土釘墻技術(shù)與微型樁聯(lián)合土釘墻支護(hù)機(jī)理探析

鐘炎，傅勤安

(安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230022）

1 概 述

土釘墻技術(shù)是基坑工程常用的支護(hù)類型，合肥地區(qū)土質(zhì)較好適合用土釘支護(hù)，土釘技術(shù)因快速、簡單、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)而得到青瞇。該支護(hù)先用小型鉆機(jī)開鑿與坑壁接近垂直的深孔，然后向孔內(nèi)放入帶有支撐架的鋼筋體，再向孔內(nèi)高壓灌入水泥砂漿包裹住筋體滲入周圍土體孔隙中，在坡面鋪上鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)與土釘接觸處通過焊接或螺栓聯(lián)接緊密形成整體，最后在坡面噴射80mm以上厚度的混凝土面層。土釘?shù)念愋陀袚羧胧?、注漿擊入式、高壓噴射注漿土釘、鉆孔注漿釘?shù)?。釘體可以是螺紋鋼筋，較軟的土層可以擊入帶孔的角鋼、圓鋼、剛管等。

1990年美國召開國際擋土學(xué)術(shù)會(huì)議正式將土釘墻作為獨(dú)立專題并列于土層錨桿，成為獨(dú)立的一門加固技術(shù)。隨著科技進(jìn)步，相應(yīng)工程軟件也在開發(fā)中，進(jìn)入21世紀(jì)后人們普遍采用工程軟件計(jì)算和模擬預(yù)測，許多基坑工程軟件開發(fā)了出來并且在原來基礎(chǔ)上改進(jìn)，例如Ansys、Flac、plaxis、理正深基坑、同濟(jì)啟明星軟件等等。土釘墻技術(shù)由理論、試驗(yàn)、加之計(jì)算機(jī)輔助軟件的輔助，其具有廣闊的應(yīng)用空間。

2 土釘墻的工作機(jī)理及特點(diǎn)

土體的抗剪、抗拉強(qiáng)度很低，但是土體具有一定的整體穩(wěn)定性，基坑開挖在一定范圍內(nèi)土體能保持自立能力，當(dāng)超過臨界高度或地面超載時(shí)會(huì)發(fā)生破壞。土釘具有較高的抗拉抗剪強(qiáng)度，較大的彈性模量，在土體內(nèi)埋設(shè)密集的土釘，土釘與土體全長緊密結(jié)合共同工作形成復(fù)合土體。由于土體和土釘形成復(fù)合土體共同受力，釘-土的相互作用使得土體受力性質(zhì)發(fā)生改變，被土釘加固的土體類似重力式擋土墻承受土體側(cè)向壓力，限制土體位移提高土體的剛度，彌補(bǔ)了土體抵抗荷載自身剛度、抗剪強(qiáng)度的不足，顯著增強(qiáng)了基坑邊坡整體穩(wěn)定性。

土釘墻不是靠自身結(jié)構(gòu)抵擋土壓力，土釘與周圍土體緊密結(jié)合形成復(fù)合加固土體。在圖示邊坡上取一小塊微元體，該微元體受到重力作用，重力沿坡面分解為滑動(dòng)力，沿垂直坡面分解為正壓力,正壓力乘內(nèi)摩擦角正切值等于摩擦力,摩擦力加上粘聚力就是抗滑力。當(dāng)作用于土體的摩擦力和粘聚力產(chǎn)生的抗滑力小于重力作用下的滑動(dòng)力后土體沿著坡面滑移。

當(dāng)土體進(jìn)入塑性狀態(tài)后，向周圍傳遞應(yīng)力使塑性變形區(qū)域擴(kuò)大，滑裂面進(jìn)一步擴(kuò)大為假想的圓弧形?；瑒?dòng)區(qū)內(nèi)的土體，在重力作用下產(chǎn)生繞圓心的力矩發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)土體的粘聚力產(chǎn)生的抗滑力矩和摩擦力產(chǎn)生的抗滑力小于重力力矩時(shí)，力矩不平衡造成土體下滑發(fā)生整體性破壞。在即將產(chǎn)生滑動(dòng)面土體中插入土釘,則滑動(dòng)面附近的土體抗剪強(qiáng)度得到了提高,摩爾庫倫包絡(luò)線向上平移使原本與摩爾應(yīng)力圓相交變?yōu)檫h(yuǎn)離不相交,土體從臨界破壞狀態(tài)轉(zhuǎn)為彈性狀態(tài),延緩了土體塑性變形區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大,阻止土體繼續(xù)開裂,使土體潛在的滑動(dòng)面向邊坡深層緩慢發(fā)展。

