對土釘支護與土釘墻的探討

閆國奇

（安陽市建筑設計研究院，河南 安陽 455000）

對土釘支護與土釘墻的探討

閆國奇

（安陽市建筑設計研究院，河南 安陽 455000）

本文通過對土釘支護和土釘墻兩個概念的分析及土釘與錨桿設計計算方法的對比后認為，土釘這種基坑支護形式從概念上應統一為土釘支護，要重視土釘的錨固作用，土釘墻可作為土釘支護中的一種設計方法。這種概念上的統一，可以大大拓展土釘這種支護形式的使用空間，為建筑基坑支護節約投資和工期。

土釘；土釘支護；土釘墻；錨桿；錨固作用

1 引言

用于建筑基坑支護的現代土釘技術是從20世紀70年代開始出現的，我國則是在20世紀80年代開始使用，并在近年來得到廣泛應用[1]。

土釘是指植入土中并注漿形成的承受拉力與剪力的桿件[2]。一般是通過鉆孔、插筋、注漿來設置，但也可通過直接打入較粗的鋼筋或型鋼形成土釘。土釘沿通長與周圍土體接觸，依靠接觸界面上的黏結摩阻力，在土體變形的條件下被動受力，并主要通過其受拉工作對土體進行加固和錨固，而土釘之間變形則通過面板（通常為配筋噴射混凝土）予以約束，要求被加固土體具有一定的自穩能力。試驗表明：用土釘支護的直立基坑側壁在坑頂的承載能力約比素土坑壁提高一倍以上，在受荷載過程中不會發生像素土坑壁那樣突發性的滑塌（見圖1）[1]。

圖 1 素土坑壁與土盯支護的坑壁的破壞形態[1]

我省地處中原，很少遇到淤泥、淤泥質土等軟土，在建筑基坑支護中，土釘是一種應用最廣泛的支護形式。

2 兩個概念

在現行的各種基坑支護規范中，對于土釘這種支護形式存在土釘支護和土釘墻兩個不同的概念，其定義為：

土釘支護—由混凝土面板和土釘組成的支護結構。側向土壓力通過面板和土釘傳遞至基坑外圍的穩定巖土體，依靠外圍穩定的巖土體保持邊坡穩定并限制其變形的支護形式[3]。

土釘墻—由隨基坑開挖分層設置的、縱橫向密布的土釘群、噴射混凝土面層及原位土體組成的支護結構[2]。

筆者認為，雖然上述兩個概念都是以土釘作為加固和錨固構件，但在設計理念上是有所不同的。土釘墻引入的是重力式擋土墻的設計理念，把土釘加固后的土體作為一個整體，按重力式擋土墻進行設計，把土釘作為一種土體加筋，要求土釘密而短，土釘長度一般為基坑深度的0.6～1.2倍[4]，單一土釘墻用于加固的基坑深度不能太深，一般不超過12m[2]；土釘支護按錨桿的設計理念，在考慮土釘對原位土體的加固作用的同時，更重視土釘在穩定巖土體中的錨固作用，在施工技術允許的條件下盡量把土釘做得長一些，適用的基坑深度可以更大（如文獻[4]規定：采用以鋼筋作為中心釘體的鉆孔注漿型土釘，基坑的深度不宜超過21m）。

從作用機理上，土釘與錨桿沒有本質區別，所不同的是為控制變形錨桿都要施加很大的預應力（文獻[2]規定錨桿鎖定值宜取錨桿軸向拉力標準值的0.75～0.9倍）。為了使預應力明確施加于穩定巖土體中，在理論滑動面以內需設置自由段，自由段一般不注漿。此外，錨桿一般與擋土構件（如排樁、地下連續墻等）聯合使用。土釘為全長注漿，一般不施加或施加很小的預應力，且單獨使用的較為普遍。

