微型樁復(fù)合土釘墻支護(hù)作用機(jī)理及穩(wěn)定性研究

余忠，唐曉雪，張進(jìn)，胡倩

（湖南工學(xué)院建筑工程與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，湖南 衡陽 421002）

0 前 言

土釘支護(hù)（soil nailing）是一種新型的擋土支護(hù)技術(shù)，主要用于邊坡加固和深基坑開挖施工時(shí)的坑壁支護(hù)，從20世紀(jì)70年代開始在工程中應(yīng)用至今已有40余年歷史。在基坑或邊坡開挖時(shí)，在土壁上以一定傾角成孔，置入鋼筋、角鋼或鋼管等細(xì)長(zhǎng)桿件，然后將水泥漿通過高壓注入孔內(nèi)形成土釘，隨后在土壁表面上綁扎鋼筋網(wǎng)，并將其與土釘端部進(jìn)行有效固定，最后噴射混凝土形成面層。土釘通過與周圍土體接觸界面上的摩擦力或粘結(jié)力，與土體形成一個(gè)組合體共同受力和變形，從而達(dá)到支護(hù)的目的。土釘支護(hù)如今已成為一種較成熟的支護(hù)技術(shù)，具有經(jīng)濟(jì)合理、施工簡(jiǎn)便、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，在工程中應(yīng)用廣泛。

1 微型樁復(fù)合土釘支護(hù)

1.1 復(fù)合土釘支護(hù)

由于土釘墻不能嚴(yán)格控制基坑變形，本身也不具備止水等功能，單一的土釘墻無法在變形要求嚴(yán)格的永久性支護(hù)中應(yīng)用，在地下水豐富的土層中也難以達(dá)到支護(hù)要求。復(fù)合土釘支護(hù)就是在解決上述實(shí)際工程問題的過程中產(chǎn)生并不斷發(fā)展和完善的[1]。

在土釘支護(hù)的基礎(chǔ)上，增加一些輔助措施，或?qū)⑼玲斨ёo(hù)與其他支護(hù)形式相結(jié)合，即形成復(fù)合土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)。復(fù)合土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)由于其作用機(jī)理和施工工法均與土釘支護(hù)有所不同，彌補(bǔ)了土釘支護(hù)單獨(dú)使用的缺點(diǎn)，因而適用范圍更廣，應(yīng)用空間更加廣闊。

1.2 微型樁復(fù)合土釘支護(hù)

圖1 微型樁復(fù)合土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)的組成

圖2 釘間土體成拱作用

圖3 土釘面層土壓力分布簡(jiǎn)化示意圖

微型樁與土釘復(fù)合支護(hù)是復(fù)合土釘墻技術(shù)中的一種常用的支護(hù)體系，多用于深基坑支護(hù)工程中。在深基坑開挖前，在開挖線的外側(cè)按設(shè)計(jì)要求垂直打入一定數(shù)量的鋼管，利用加壓設(shè)備將水泥漿等漿液注入鋼管內(nèi)形成微型樁，沿基坑開挖線以一定間距分布。基坑開挖過程中，分層開挖土體，分步成孔設(shè)置土釘，布設(shè)鋼筋網(wǎng)后噴射混凝土面層。土釘墻與開挖前完成的微型樁聯(lián)成一個(gè)整體，形成復(fù)合土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)。當(dāng)基坑或邊坡土體土質(zhì)松散、自立性較差時(shí)，采用微型樁復(fù)合土釘支護(hù)效果尤為明顯[2]。

微型樁復(fù)合土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)通常由微型樁、面層、土釘和防水系統(tǒng)等幾個(gè)部分組成，如圖1所示。

2 微型樁復(fù)合土釘墻的支護(hù)機(jī)理

2.1 土釘與土的相互作用

土釘支護(hù)邊坡和素土邊坡相比，當(dāng)二者在發(fā)生相同的水平位移時(shí)，前者承載能力要比后者提高很多，這說明前者的整體剛度和穩(wěn)定性由于土釘?shù)拇嬖诘玫搅颂岣?。在坡頂超載作用下，土釘墻的破壞呈現(xiàn)為持續(xù)而漸進(jìn)的特征。與之相對(duì)的是，在坡頂超載作用下，素土邊坡產(chǎn)生遠(yuǎn)低于土釘墻加固邊坡的水平位移時(shí)，就很快出現(xiàn)整體滑裂或塌落。

2.1.1 土釘對(duì)土體的補(bǔ)強(qiáng)作用

土釘支護(hù)中土釘?shù)拈L(zhǎng)度須穿過土體中的潛在滑裂面并深入到穩(wěn)定土體內(nèi)一定深度，當(dāng)面層土體發(fā)生位移時(shí)，土體和土釘之間的界面摩擦阻力發(fā)揮作用，土釘對(duì)周圍土體產(chǎn)生約束作用。該補(bǔ)強(qiáng)作用與土的性質(zhì)，土釘本身的強(qiáng)度、剛度以及在土體內(nèi)的分布情況有關(guān)。當(dāng)土體由彈性變形逐步進(jìn)入塑性狀態(tài)后，其承受的應(yīng)力通過二者之間的摩阻力逐漸轉(zhuǎn)移到由土釘承擔(dān)，使復(fù)合土體的變形發(fā)展得以延遲，破壞性狀呈漸進(jìn)性。

