土釘支護(hù)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

苑金秒，張芳芳

（山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西大同037003)

土釘支護(hù)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

苑金秒，張芳芳

（山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西大同037003)

土釘墻是常用的基坑支護(hù)方法之一。文章對(duì)土釘墻的支護(hù)特點(diǎn)、適用范圍、設(shè)計(jì)方法作了論述，并結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)土釘墻的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了探討，以供同行參考，進(jìn)一步揭示其優(yōu)越性。

土釘墻；土壓力；設(shè)計(jì)；穩(wěn)定性

近些年，隨著城市建設(shè)規(guī)模的快速拓展，基坑工程也眾所矚目，規(guī)模之大，深度之深，周邊環(huán)境復(fù)雜，成為巖土工程發(fā)展中最為活躍的領(lǐng)域之一[1]。

1 土釘支護(hù)簡介

土釘支護(hù)(Soil Nailing)是基于新奧法（NATM）原理發(fā)展起來的一種新型原位土體加固技術(shù)[2]，該技術(shù)目前被廣泛應(yīng)用于開挖支護(hù)和邊坡加固工程中。土釘支護(hù)由土釘（即：土中置入較密間隔的細(xì)長桿體，如鋼筋、鋼管等，周圍再輔以壓力注漿）與加固了的土體作為擋土結(jié)構(gòu)，類似于重力式擋土墻。當(dāng)土體發(fā)生變形時(shí)，土釘全長與土體接觸界面上產(chǎn)生粘結(jié)摩阻力，使土釘被動(dòng)受拉，加上開挖面上噴射鋼筋混凝土面板的約束，使復(fù)合土體的力學(xué)性能得以改善，自穩(wěn)能力和整體剛度得到提高，起到制約邊坡土體變形、提高邊坡整體穩(wěn)定性的效果。典型的土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)包括原土中的土釘、噴射混凝土面層以及被加固的土體，見圖1。

圖1 土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造示意圖

2 土釘支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)選擇

土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)內(nèi)容，見圖2，可參考工程類比和工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)尺寸與材料參數(shù)的選擇。重要工程設(shè)計(jì)時(shí)，宜結(jié)合相關(guān)有限元軟件進(jìn)行受力分析。

圖2 土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1土釘?shù)拈g距

土釘?shù)拈g距大小直接影響到其整體作用效果，選擇的原則是以每個(gè)土釘注漿體對(duì)周圍土體的影響區(qū)域應(yīng)與相鄰?fù)玲斪{體的影響區(qū)域相重疊為準(zhǔn)。土釘?shù)乃胶拓Q向間距宜為1～2 m，當(dāng)基坑較深、土體強(qiáng)度較低時(shí)，應(yīng)取小值[3]。土釘?shù)呢Q向間距應(yīng)與每步開挖深度相對(duì)應(yīng)，沿面層布置的土釘密度不應(yīng)低于6 m2/根。

2.2土釘?shù)膬A角

土釘與水平線之間的向下的夾角稱為土釘?shù)膬A角，一般宜為5～20°，其值應(yīng)由土層特性和施工條件綜合確定。研究表明，傾角越小，支護(hù)的變形越小，但注漿質(zhì)量較難控制；傾角越大，支護(hù)的變形越大，但有利于土釘插入下部較好土層，注漿質(zhì)量也易于保證[4]。當(dāng)采用壓力注漿且有可靠排氣措施時(shí)，傾角宜接近水平。軟弱土層中，可適當(dāng)加大傾角，以便土釘向下進(jìn)入強(qiáng)度較高的土層中。若遇到障礙物時(shí)，必要時(shí)適當(dāng)調(diào)整鉆孔的位置和方向。

2.3土釘?shù)牟牧?/p>

土釘可采用鋼筋、角鋼和鋼管等。當(dāng)采用鋼筋時(shí)，鋼筋直徑應(yīng)根據(jù)土釘抗拔承載力設(shè)計(jì)要求確定，宜取 16～32 mm，鋼筋級(jí)別選擇 HRB335或HRB400，成孔直徑宜取70～120 mm，土釘鋼筋保護(hù)層厚度不宜小于20 mm；采用角鋼時(shí)，一般為L5×50×50角鋼；采用鋼管時(shí)，鋼管的外徑不宜小于48 mm，壁厚不宜小于3 mm。

