土釘墻技術與微型樁聯合土釘墻支護機理探析

鐘炎，傅勤安

(安徽建筑大學土木工程學院，安徽 合肥 230022）

1 概 述

土釘墻技術是基坑工程常用的支護類型，合肥地區土質較好適合用土釘支護，土釘技術因快速、簡單、經濟等優點而得到青瞇。該支護先用小型鉆機開鑿與坑壁接近垂直的深孔，然后向孔內放入帶有支撐架的鋼筋體，再向孔內高壓灌入水泥砂漿包裹住筋體滲入周圍土體孔隙中，在坡面鋪上鋼筋網，鋼筋網與土釘接觸處通過焊接或螺栓聯接緊密形成整體，最后在坡面噴射80mm以上厚度的混凝土面層。土釘的類型有擊入式、注漿擊入式、高壓噴射注漿土釘、鉆孔注漿釘等。釘體可以是螺紋鋼筋，較軟的土層可以擊入帶孔的角鋼、圓鋼、剛管等。

1990年美國召開國際擋土學術會議正式將土釘墻作為獨立專題并列于土層錨桿，成為獨立的一門加固技術。隨著科技進步，相應工程軟件也在開發中，進入21世紀后人們普遍采用工程軟件計算和模擬預測，許多基坑工程軟件開發了出來并且在原來基礎上改進，例如Ansys、Flac、plaxis、理正深基坑、同濟啟明星軟件等等。土釘墻技術由理論、試驗、加之計算機輔助軟件的輔助，其具有廣闊的應用空間。

2 土釘墻的工作機理及特點

土體的抗剪、抗拉強度很低，但是土體具有一定的整體穩定性，基坑開挖在一定范圍內土體能保持自立能力，當超過臨界高度或地面超載時會發生破壞。土釘具有較高的抗拉抗剪強度，較大的彈性模量，在土體內埋設密集的土釘，土釘與土體全長緊密結合共同工作形成復合土體。由于土體和土釘形成復合土體共同受力，釘-土的相互作用使得土體受力性質發生改變，被土釘加固的土體類似重力式擋土墻承受土體側向壓力，限制土體位移提高土體的剛度，彌補了土體抵抗荷載自身剛度、抗剪強度的不足，顯著增強了基坑邊坡整體穩定性。

土釘墻不是靠自身結構抵擋土壓力，土釘與周圍土體緊密結合形成復合加固土體。在圖示邊坡上取一小塊微元體，該微元體受到重力作用，重力沿坡面分解為滑動力，沿垂直坡面分解為正壓力,正壓力乘內摩擦角正切值等于摩擦力,摩擦力加上粘聚力就是抗滑力。當作用于土體的摩擦力和粘聚力產生的抗滑力小于重力作用下的滑動力后土體沿著坡面滑移。

當土體進入塑性狀態后，向周圍傳遞應力使塑性變形區域擴大，滑裂面進一步擴大為假想的圓弧形。滑動區內的土體，在重力作用下產生繞圓心的力矩發生轉動，當土體的粘聚力產生的抗滑力矩和摩擦力產生的抗滑力小于重力力矩時，力矩不平衡造成土體下滑發生整體性破壞。在即將產生滑動面土體中插入土釘,則滑動面附近的土體抗剪強度得到了提高,摩爾庫倫包絡線向上平移使原本與摩爾應力圓相交變為遠離不相交,土體從臨界破壞狀態轉為彈性狀態,延緩了土體塑性變形區進一步擴大,阻止土體繼續開裂,使土體潛在的滑動面向邊坡深層緩慢發展。

3 土釘的作用

①土釘提供拉力Tk增強了土體的抗剪強度，土釘提供的拉力在沿滑動面法線方向上增加了正壓力,正壓力與土體內摩擦角正切值相乘便是抗滑動力，因此拉力增大了土體抗剪強度。

②土釘的剪力Fs對土體抗剪強度起到補強作用，土釘的抗彎抗剪強度較高，土釘剪力分量一方面會沿滑動面切向上增加抗滑動力，一方面向其法線方向分量減小土體沿滑動面正壓力，綜合考慮土釘的剪力對抗剪強度起到補強作用的，土釘埋設方向越是靠近沿滑動面外法線方向，抗剪強度就越大。如圖2所示在滑動面兩側分布著土體剪切力使土釘受彎，土釘靠自身剛度產生反力矩M。

③土釘與土的相互作用：在同樣的素土邊坡坡頂施加荷載土體很快發滑裂、塌落。在素土上施加土釘后發現土釘的邊坡承載力明顯提高，說明加入土釘后的邊坡整體抗剪強度和剛度得到提高。

④土釘水泥漿固化土體：通過高壓注漿會讓土釘中的水泥漿液充填周圍土體縫隙中，注入土體中的水泥礦物和水發生的水化反應生成含鈣離子與黏土顆粒表面的鈉、鉀離子交換作用形成團粒結構使土體強度提高。

⑤釘間土體成拱效應：在一定水平間距的兩土體在側壓力作用下會發生變形趨勢，當土質條件較好時土體會把受到的側壓力傳遞給兩邊的土釘體，釘土間的相互作用會發生“土拱效應”，“土拱效應”影響因素主要包括土質、土的剛度、土釘間的間距。

