土釘墻外部穩(wěn)定分析的必要性探討

吳佳霖

(中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031)

1 問題的提出

土釘墻支護結(jié)構(gòu)在基坑工程及道路工程中承擔擋土、穩(wěn)固土體等重要作用，其作用機理及計算方法是巖土工程中的重要研究課題。設(shè)計土釘墻時的驗算內(nèi)容，特別是對于是否需要進行外部穩(wěn)定驗算，不同規(guī)范規(guī)定有所不同。外部穩(wěn)定性驗算是指將土釘加固土體看作重力式擋墻，根據(jù)相關(guān)規(guī)范進行重力式擋墻的相關(guān)驗算[1]，包括抗滑穩(wěn)定性驗算、抗傾覆穩(wěn)定性驗算、地基承載力驗算。

應(yīng)用最為廣泛的建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程(JGJ120-2012)[2]沒有要求驗算外部穩(wěn)定，該規(guī)程規(guī)定需要驗算的內(nèi)容為：①穩(wěn)定性驗算，包括整體滑動穩(wěn)定性驗算(見圖1)、基坑坑底軟弱土層的坑底隆起穩(wěn)定性驗算(見圖2)；②土釘承載力驗算，包括極限抗拔承載力驗算和土釘桿體受拉承載力驗算(見圖3)。

而基坑土釘技術(shù)規(guī)程[3]以及鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[4]除以上驗算要求外，對土釘墻外部穩(wěn)定驗算有明確的要求。基坑土釘技術(shù)規(guī)程驗算簡圖見圖4A、B、C。

圖1 整體滑動穩(wěn)定性驗算示意

圖2 土釘墻坑底隆起穩(wěn)定性驗算示意

圖3 土釘承載力驗算示意

(A)

(B)

(C)

綜上所述，對于是否需要驗算土釘墻外部穩(wěn)定性，不同規(guī)范有不同的看法，認為不需要驗算的原因，是土釘墻在滿足整體穩(wěn)定及土釘承載力的情況下，外部穩(wěn)定一般是滿足的，因而不必驗算。本文通過算例討論土釘墻是否有必要進行外部穩(wěn)定性驗算以及什么情況下需要驗算，為工程設(shè)計提供參考依據(jù)。

2 算例分析

為簡便起見，計算時假定土釘墻符合朗肯條件，土壓力按照朗肯主動土壓力計算。

根據(jù)規(guī)范[1]，抗滑穩(wěn)定性按下面公式驗算：

(1)

式中：G1、G2為每延米土釘墻的重力(見圖5)；

G3為加固土體(重力式擋墻)頂部荷載，G3=q1b2；

μ為土對墻底的摩擦系數(shù)，由試驗測定或查表；

Ea為土釘墻所受主動土壓力。

圖5 重力式擋墻驗算簡圖

抗傾覆穩(wěn)定性按下面公式驗算：

(2)

式中：a1、a2、a3分別為G1、G2、G3至墻趾的水平距離；

ha為Ea至墻趾的豎向距離。

由于地基承載力涉及參數(shù)較多，本文不討論地基承載力的驗算。

首先對規(guī)范[1]規(guī)定的抗滑穩(wěn)定性驗算予以討論。土釘墻形成的重力式擋墻，滑動時是土體之間的滑動，規(guī)范[1]規(guī)定的抗滑力的計算方法是不合適的。本文推薦了以抗剪強度為基礎(chǔ)的抗滑力計算方法，即：

T=c(b1+b2)+(0.5γmHb1+q1b2+γmHb2)tanφ

(3)

本文抗滑安全系數(shù)計算中抗滑力取T，安全系數(shù)暫取1.3。

按照以上方法對下面兩個有代表性的算例進行分析，下面的算例，均滿足現(xiàn)行規(guī)程[2]的規(guī)定(安全等級按二級考慮)，并且在經(jīng)濟合理的范圍內(nèi)。

2.1 算例1：土的抗剪強度較低、坑深較小的情況

基坑深度：6.0m；開挖坡度：1∶0.5；坡頂超載q=20kPa；土釘傾角10°，孔徑130mm；4道土釘，從上至下長度分別為9m、9m、11m、11m；鋼筋HRB400直徑20mm；土釘水平間距1.0m；豎向間距1.4m；土層c=10kPa，φ=15°，γ=18kN/m3；極限摩阻力60kPa。