2.1.2 固化改性作用

在作為土釘?shù)匿摴苌线m當(dāng)位置鉆上小孔，打入土中后在鋼管內(nèi)高壓注入水泥漿即形成注漿土釘。注漿土釘對(duì)其周圍土體具有補(bǔ)強(qiáng)和固化改性作用[3]。

注漿土釘通過中空鋼管注入的漿液在高壓作用下由管壁上的孔眼進(jìn)入到土體中，填充土顆粒之間孔隙擠密土體；漿液中水泥的發(fā)生水化反應(yīng)，生成物中的Ca2+離子與粘土顆粒表面的Na+離子發(fā)生離子交換作用，形成以土釘及滲出漿體形成的“漿脈”為骨架的復(fù)合結(jié)構(gòu)。當(dāng)土體中有裂隙發(fā)育時(shí)，滲出的漿液會(huì)沿著裂隙滲透和擴(kuò)展，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，改變土體的物理力學(xué)性質(zhì)，提高其強(qiáng)度。

2.2 釘間土體的成拱效應(yīng)[4]

土釘之間土體在側(cè)壓力的作用下，形成類似“土拱”的受力形式，稱為“成拱效應(yīng)”，它是土釘與土體之間的相互作用的一種表現(xiàn)形式。當(dāng)土釘之間間距較小，而土質(zhì)條件又比較好的情況下，土釘之間的土體形成以土釘為支點(diǎn)的“承載拱”，土體因松動(dòng)或位移產(chǎn)生的側(cè)壓力通過土拱傳遞給支座即土釘，如圖2（a）所示；土釘間距過大或土質(zhì)條件較差時(shí)，釘間土體則不能產(chǎn)生土拱效應(yīng)，如圖2（b）所示。

2.3 微型樁的作用

微型樁是復(fù)合土釘支護(hù)體系中重要的受力構(gòu)件，在不同的情況下，微型樁可能承受拉應(yīng)力、壓應(yīng)力、剪應(yīng)力、扭矩或它們中幾種的組合作用。

2.3.1 提高土體的強(qiáng)度的作用

微型樁的強(qiáng)度和剛度均遠(yuǎn)高于其周圍的土體材料，對(duì)其周圍一定范圍內(nèi)土體的變形產(chǎn)生約束作用，從而增強(qiáng)了其周圍一定范圍內(nèi)土體的強(qiáng)度。土體開挖前的初始應(yīng)力場(chǎng)，也因微型樁對(duì)其周圍土體變形的約束而得到了改善，使得開挖后邊坡的穩(wěn)定性得以提高，尤其是土釘施工前裸坡的自立能力得以提高，有利于施工的順利進(jìn)行。

2.3.2 減少邊坡的變形量

在微型樁復(fù)合土釘支護(hù)體系中，包裹在土體中微型樁的強(qiáng)度和剛度均比其周圍土體要高，對(duì)其強(qiáng)度和剛度有一定的增強(qiáng)作用，從而對(duì)開挖過程中土體的變形產(chǎn)生約束作用。

2.4 面層的作用

面層的作用主要是承受邊坡土體產(chǎn)生的側(cè)壓力及坡頂超載引起的側(cè)壓力并傳遞給土釘以及防止土體坍塌等。土釘墻面層的作用機(jī)理非常復(fù)雜，并且常和施工質(zhì)量有關(guān)。在工程實(shí)踐中，很少因?yàn)槊鎸悠茐亩霈F(xiàn)問題，因此在設(shè)計(jì)時(shí)只需按照相關(guān)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》設(shè)計(jì)面層即可。

3 微型樁復(fù)合土釘墻的穩(wěn)定性分析[5]

3.1 內(nèi)部穩(wěn)定性分析

3.1.1 抗拉斷裂極限狀態(tài)[6]

土釘在面層土壓力作用下將承受拉應(yīng)力作用，要保證土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)部穩(wěn)定性，須確保土釘抗拉強(qiáng)度滿足要求而不致拉斷，即直徑db須滿足：

式中：

Ei——面層上第i根土釘支承范圍內(nèi)的土壓力，Ei=Pi·Sx·Sy

式中：

hi——坡頂至土壓力作用點(diǎn)的距離，當(dāng)hi≤H/2時(shí)，hi按實(shí)際取值；當(dāng)hi＞H/2時(shí)，hi＝0.5H

H——邊坡垂直高度

γ——土的重度

me——工作條件系數(shù)，臨時(shí)性土釘（≤2年），me=1.10；永久性土釘（＞2年），me=1.20

k——土壓力系數(shù)，取k=（k0+ka），ka、k0分別為主動(dòng)及靜止土壓力系數(shù)

fk——土釘抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值

3.1.2 土釘錨固極限狀態(tài)