2.4噴射混凝土面層

噴射混凝土面層的厚度一般取80～100 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)不低于C20，三天強(qiáng)度不應(yīng)低于10 MPa。該面層中應(yīng)配置鋼筋網(wǎng)和通長的加強(qiáng)鋼筋：鋼筋網(wǎng)宜采用直徑6～10 mm的熱扎光圓鋼筋，間距宜取150～250 mm，鋼筋網(wǎng)間的搭接長度應(yīng)大于300 mm；加強(qiáng)筋的直徑宜取14～20 mm，當(dāng)充分利用土釘桿體的抗拉強(qiáng)度時(shí)，加強(qiáng)筋的截面面積應(yīng)大于土釘桿體截面面積的一半。面層厚度大于120 mm時(shí)，宜設(shè)置雙層鋼筋網(wǎng)。土釘鋼筋與面層噴射混凝土可以通過鋼墊板、螺帽墊圈等方式連接，土釘與面層鋼筋應(yīng)與加強(qiáng)筋焊接，加強(qiáng)筋連接相鄰的土釘。

3 土釘設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1土釘?shù)目拱纬休d力計(jì)算

3.1.1單根土釘?shù)臉O限抗拔承載力計(jì)算

應(yīng)符合下式規(guī)定（滿足抗拉拔強(qiáng)度）[5]：

式中：Kt為土釘抗拔安全系數(shù)，安全等級(jí)為2級(jí)和3級(jí)的土釘墻，不應(yīng)小于1.6和1.4；Nk,j為第 j層土釘?shù)妮S向拉力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；Rk,j為第 j層土釘?shù)臉O限抗拔承載力標(biāo)準(zhǔn)值，kN。

3.1.2土釘極限抗拔承載力標(biāo)準(zhǔn)值

可按下式估算：

式中：Rk,j為第 j層土釘?shù)臉O限抗拔承載力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；dj為第 j層土釘?shù)腻^固體直徑，成孔注漿時(shí)取成孔直徑，打入鋼管取管徑，m；qsik為第 j層土釘在第i層土的極限粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；li為第 j層土釘在滑動(dòng)面外第i土層中的長度，m。

計(jì)算單根土釘極限抗拔承載力時(shí)，取圖3所示的直線滑動(dòng)面，直線滑動(dòng)面與水平面的夾角取(β+φm)/2。

圖3 土釘抗拔承載力計(jì)算

3.2土釘?shù)睦τ?jì)算

土釘?shù)妮S向拉力標(biāo)準(zhǔn)值：

式中：ζ為墻面傾斜時(shí)的主動(dòng)土壓力折減系數(shù)，墻面傾斜時(shí)ζ≤1，墻面垂直時(shí)ζ＝1；ηj為第j層土釘軸向拉力調(diào)整系數(shù)，最上層土釘ηj≥1，最下層土釘ηj≤1；pak,j為第j層土釘處的主動(dòng)土壓力強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；sxj、szj為土釘?shù)乃胶痛怪遍g距，m；β為墻體坡面與水平面的夾角，(°)；φm為基底面以上各土層的內(nèi)摩擦角按土層厚度加權(quán)平均值，(°)；zj為第j層土釘至基坑頂面的垂直距離，m；h為基坑深度，m；ΔEaj為作用在以邊長為sxj、szj的面積內(nèi)的主動(dòng)土壓力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；ηa為計(jì)算系數(shù)，每層土釘?shù)挠?jì)算系數(shù)相同；ηb為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，可取0.6～1.0；n為土釘層數(shù)。

土釘桿體的受拉承載力（滿足抗拉斷強(qiáng)度）：

Nj≤fyAs

式中：Nj為第j層土釘?shù)妮S向拉力設(shè)計(jì)值，Nj＝γoγFNk，kN；fy為土釘桿體的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，kPa；As為土釘桿體的截面面積，m2。

4 工程算例

某基坑擬采用土釘支護(hù)，高度為4 m，地下水水位埋深大于20 m。坡面與水平面夾角70°，地面超載20 kPa，安全等級(jí)二級(jí)。土層參數(shù)：γ＝20 kN/m3，c＝10 kPa，φ＝20°，土釘與土層的極限粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值qsik＝50 kPa，經(jīng)驗(yàn)系數(shù)為0.6。場地內(nèi)未見特殊類土層分布，屬于建筑抗震一般地段，非液化場地，且不考慮震陷影響。

