土釘墻在深基坑工程中的應用

摘 要：土釘支護是以土釘作為主要受力構件的邊坡支護技術，它由集的土釘群、被加固的原位土體、噴混凝土面層和必要的防水系統組成。土釘支護的工作機理：土釘在高壓注漿過程中，將邊坡土體有效加固。土釘支護現在主要應用于建工部門的深基坑開挖中，但在公路、鐵路等其他部門同樣有著寬廣的應用前景。除了作為臨時性支護使用外，土釘支護也可以作為一種性能可靠的永久性擋土結構。

關鍵詞：土釘加固；土釘墻；噴射混凝土；土釘墻設計

一 土釘的發展概況

土釘支護技術的發展始于十九世紀七十年代。從歷史上看，最早應用這種技術的重大工程實例可上溯到一百多年前英國建設的世界上第一條水下隧道，即泰晤土河隧道的施工開挖。那時所用的土釘是4英寸寬、1/2英寸厚、8英尺長的扁鐵，面層擋板則為3英寸厚的木板，土釘從木板之間的縫隙中擊入土中，端部用楔塊固定。現代土釘支護技術從二十世紀七十年代出現，1972年法國著名的承包商Bouygues在法國凡爾賽附近為拓寬一處鐵道路基的邊坡開挖工程中，采用了噴混凝土面層并在土體中置入鋼筋作為臨時支護。在我國，于1980年用于山西柳灣煤礦的邊坡工程。現在，除了不良土層如軟土和降水困難的地區外，只要存在設置土釘的地下空間，土釘支護往往是基坑開挖中的首選方案。

二 土釘受力機理

（１）土釘支護的組成

除土體外，土釘支護通常有三部分組成，即土釘、面層和防水系統。臨時性土釘支護的面層通常用50～80㎜厚的網噴混凝土做成，一般用一層鋼筋網，鋼筋直徑為Φ6～Φ8，網格為正方形，邊長200～300㎜。對于永久性土釘支護，面層噴混凝土的厚度至少取150～250㎜，設兩層鋼筋網，分兩次噴成。為了改善建筑外觀，也可在第一次網噴混凝土的基礎上，現澆一層鋼筋混凝土板。

土釘支護的基本工作特點

國外迄今已對土釘支護作了不少大型量測試驗，其中也有專門為試驗而修建的工程，國內也進行過一些現場測試。從這些量測結果得到土釘支護在一般土體自重作用下的基本工作特點有：１）隨著往下開挖，支護不斷向外位移。在勻質土中，支護面的位移沿高度大體呈線性變化，類似繞趾部向外轉動，最大水平位移發生在頂部。２）土釘置入現場土體后，如果土體不變形，土釘就不會受力。隨著往下開挖、地表加載、或土體徐變而發生土體變形，于是通過土體與土釘之間的界面粘結力使土釘參與工作并主要受拉。３）土釘的拉力沿其長度變化，最大拉力部位隨著向下開挖從開始時靠近面層的端部逐漸向里位移，一般發生在土體的可能失穩破壞面上。４）當破壞面穿過土釘加固的土體，后者被分割成失穩區和穩定區兩個部分，前者向外運動，與土釘之間的界面剪力或粘結力的方向向里，使土釘的拉力從端部逐漸增加并在可能的破壞面上達到峰值。而在被動區內，土體與土釘之間的界面剪力方向向外。土體破壞面上的土釘或者受拉屈服，或者被拔出。５）不同深度位置上的土釘，其受到的最大拉力有很大差別，頂部和底部的土釘受力較小，靠近中間部位的土釘受力較大。６）支護噴混凝土面層背后的側向土壓力，其沿高度分布也為中間大、上下小，接近梯形而不是三角形，壓力的合力值要比擋土墻理論給出的計算值（朗肯主動土壓力）低得多。７）支護的最大水平位移一般不大于坑深或支護高度H的3‰。

（３）土釘的受力機理

土釘的受力機理：當土方開挖后土體要產生側向位移，土釘的長度一般都超過了自然土體滑移面以外，當邊坡沿滑移面滑動時，穩定土體內的土釘相當于錨桿開始受力，并阻止邊坡的滑動，起縫合作用。其工作機理也可用整體作用理論來解釋：即土釘在高壓注漿過程中，將邊坡土體有效加固，由于注漿時一般壓力都控制在0.5MPa左右，漿液在壓力作用下，沿土體裂隙及毛細孔擴散，不僅使土體得到加固，改變了原有受力性能，而且由于鋼筋（或鋼管）的加筋作用，可以視為在加筋范圍內為一重力式擋土墻。荷載在土釘內的傳遞，首先是通過土釘與土的相互摩擦作用其次是通過面層與土之間的土-結構相互作用。滑移面把土體分成兩個獨立的區域：①靠近面層的“活動區”。此處，土體在鋼筋上施加的剪應力方向外并趨向于把鋼筋從土層中拔出。②“抵抗區”。此處，剪應力向內并傾向于阻止將鋼筋拔出。

土釘具有把活動區和抵抗區連結起來的作用，否則，該活動區相對于抵抗區向外和向下移動會引起破壞。為了達到穩定性，土釘抗拉強度必須足夠大，以便產生支護力以穩定活動塊體。還必須把土釘埋入抵抗區內有足夠的長度以防止拉拔破壞。另外，土釘頭強度（由面層強度或搭連系統所決定的）與開挖面和滑移面之間土釘長度的抗拔阻力的聯合效應必須足夠大，以便在滑移面（活動區與抵抗區之間的界面）上能產生所需的土釘拉力。

（４）土釘的穩定性破壞分析

土釘的破壞形態分為三種，面層破壞、拔拉破壞、釘筋破壞。

三 總結

土釘墻支護作為基坑支護的一種新型工法，由于其造價遠遠低于其它支護方式，近幾年來應用發展很快。但由于過去沒有相應的設計施工規范，因設計及施工失誤造成的工程事故很多，教訓也很深刻。

1）要對場地條件要做一個全面細致的勘察和認識。2）地基承載力對土釘墻法的限制。3）土方施工組織對土釘墻施工的影響。4）關于土釘設計長度及密度的問題。5）支護施工中的變形監控測量。監控的目的是保證坑壁的沉降速率必須控制在一個范圍值內，并且要逐漸穩定。土釘支護現在主要用在建工部門的深基坑開挖中，但在公路和鐵路等其它部門同樣有著寬廣的應用前景。

參考文獻

[1] 朱彥鵬 鄒銀生 《特種結構》（第3版） 武漢：武漢理工大學出版社，2008.4

[2] 劉建航 侯學淵 《基坑工程手冊》 北京：中國建筑工業出版社，2005.12

[3] 陳希哲 《土力學與地基基礎》（第4版） 北京：清華大學出版社，2010.9

[4] 黃 強 《深基坑支護工程設計技術》 北京：中國建材工業出版社，1995.5