動態施工條件下土釘內力計算方法研究

張俊杰 劉 澤

(黑龍江科技大學建筑工程學院，黑龍江哈爾濱 150000)

在基礎建設中，基坑工程除需要保證自身及施工安全，還要保證周邊相鄰建筑物、構筑物以及一些其他地下設施的安全［1，2］。在基坑支護技術中，土釘支護技術使用較為方便，結構相對簡單，造價更加經濟合理，因此得到了廣泛應用［3，4］。但目前對于土釘支護中土釘內力的計算方法尚不夠完善。因此有必要結合現場實測數據對土釘內力計算方法進行討論。本文以開挖唐山金盛地下廣場深基坑工程為例，在現有設計理論的基礎上進行分析研究，同時結合工程實際深入的研究了動態施工條件下更加可行的增量法［5］。唐山金盛地下廣場，經論證采用土釘支護方式，基坑垂直開挖深度為7．2 m，土體為均勻土體，主要參數為內聚力5 kPa，內摩擦角為36°，土體重度20 kN/m3。分4步開挖，每步的開挖深度為1．8 m。設置4排鉆孔灌漿釘，每排豎向間隔1．8 m，鉆孔灌漿釘直徑為100 mm。

1 建筑基坑支護技術規程

根據JGJ 120-2012建筑基坑支護技術規程方法，土釘內力計算結果:

每根土釘所受拉應力為:

其中，Nk，j為第 j層土釘的軸向拉力標準值;αj為第 j層土釘的傾角;ζ為墻面傾斜時的主動土壓力折減系數;ηj為第j層土釘軸向拉力調整系數;Pak，j為第j層土釘處的主動土壓力強度標準值;Sxj為土釘的水平間距;Szj為土釘的垂直間距。

其中，ζ為主動土壓力折減系數;β為土釘墻坡面與水平面的夾角;φm為基坑底面以上各土層按土層厚度加權的內摩擦角平均值［6］。

計算結果與實測結果相比較，表明根據此方法得出的土釘力與實測結果并不一致。

2 基坑土釘支護技術規程

根據CECS 96∶97基坑土釘支護技術規程方法，土釘內力計算結果:

單根土釘受拉荷載極限值N為:

其中，P為土釘中點所處位置所受土體側壓力;SV為土釘間水平距離;Sh為土釘間豎向距離;θ為土釘傾角;Pm為土釘中點所處位置上土體自重引起的側壓力;Pq為上覆均布荷載q引起的側壓力［7］，對砂土和粉土而言，其值通常不大于0．05。

其中，Ka為主動土壓力系數;γ為土的重度;H為基坑深度。

如果按通常的把作用在土釘上的側壓力按土釘所處位置的上下1/2面積分布進行計算，土釘傾角15°，則有每層土釘受力分別為 N1，N2，N3，N4，填入表1。由于該計算模式是針對均質土，垂直開挖邊坡而言，所以經驗簡化計算模式難以考慮不同土工問題的土壓力分布規律，存在一定的局限性。

3 基于動態施工的增量法

該方法是根據實際基坑開挖中土釘施工及受力過程而提出。在開挖第1層土時(臨界深度h0)，如圖1a)所示，由于土體本身具有內聚力，垂直邊坡不產生側向土壓力。開挖第一層并施工土釘1，若不考慮土體滯后變形，則土釘1上不承受側向土壓力。順序開挖第2層，如圖1b)所示，由于土體開挖深度超過臨界深度h0，土體將產生不平衡的側向土壓力增量ΔP1，由土釘1來承擔。在第2層土開挖結束后，施工第2層土釘，若不考慮土體的滯后變形，則土釘2此時不承擔任何土壓力。繼續開挖第3層，如圖1c)所示，由第3層土體開挖產生的不平衡側向土壓力ΔP2，將由1，2土釘共同承擔，開挖結束施工土釘3;第4層土開挖，如圖1d)所示，由第4層土開挖產生的不平衡側向土壓力ΔP3將由土釘1，2，3共同承擔，假如在第4層施工結束，不再繼續往下開挖，則由于土釘4是在土體變形完成后再加上去的，理論上土釘4是不受力的，在理論上土釘4是可以不施工的。

圖1 增量法簡化計算

由以上分析可知，土釘支護在實際施工過程中，土釘是通過施工完畢后，整體承擔由于開挖造成的側向土壓力增量來維護邊坡的穩定。根據土壓力計算原理，及本文討論的計算方法，易得N1，N2，N3，N4并填入表1。將按照規范計算結果、動態增量法計算結果與現場檢測結果相比較，見圖2。

表1 土釘內力計算值 kN

圖2 土釘內力計算對比

可以發現，按照規程計算方法所得結果與實測值有很大偏差，在基坑支護上半部分，土釘所受拉力遠大于規范計算結果，而在基坑支護下半部分，土釘所受拉力逐漸減小，與規范計算結果正好相反;而根據動態增量法計算所得結果，與實測值變化趨勢基本一致，即土釘所受拉應力在基坑中部最大，沿基坑上部和下部方向逐漸減小。說明在實際工程中，動態增量法計算結果比規范法計算結果更符合實際。

4 結語

本文基于唐山地下廣場深基坑工程，著重對土釘內力的幾種計算方法進行了總結分析，并用實測數據進行了驗證，為類似工程設計提供了參考。得出以下結論:基于規程方法計算所得土釘內力與實測值相差很大，而基于動態施工過程的增量內力簡化計算方法，較為合理地考慮了基坑施工過程對土釘內力的影響，與實際測量趨勢保持一致，但計算值與實測存在一定誤差，需要進一步優化計算。

［1］王旭軍．上海中心大廈裙房深大基坑工程圍護墻變形分析［J］．巖石力學與工程學報，2012，36(2):421-431．

［2］龔曉南．關于基坑工程的幾點思考［J］．土木工程學報，2005(9):99-102，108．

［3］胡煥校，魏 濤．土釘與樁錨復合支護方案在邊坡工程中的應用［J］．山西建筑，2010，36(1):107-108．

［4］田英杰．淺談深基坑土釘支護技術［J］．山西建筑，2010，36(2):123-124．

［5］楊光華．土釘支護技術的應用與研究進展［J］．巖土工程學報，2010(S1):9-16．

［6］JGJ 120-2012，建筑基坑支護技術規程［S］．

［7］CECS 96∶97，基坑土釘支護技術規程［S］．