在土壓力作用下，復(fù)合土體內(nèi)部存在潛在的滑裂面，滑裂面后那段的土釘稱為有效錨固段，應(yīng)具有足夠的錨固力（界面摩擦阻力的合力），以使土釘不致被拔出，即滿足：

防疫部門應(yīng)加大對(duì)疫情的監(jiān)測(cè)力度，并制定一套完善的疫情預(yù)警報(bào)告制度，時(shí)刻留意牧區(qū)羊群的生長(zhǎng)狀況。一旦發(fā)現(xiàn)存在疑似感染小反芻獸疫病的羊只，應(yīng)在第一時(shí)間內(nèi)進(jìn)行隔離，待其恢復(fù)健康后，才能繼續(xù)同群飼養(yǎng)。因此，積極做好對(duì)牧區(qū)疫情的監(jiān)測(cè)工作是控制小反芻獸疫病毒肆意傳播的重要舉措。

式中：

Fi——第i 根土釘?shù)挠行у^固力，F(xiàn)i=π·dh·Lei·τ

Lei——第i 根土釘有效錨固段長(zhǎng)度

τ——土釘與土體間的極限界面摩阻力

dh——土釘?shù)目讖剑ㄈ魹榇蛉胄屯玲攧t指加筋桿換算直徑）

Ks——安全系數(shù)，取1.3～2.0，臨時(shí)性土釘取小值，永久性土釘取大值

3.2 外部穩(wěn)定性分析

微型樁復(fù)合土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)中微型樁與土釘墻復(fù)合土體形成的結(jié)構(gòu)可看作為一個(gè)整體，因此其外部穩(wěn)定性分析可按重力式擋土墻考慮[7]。

3.2.1 抗滑移穩(wěn)定性的驗(yàn)算

微型樁復(fù)合土釘墻抗滑穩(wěn)定性以抗滑移穩(wěn)定系數(shù)來表示，即：

式中：

Kh——抗滑移穩(wěn)定系數(shù)

G——擋土墻的重力（kN/m）

Ex、Ey——擋土墻背面的主動(dòng)土壓力Ea的x方向和y方向的分力(kN/m)

μ——擋土墻基底與土體之間的摩擦系數(shù)

3.2.2 抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算

抗傾覆穩(wěn)定性用抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)Kq來表示，即：

式中：

Kq——抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)

h、b、a——分別為Ex、G、Ey對(duì)墻外下腳的力臂（m）

3.2.3 地基強(qiáng)度驗(yàn)算

要求同時(shí)滿足：σmax≤1.2f，σmin≥0。

式中：

a——墻底部的寬度（m）

e——荷載作用于墻底面上的偏心距（m）

f——地基承載力設(shè)計(jì)值（kPa）

用（3）、（4）、（5）式進(jìn)行驗(yàn)算，若不能滿足外部穩(wěn)定性要求，可采用增加土釘長(zhǎng)度或適當(dāng)調(diào)整邊坡坡度的方法，使其滿足要求。

3.2.4 微型樁強(qiáng)度復(fù)核

復(fù)合土釘墻中的微型樁一般采用鋼管樁，其強(qiáng)度較高，可以不進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算。但是當(dāng)微型樁的強(qiáng)度較低或基坑開挖深度過大時(shí)，在墻后土壓力的作用下，微型樁也有可能發(fā)生彎折破壞或沖剪破壞，這時(shí)需要進(jìn)行抗剪、抗彎強(qiáng)度驗(yàn)算。

4 結(jié)束語

微型樁復(fù)合土釘支護(hù)技術(shù)將微型樁和土釘支護(hù)結(jié)合起來，彌補(bǔ)了純土釘支護(hù)的局限性。由于微型樁的超前支護(hù)，使其周圍土體的強(qiáng)度和剛度得到了提高，基坑壁的水平位移得到有效的控制，土體性能大為改善，與純土釘支護(hù)相比，適用范圍更加廣泛。需要從土釘內(nèi)部和外部穩(wěn)定性兩個(gè)方面進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算，且對(duì)微型樁本身的強(qiáng)度和支護(hù)結(jié)構(gòu)下地基的強(qiáng)度進(jìn)行復(fù)核，以保證支護(hù)結(jié)構(gòu)不因失穩(wěn)而破壞。

[1]龔曉南.土釘和復(fù)合土釘支護(hù)若干問題[J].土木工程學(xué)報(bào),2003（10）.

[2]劉學(xué)軍,陳正大.復(fù)合土釘支護(hù)技術(shù)及其作用機(jī)理研究[J].中國(guó)科技信息,2006（21）.

[3]李志剛,任佰儷，等.高壓注漿土釘特性及應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2004（9）.

[4]陶龍光,侯公羽.超前錨桿預(yù)支護(hù)機(jī)理的模擬試驗(yàn)與成拱力學(xué)模型研究[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1995（3）.

[5]趙勇.微型樁復(fù)合土釘墻的面層受力分析與作用機(jī)理研究[D].北京：中國(guó)地質(zhì)大學(xué),2008.

[6]楊慶光.復(fù)合土釘?shù)挠邢拊獢?shù)值模擬及其機(jī)理分析[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué),2004.

[7]GB50007-2002,建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2002.