3 土釘?shù)淖饔?/h2>

①土釘提供拉力Tk增強(qiáng)了土體的抗剪強(qiáng)度，土釘提供的拉力在沿滑動(dòng)面法線方向上增加了正壓力,正壓力與土體內(nèi)摩擦角正切值相乘便是抗滑動(dòng)力，因此拉力增大了土體抗剪強(qiáng)度。

②土釘?shù)募袅s對土體抗剪強(qiáng)度起到補(bǔ)強(qiáng)作用，土釘?shù)目箯澘辜魪?qiáng)度較高，土釘剪力分量一方面會(huì)沿滑動(dòng)面切向上增加抗滑動(dòng)力，一方面向其法線方向分量減小土體沿滑動(dòng)面正壓力，綜合考慮土釘?shù)募袅辜魪?qiáng)度起到補(bǔ)強(qiáng)作用的，土釘埋設(shè)方向越是靠近沿滑動(dòng)面外法線方向，抗剪強(qiáng)度就越大。如圖2所示在滑動(dòng)面兩側(cè)分布著土體剪切力使土釘受彎，土釘靠自身剛度產(chǎn)生反力矩M。

③土釘與土的相互作用：在同樣的素土邊坡坡頂施加荷載土體很快發(fā)滑裂、塌落。在素土上施加土釘后發(fā)現(xiàn)土釘?shù)倪吰鲁休d力明顯提高，說明加入土釘后的邊坡整體抗剪強(qiáng)度和剛度得到提高。

④土釘水泥漿固化土體：通過高壓注漿會(huì)讓土釘中的水泥漿液充填周圍土體縫隙中，注入土體中的水泥礦物和水發(fā)生的水化反應(yīng)生成含鈣離子與黏土顆粒表面的鈉、鉀離子交換作用形成團(tuán)粒結(jié)構(gòu)使土體強(qiáng)度提高。

⑤釘間土體成拱效應(yīng)：在一定水平間距的兩土體在側(cè)壓力作用下會(huì)發(fā)生變形趨勢，當(dāng)土質(zhì)條件較好時(shí)土體會(huì)把受到的側(cè)壓力傳遞給兩邊的土釘體，釘土間的相互作用會(huì)發(fā)生“土拱效應(yīng)”，“土拱效應(yīng)”影響因素主要包括土質(zhì)、土的剛度、土釘間的間距。

4 土釘墻技術(shù)的局限性

土釘墻的優(yōu)點(diǎn)很多：安全可靠，施工工藝簡單，縮短工期、經(jīng)濟(jì)效益好等，但是土釘墻技術(shù)也具有一定的局限性，具體表現(xiàn)為如下幾點(diǎn)。

①土釘位置必須避開周圍建筑基礎(chǔ)、地下管道限制。場地周圍建筑和地下管網(wǎng)密集地區(qū)，土釘桿體容易超出紅線范圍對周邊地基會(huì)產(chǎn)生干擾。

②結(jié)構(gòu)剛度越大就越不容易變形，土釘墻的剛度比其他支護(hù)結(jié)構(gòu)差且變形較難控制，深基坑中為控制變形可以增加土釘長度、密度，但是克服不了土釘蠕變、漸進(jìn)性變形，并且造價(jià)會(huì)提高。

③在地下水位高的場地采用排水措施不可避免的會(huì)造成水土流失，可能引發(fā)建筑物下沉。若使用止水帷幕加以輔助也并不能完全隔水，止水帷幕起到減小地下水滲流速度、阻止地下水自由滲流、改變線流軌跡等作用，但是不能完全隔水。在高水位地區(qū)采取降水措施會(huì)導(dǎo)致周邊地基沉降，因而限制了單一土釘墻發(fā)展。

④土釘墻隨基坑開挖分層分段施工，每開挖一層坡面后在土釘墻未施工好前，坑壁土體需保持一定自立能力，因而土釘主要適用于地下水位低于開挖層或經(jīng)過降水處理使地下水位低于開挖面處的情況，對于無粘結(jié)性的砂土和雜填土以及沒有臨時(shí)自穩(wěn)能力的淤泥土層不宜適用。