4.1設(shè)計(jì)計(jì)算

（1）初設(shè)沿坡面垂直方向均勻布置2排土釘，第一層土釘距坡頂1.0 m，第二層土釘距坡頂3.0 m，土釘水平間距2.0 m，土釘傾角15°。

土釘桿體采用鋼筋，直徑16 mm，強(qiáng)度等級(jí)HRB400，錨固體直徑120 mm。土釘與土層的極限粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值qsik＝50 kPa，經(jīng)驗(yàn)系數(shù)0.6。

（2）計(jì)算軸向土壓力標(biāo)準(zhǔn)值Nk,j。

Ka=tan2(45°-20°/2)=0.49

第一層土釘：

折減后的軸向土壓力標(biāo)準(zhǔn)值：

（3）以第二層為例計(jì)算土釘有效錨固長度。

基坑安全等級(jí)二級(jí)：

有效錨固長度：

（4）以第二層為例驗(yàn)算土釘桿體受拉承載力。

N2=γoγFNk=1.0×1.25×56.4=70.5kN＜ fyAs，滿足要求。

同理，驗(yàn)算第一層土釘?shù)挠行у^固長度和受拉承載力均滿足要求。

4.2電算復(fù)核

采用理正深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件7.0進(jìn)行驗(yàn)算。計(jì)算時(shí)采用有限元法，考慮了土釘墻結(jié)構(gòu)與墻后土體有空間整體協(xié)同作用。選用增量法，也就是按照各施工工況，施加相應(yīng)的荷載，能比較真實(shí)的模擬出基坑開挖的整個(gè)過程，同時(shí)也可以考慮施工過程中開挖順序?qū)χёo(hù)體系的影響。按各施工工況的最不利內(nèi)力組合進(jìn)行設(shè)計(jì)，也對(duì)基坑穩(wěn)定性、墻身材料的承載力等進(jìn)行驗(yàn)算，經(jīng)計(jì)算均滿足相當(dāng)規(guī)范要求。

5 小結(jié)

（1）本文結(jié)合土釘支護(hù)的基坑工程實(shí)例，合理設(shè)計(jì)了土釘?shù)拈L度、間距，對(duì)土釘?shù)挠行у^固長度和受拉承載力進(jìn)行驗(yàn)算。并用軟件進(jìn)行校核，證明土釘墻支護(hù)技術(shù)是切實(shí)可行的。

（2）土釘支護(hù)的作用機(jī)理是通過土釘與土體接觸界面上的黏結(jié)力或摩擦力，使土釘受拉，從而約束土體的變形。土釘一般也不施加預(yù)應(yīng)力。

（3）土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)通常適用于地下水位較低、自立性較好的地層。因其造價(jià)低廉、施工便捷等優(yōu)點(diǎn)，近些年在我國得到大力推廣，隨著現(xiàn)代化建設(shè)的步伐加快，以后在工程建設(shè)中將擁有更為廣闊的前景。但在地下水豐富的軟弱地質(zhì)條件下，如我國沿海地區(qū)，地層通常為疏軟的雜填土或淤泥質(zhì)土下為深厚的淤泥質(zhì)粘土，土體強(qiáng)度偏低，且若深基坑工程位于城市中心，周邊建筑物密集，環(huán)境復(fù)雜，土釘支護(hù)技術(shù)在該地區(qū)的應(yīng)用受到很大的挑戰(zhàn)。

[1]張芳芳,李林.水泥土擋墻的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].山西大同大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014,30(3)：63-65,68.

[2]張艷美,盧玉華,程玉梅,等.基礎(chǔ)工程[M].2版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2011：231-235.

[3]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程：JGJ 120-2012[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2012.

[4]袁聚云,李鏡培,樓曉明.基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)原理[M].1版.上海：同濟(jì)大學(xué)出版社,2002：182-191.

[5]曾亮.專業(yè)案例一本通[M].北京：華南巖土出版社,2014.

Design and Application of Soil Nailing Wall

YUAN Jin-miao,ZHANG Fang-fang
(School of Coal Engineering,Shanxi Datong Unversity,Datong Shanxi,037003)

Soil nailing wall is one of supporting methods commonly used in the foundation pit engineering.In this paper,its characteristics,scope of application and design method are introduced.Combined with engineering example,the analysis of design process as follows for the colleague reference,and its superiority can be further revealed.

soil nailin wall；soil pressure；design；stability

TU471

A

〔責(zé)任編輯 王東〕

1674-0874(2017)01-0063-03

2016-06-20

苑金秒(1979-)，女，河北衡水人，助教，研究方向：土木工程。