根據(jù)規(guī)程[2]計算，該土釘墻最后一道工況整體滑動安全系數(shù)為1.34，滿足要求，其他各項也滿足要求，具體數(shù)據(jù)略。

對該土釘墻進行外部穩(wěn)定驗算，重力式擋墻指標如下：

H=6m；b1=3m；b2=6m；q1=q2=20kPa

計算結(jié)果如下：

Ea=169.8kN/m；ha=1.89m；

G1=162kN/m；a1=2m；

G2=648kN/m；a2=6m；

G3=120kN/m；a3=6m；

利用公式(3)算得抗滑力T=339kN/m。

抗滑安全系數(shù)Ks=2.0>1.3滿足要求。

抗傾覆安全系數(shù)Kt=13.7>1.6滿足要求。

土釘超載20kPa為常規(guī)的考慮荷載，工程中在距離坑邊較遠處，常有比較大的荷載，比如堆放材料、車輛等，因此討論如果將q2由20kPa提高到40kPa的情況，經(jīng)計算，結(jié)果如下：

抗滑安全系數(shù)Ks=1.4>1.3滿足要求。

抗傾覆安全系數(shù)Kt=8.3>1.6滿足要求。

算例1小結(jié)：在土的抗剪強度較低、坑深較小的情況下，土釘墻外部穩(wěn)定容易滿足要求，且即使增大q2后安全系數(shù)雖然減小，但仍然可能滿足要求。

2.2 算例2：土的抗剪強度較高、坑深較大的情況

基坑深度：9.0m；開挖坡度：1∶0.2；坡頂超載q=20kPa；土釘傾角10°，孔徑130mm；6道土釘，長度均為4.5m；鋼筋HRB400直徑20mm；土釘水平間距1.0m；豎向間距1.4m；土層c=20kPa，φ=28°，γ=18kN/m3；極限摩阻力60kPa。

根據(jù)規(guī)程[2]計算，該土釘墻最后一道工況整體滑動安全系數(shù)為1.32，滿足要求，其他各項也滿足要求，具體數(shù)據(jù)略。

對該土釘墻進行外部穩(wěn)定驗算，重力式擋墻指標如下：

H=9m；b1=1.8m；b2=2.7m；q1=q2=20kPa

計算結(jié)果如下：

Ea=490kN/m；ha=2.80m；

G1=145.8kN/m；a1=1.2m；

G2=437.4kN/m；a2=3.15m；

G3=54kN/m；a3=3.15m；

利用公式(3)算得抗滑力T=429kN/m。

抗滑安全系數(shù)Ks=0.88<1.3不滿足要求。

抗傾覆安全系數(shù)Kt=1.26<1.6不滿足要求。

算例2小結(jié)：土的抗剪強度較高、坑深較大的情況下，土釘墻外部穩(wěn)定不容易滿足要求。

從以上兩個算例可以看出，算例1在常規(guī)荷載的情況下外部穩(wěn)定滿足要求，增加遠處荷載后仍然滿足，但安全系數(shù)明顯減小。算例2在常規(guī)荷載下抗滑及抗傾覆均不滿足要求，不難理解還有一種中間情況，即常規(guī)荷載下滿足，增加遠處荷載后不滿足要求，限于篇幅，不再列舉這類算例。

3 結(jié)論

當土的抗剪強度較低、基坑較淺時，按現(xiàn)行規(guī)程[2]設(shè)計的土釘墻，等效重力式擋墻寬度較大，高度較小，外部穩(wěn)定一般能滿足要求。當土的抗剪強度較高，基坑較深時，等效重力式擋墻的寬度較小，高度較大，外部穩(wěn)定不容易滿足要求，這時不驗算外部穩(wěn)定是有安全隱患的。對于一個具體的工程設(shè)計，事先很難判斷是否驗算的標準，因此，筆者認為，對于土釘墻，有必要驗算其外部穩(wěn)定。

由于土釘墻形成的重力式擋墻，滑動時是土之間的剪切破壞，因此本文提出的基于抗剪強度的抗滑力計算方法，理論上更加合理。采用這一方法時，應(yīng)對抗滑安全系數(shù)的合理取值進行探討。