑支護的土體也將產(chǎn)生不同的剪切變形，形成土拱作用。土拱具有傳遞作用［6］，它將樁間土壓力的一部分傳遞給拱腳處的排樁。因此，排樁不僅承擔(dān)了樁后土壓力，同時也分擔(dān)了樁間土通過土拱所傳遞的土壓力，土釘墻所受土壓力減小。疏排樁錨－土釘墻結(jié)合了土拱效應(yīng)，排樁抗彎性能較好和土釘墻經(jīng)濟便捷的優(yōu)點，具有廣闊的前景。

3.2 控制排水

除了受土體影響較大外，土釘墻另外一個突出的問題就是土釘施工時的水土流失和釘頭滲水很難防治。水是基坑邊坡失穩(wěn)的重要隱患，在基坑開挖中，水主要來自于:上層滯水、裂隙水、承壓水、管道漏水、地面排水等。在地下水位較高的場地，不可避免的會造成坑外水土流失，嚴(yán)重的會擾動周圍環(huán)境，造成周邊因地下水位下降而引發(fā)不均勻沉降、建筑物開裂、管線破壞等問題。

此外，地表水對邊坡的自穩(wěn)能力有較大影響。噴射混凝土面層起防水和承受部分土壓力作用。若下水道漏水或坡頂未封閉好，導(dǎo)致基坑外側(cè)土體含水量增加，根據(jù)K.Terzaghi的有效應(yīng)力原理和摩爾－庫侖強度理論，隨著土體含水量的增加，有效應(yīng)力降低，土體抗剪強度會明顯下降，雨水滲入使土體軟化，最終引發(fā)基坑的失穩(wěn)。因此在坡頂距邊坡約1m處修筑坡頂排水溝，在基坑開挖至設(shè)計深度后，可沿坡底修筑環(huán)向排水溝，相距10～20m修筑一個集水坑，以便把基坑積水抽至坡頂排水溝內(nèi)一并排走。同時為防止地下潛水、地表水滲入坡體，降低土體強度，增加護坡面的側(cè)壓力，一般施工時將土釘墻的混凝土面板向地表延伸一定長度，另一方面在護坡面設(shè)置瀉水孔，將土體內(nèi)的水引出排走。

3.3 提高土釘施工質(zhì)量方法

施工質(zhì)量問題引起土釘墻基坑失穩(wěn)的例子更是不勝枚舉。首先由于土釘墻施工時土釘?shù)臄?shù)量巨大，檢測手法單一，僅抗拔力檢驗一種，且是破壞性檢測。因而有許多基坑失穩(wěn)的工程事故是由施工質(zhì)量問題造成的。例如:土釘桿長不夠、孔底沉渣厚度過大、水泥漿強度不足、錨固體直徑不足、取消預(yù)應(yīng)力、無注漿錨固或注漿不密實等偷工減料行為使支護結(jié)構(gòu)失去抗滑移性能、錨固力下降，導(dǎo)致?lián)跬翂κХ€(wěn)。同樣將鋼筋網(wǎng)的直徑變小、噴面減薄等行為也會嚴(yán)重地降低基坑的穩(wěn)定性。因此，把無損檢測技術(shù)廣泛應(yīng)用于土釘強度檢測中至關(guān)重要。

其次土方開挖過程中，土釘按設(shè)計要求自上而下分段分層施工，嚴(yán)格控制每層開挖深度、開挖縱向長度(必要時在縱向應(yīng)間隔開挖)。合理安排作業(yè)順序，盡可能縮短開挖后土體的暴露時間，這對于限制土釘支護的變形至關(guān)重要。

3.4 對面層的改進

土釘墻用作城市建設(shè)，如用作道路兩旁邊坡支護或其他邊坡支護時需要考慮它的美觀問題，因此對面層的處理就顯得十分必要了。國內(nèi)一般只有噴射混凝土，外表粗糙、灰暗。而國外有采用鋼筋混凝土格構(gòu)梁［7］，土工材料網(wǎng)或中空砌塊，其間種植花草綠化。還有的面層分為2層，噴射混凝土作為內(nèi)層，現(xiàn)澆混凝土作為外層，或采用噴射彩色混凝土等。

4 土釘墻計算的前景展望

現(xiàn)在及以后土釘墻的研究重點主要包括:

(1)提高土釘墻變形預(yù)測的精度，土釘墻屬于柔性支擋，變形不易預(yù)測，目前主要通過工程經(jīng)驗和彈性變形理論［8］、數(shù)值模擬等方法預(yù)測變形情況。理論值與實測值存在一定差距。

(2)采用與其他支護形式相結(jié)合的復(fù)合土釘墻，擴大土釘墻的適用范圍，提高基坑的穩(wěn)定性，減小變形。

(3)對面層的設(shè)計方法存在許多爭議［9］。如把面層作為水平和豎向2個方向的彈性地基梁模型或簡化為兩邊簡支的矩形薄板彎曲模型等。對面層與土釘接觸處應(yīng)當(dāng)進行抗沖切驗算，不能僅僅滿足構(gòu)造要求。

(4)永久性土釘墻是今后發(fā)展的一個方向，目前國內(nèi)對永久性土釘墻的應(yīng)用相對較少。永久性土釘墻長期與地下水、氧、礦物質(zhì)鹽類等接觸，影響土釘?shù)哪途眯裕壳霸O(shè)計中很少考慮它的耐久性，如抗腐蝕性、抗老化、蠕變等性能。

(5)對土釘墻的抗震研究。復(fù)合土釘墻柔性強，有良好的延性和抗震性能，但對邊坡動力研究相對較少。今后研究重點應(yīng)該放在對地震過程中土釘軸力及土壓力的變化、面層抗沖切性能，復(fù)合土體的響應(yīng)加速度、動位移等方面的研究。

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［2］付文光，卓志飛.對“土釘墻”等術(shù)語命名的探討［J］.巖土工程學(xué)報，2010，10(7):808－809.(FU Wen-guang，ZHUOZhi-fei.Discussion on Definition of Soil Nail Walls［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering ，2010，10(7):808－809.(in Chinese))

［3］劉喜旺.土釘墻支護技術(shù)機理及其優(yōu)化設(shè)計［J］.湖南理工學(xué)院學(xué)報，2010，23(2):82－84.(LIU Xi-wang.Mechanisms and Optimal Design of Soil-nailing Wall Supporting Technology［J］.Journal of Hunan Institute of Science and Technology(Natural Sciences)，2010，23(2):82－84.(in Chinese))

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