5 微型樁復(fù)合土釘墻技術(shù)的加固機(jī)理

5.1 新型土釘墻復(fù)合支護(hù)類型

土釘墻屬于柔性支護(hù)，其控制基坑變形能力不強(qiáng)。合肥地區(qū)雖然土質(zhì)較好但是單一用土釘墻深度不應(yīng)超過12m。再者土釘沒有止水功能，地下水位較高或地表滲水量較大時(shí)不宜用土釘支護(hù)。土釘含水量增加使土體內(nèi)摩擦角減小、抗剪強(qiáng)度減弱，而且地下水的存在使土釘成孔困難。為了滿足工程需要出現(xiàn)了復(fù)合土釘支護(hù)，常見復(fù)合土釘墻有3種形式：一是攪拌樁復(fù)合土釘墻；二是預(yù)應(yīng)力錨桿復(fù)合土釘墻；三是微型樁復(fù)合土釘墻。

5.2 微型樁復(fù)合土釘墻技術(shù)

合肥地區(qū)地下水位較低，加之土質(zhì)較好一般不需要做止水帷幕輔助措施。在深基坑工程中常用到微型樁復(fù)合土釘墻支護(hù)，這種方法是在基坑開挖前沿開挖線按一定間距布置垂直打入鋼管，向鋼管內(nèi)注漿形成微型樁，基坑開挖時(shí)按設(shè)計(jì)要求挖土方并與土釘配合流水施工，分層分段開挖與土釘支護(hù)，微型樁在基坑開挖過程中起到抵擋邊坡土體變形與分擔(dān)部分土壓力，對土體保持自穩(wěn)能力起到關(guān)鍵作用。

微型樁復(fù)合土釘墻加固機(jī)理有兩部分：一是土釘墻加固作用，二是微型樁對土釘對土體的加固作用。微型樁作為聯(lián)合支護(hù)體系中主要受力構(gòu)件之一，不同情況下微型樁可能受剪、受壓、受拉作用。微型樁作用機(jī)理可以分以下探討。

①改善邊坡初始土應(yīng)力場：微型樁與土體材料強(qiáng)度上差異，對周圍土體強(qiáng)度起到增強(qiáng)作用，約束土體的變形。由于微型樁是在土釘墻施工前置入的，對土釘在放置前裸坡位移變化增強(qiáng)土體自立性，對施工有利。

②保證基坑變形量控制在安全范圍：土釘墻允許土體產(chǎn)生一定的變形，微型樁包裹在土體中開挖過程中有效減小變形，特別是在深基坑工程中對邊坡不會(huì)產(chǎn)生大的位移，而且由于土體應(yīng)力釋放邊坡產(chǎn)生水平側(cè)向土壓力，微型樁抵擋住一部分土壓力使邊坡變形不至于過大。

③微型樁土拱效應(yīng)：基坑開挖過程中基坑會(huì)產(chǎn)生側(cè)向位移，相鄰微型樁間土體有向外排出的趨勢，但樁與土體間存在摩阻力導(dǎo)致產(chǎn)生土拱效應(yīng)。樁間土體擠壓周圍土體，周圍土體形成水平方向主應(yīng)力作用于樁間土，地基土側(cè)壓力傳遞給樁，從而樁承擔(dān)了很大部分受力，保證了樁間土體的穩(wěn)定，其大小受樁間距、土質(zhì)等因素影響。

④微型樁可以提高坑底穩(wěn)定性：微型樁有效提高開挖中土體保持自立能力，當(dāng)基坑底部存在較軟的土層時(shí)，往往需要解決坑底承載力及抗隆起穩(wěn)定問題。秦會(huì)來、周同和等人在對微型樁復(fù)合土釘墻坑底穩(wěn)定性分析時(shí)用有限元分析軟件plaxis建立三維有限元模型：樁徑200mm嵌固深度分別為1m、6m；樁徑600mm嵌固深度1m、6m模型軟件模擬試驗(yàn)。分析結(jié)果顯示微型樁嵌固于下層較好土層中通過樁間摩擦力能有效控制樁水平滑移，嵌固深度深度越深樁體剛度增大，有效阻止軟弱土層向坑底滑動(dòng)隆起；其次樁徑的增大也提高了樁體的剛度、強(qiáng)度。

6 結(jié) 語

土釘墻技術(shù)是一項(xiàng)具有廣闊發(fā)展前景的新技術(shù)，隨著國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，土釘技術(shù)應(yīng)用越廣泛，對土釘墻技術(shù)的研究也將越深入，目前土釘墻還有待進(jìn)一步研究，例如土釘墻變形問題、土釘質(zhì)量的無損檢測、組合技術(shù)應(yīng)用、施工過程變形監(jiān)測等等。

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