3 土釘與錨桿的設計計算方法對比

按照文獻[2]的設計計算方法，土釘與錨桿的承載力和穩定性的設計驗算過程沒有本質的區別。

3.1 土釘與錨桿的抗拔和抗拉承載力驗算

3.1.1 土釘抗拔與抗拉承載力驗算

土釘的抗拔承載力按式（1）計算。

式中：Kt—土釘抗拔安全系數；

Nk，j—第j層土釘的軸向拉力標準值（kN）；

Rk，j—第j層土釘的極限抗拔承載力標準值（kN），一般按下式計算：

dj—第j層土釘的錨固體直徑（m）；

qsik—第j層土釘在第i層土的極限黏結強度標準值（kPa）；

li—第j層土釘在滑動面外第i土層中的長度（m）。計算單根土釘極限抗拔承載力時，取圖2所示的直線滑動面。

圖 2 土釘抗拔承載力計算圖示

土釘桿體的受拉承載力按式（3）計算。

式中：Nj—第j層土釘的軸向拉力設計值（kN）；fy—土釘桿體的抗拉強度設計值（kPa）；

圖 3 錨桿抗拔承載力計算圖示

As—土釘桿體的截面面積（m2）。

錨桿抗拔與抗拉承載力驗算

3.1.2 錨桿的極限抗拔承載力按式（4）計算。

式中：Kt—錨桿抗拔安全系數；

Nk—錨桿軸向拉力標準值（kN）；

Rk—錨桿極限抗拔承載力標準值（kN），按下式計算：

d—錨桿的錨固體直徑（m）；

li—錨桿的錨固段在第i土層中的長度（m）；錨固段長度（la）為錨桿在理論直線滑動面以外的長度（圖3）；

qsik—錨固體與第i土層之間的極限黏結強度標準值（kPa）；

（2）錨桿桿體的受拉承載力按式（6）計算。

式中：N—錨桿軸向拉力設計值（kN）；

fpy—預應力鋼筋抗拉強度設計值（kPa）；

Ap—預應力鋼筋的截面面積（m2）。

從以上比較可以看出，土釘與錨桿的承載力計算大同小異。

3.2 土釘支護穩定驗算

土釘支護整體穩定性驗算與素土坑壁一樣可按圓弧滑動面采用普通條分法（圖4），所不同的是在破壞面上需要計入土釘的作用。

3.2.1 采用圓弧滑動條分法時，其整體穩定性式（7）和式（8）計算：

式中：Ks—圓弧滑動整體穩定安全系數；

Ks，i—第i個滑動圓弧的抗滑力矩與滑動力矩的比值。通過搜索不同圓心及半徑的所有潛在滑動圓弧確定；

圖 4 土盯支護整體穩定性驗算

bj—第j土條的寬度（m）；

qj—作用在第j土條上的附加分布荷載標準值（kPa）；

ΔGj—第j土條的自重（kN），按天然重度計算；

θj—第j土條滑弧面中點處的法線與垂直面的夾角（°）；

R′k，k—第k層土釘對圓弧滑動體的極限拉力值（kN）。取土釘在滑動面以外的錨固體極限抗拔承載力標準值與桿體受拉承載力標準值的較小值，取圓弧滑動面以外的長度；

αk—第k層土釘的傾角（°）；

θk—滑弧面在第k層土釘處的法線與垂直面的夾角（°）；

sx，k—第k層土釘的水平間距（m）；

ψv—計算系數。

以上的整體穩定性計算方法與錨拉式支護結構整體穩定性計算方法也是類似的（圖5）。

圖 5 錨桿支護圓弧滑動條分法整體穩定性驗算

3.2.2 按土釘墻設計時的墻體穩定性驗算

土釘墻墻體穩定性驗算參照重力式擋墻的方法，分別計算簡化土墻的抗滑穩定性、抗傾覆穩定性和墻底部土的承載能力，如圖6所示[4]。

圖 6 土盯墻墻體穩定性分析[4]

該簡化土墻模型認為，當土釘達到一定密度時所形成的復合體會出現類似錨定板群錨現象中的破裂面后移現象，在土釘加固范圍內形成一個“土墻”，在內部自身穩定得到保證的情況下，它的作用類似重力式擋墻，因此，用重力式擋墻的穩定性分析方法對土釘墻進行分析。

實際土釘支護設計中，很多情況下各皮土釘設計長度差別比較大，簡化為土墻時墻的厚度和傾角都不容易確定（見圖7）。且在實際工程中，由于現在土釘設計的都比較長，很少見到土釘支護結構作為一個整體失穩破壞的情況。因此，我們認為土釘支護作為重力式擋墻進行穩定性驗算的意義不大。在各種基坑支護規范中，有些有這方面的要求（如文獻[4]），多數則沒有。

3.3 工程實例

圖7是一個簡單的基坑工程設計實例。從圖中可以看出，土釘長度沿深度分布還是比較合理的，土釘最小長度5.0m，最大13.0m，這樣的土釘長度沿深度分布很難簡化成“擋土墻”。表1的土釘抗拔、抗拉承載力驗算和表2的整體穩定性驗算都與重力式擋墻沒有關系。

圖 7 土釘支護計算簡圖

圖 8 土釘與面層的螺桿、螺母加墊板連接方式

表 1 土釘抗拔、抗拉承載力驗算結果

安陽市某基坑，深度13.8m，采用單一土釘支護，使用期限超過三年。使用過程中除因對雨水和地下水處理不當，坡腳處因積水的浸泡發生過局部坍塌外，沒有坑壁整體失穩現象的發生。

表 2 土釘支護整體穩定驗算結果

在以往的土釘支護基坑事故中，很少見到因土釘的拔出而失穩的，大部分事故是土釘與面層拉脫造成的。因此，對于用于較深基坑的土釘支護結構，要加強土釘與面層連接節點的設計和施工，必要時采用螺桿、螺母加墊板的連接方式（見圖8），并用扳手擰緊螺母，使土釘產生一定的預應力。

4 結語

通過以上分析可以看出，土釘墻與土釘支護在設計理念上是不同的。前者是按重力式擋墻設計，土釘密而短，由于受到重力式擋墻的抗傾覆、抗滑移和整體穩定性的限制，墻的高度不可能過大，因此，適合的基坑支護深度一般不大；后者按錨桿的設計理念進行設計，重視土釘的錨固作用，在施工技術許可的條件下，盡量把土釘設計得長一些，基坑穩定性驗算時只驗算整體穩定性即可，不進行抗傾覆和抗滑移驗算。在周圍環境對基坑變形要求不嚴的條件下，可適用于較深的基坑。

綜上所述，建議從概念上都叫土釘支護，土釘墻可作為土釘支護的一種設計方法。對于較淺的基坑，可設計成短而密的土釘，按重力式擋墻進行設計，以方便于施工；對于較深的基坑，設計成較長的土釘，充分發揮土釘在穩定巖土體中的錨固作用，以保證基坑的整體穩定性。這種概念上的統一，可以大大拓展土釘這種支護形式的使用空間，為建筑基坑支護節約投資和工期。

[1]龔曉南.基礎工程[M].北京：中國建筑工業出版社，2008.

[2]中華人民共和國行業標準.建筑基坑支護技術規程[S].（JGJ120-2012）.

[3]湖北省地方標準.基坑工程技術規程[S]（DB42/T159-2012）.

[4]中華人民共和國國家軍用標準.土釘支護技術規范[S].（GJB5055-2006）.

TU476

A

1671-0037（2014）09-84-3

閆國奇（1957.12-），男，高級工程師，注冊巖土工程師，研究方向：巖土工程勘察、設計、檢測和基礎工程教學。