4 土釘墻技術的局限性

土釘墻的優點很多：安全可靠，施工工藝簡單，縮短工期、經濟效益好等，但是土釘墻技術也具有一定的局限性，具體表現為如下幾點。

①土釘位置必須避開周圍建筑基礎、地下管道限制。場地周圍建筑和地下管網密集地區，土釘桿體容易超出紅線范圍對周邊地基會產生干擾。

②結構剛度越大就越不容易變形，土釘墻的剛度比其他支護結構差且變形較難控制，深基坑中為控制變形可以增加土釘長度、密度，但是克服不了土釘蠕變、漸進性變形，并且造價會提高。

③在地下水位高的場地采用排水措施不可避免的會造成水土流失，可能引發建筑物下沉。若使用止水帷幕加以輔助也并不能完全隔水，止水帷幕起到減小地下水滲流速度、阻止地下水自由滲流、改變線流軌跡等作用，但是不能完全隔水。在高水位地區采取降水措施會導致周邊地基沉降，因而限制了單一土釘墻發展。

④土釘墻隨基坑開挖分層分段施工，每開挖一層坡面后在土釘墻未施工好前，坑壁土體需保持一定自立能力，因而土釘主要適用于地下水位低于開挖層或經過降水處理使地下水位低于開挖面處的情況，對于無粘結性的砂土和雜填土以及沒有臨時自穩能力的淤泥土層不宜適用。

5 微型樁復合土釘墻技術的加固機理

5.1 新型土釘墻復合支護類型

土釘墻屬于柔性支護，其控制基坑變形能力不強。合肥地區雖然土質較好但是單一用土釘墻深度不應超過12m。再者土釘沒有止水功能，地下水位較高或地表滲水量較大時不宜用土釘支護。土釘含水量增加使土體內摩擦角減小、抗剪強度減弱，而且地下水的存在使土釘成孔困難。為了滿足工程需要出現了復合土釘支護，常見復合土釘墻有3種形式：一是攪拌樁復合土釘墻；二是預應力錨桿復合土釘墻；三是微型樁復合土釘墻。

5.2 微型樁復合土釘墻技術

合肥地區地下水位較低，加之土質較好一般不需要做止水帷幕輔助措施。在深基坑工程中常用到微型樁復合土釘墻支護，這種方法是在基坑開挖前沿開挖線按一定間距布置垂直打入鋼管，向鋼管內注漿形成微型樁，基坑開挖時按設計要求挖土方并與土釘配合流水施工，分層分段開挖與土釘支護，微型樁在基坑開挖過程中起到抵擋邊坡土體變形與分擔部分土壓力，對土體保持自穩能力起到關鍵作用。

微型樁復合土釘墻加固機理有兩部分：一是土釘墻加固作用，二是微型樁對土釘對土體的加固作用。微型樁作為聯合支護體系中主要受力構件之一，不同情況下微型樁可能受剪、受壓、受拉作用。微型樁作用機理可以分以下探討。

①改善邊坡初始土應力場：微型樁與土體材料強度上差異，對周圍土體強度起到增強作用，約束土體的變形。由于微型樁是在土釘墻施工前置入的，對土釘在放置前裸坡位移變化增強土體自立性，對施工有利。

②保證基坑變形量控制在安全范圍：土釘墻允許土體產生一定的變形，微型樁包裹在土體中開挖過程中有效減小變形，特別是在深基坑工程中對邊坡不會產生大的位移，而且由于土體應力釋放邊坡產生水平側向土壓力，微型樁抵擋住一部分土壓力使邊坡變形不至于過大。

③微型樁土拱效應：基坑開挖過程中基坑會產生側向位移，相鄰微型樁間土體有向外排出的趨勢，但樁與土體間存在摩阻力導致產生土拱效應。樁間土體擠壓周圍土體，周圍土體形成水平方向主應力作用于樁間土，地基土側壓力傳遞給樁，從而樁承擔了很大部分受力，保證了樁間土體的穩定，其大小受樁間距、土質等因素影響。

④微型樁可以提高坑底穩定性：微型樁有效提高開挖中土體保持自立能力，當基坑底部存在較軟的土層時，往往需要解決坑底承載力及抗隆起穩定問題。秦會來、周同和等人在對微型樁復合土釘墻坑底穩定性分析時用有限元分析軟件plaxis建立三維有限元模型：樁徑200mm嵌固深度分別為1m、6m；樁徑600mm嵌固深度1m、6m模型軟件模擬試驗。分析結果顯示微型樁嵌固于下層較好土層中通過樁間摩擦力能有效控制樁水平滑移，嵌固深度深度越深樁體剛度增大，有效阻止軟弱土層向坑底滑動隆起；其次樁徑的增大也提高了樁體的剛度、強度。

6 結 語

土釘墻技術是一項具有廣闊發展前景的新技術，隨著國家經濟的發展，土釘技術應用越廣泛，對土釘墻技術的研究也將越深入，目前土釘墻還有待進一步研究，例如土釘墻變形問題、土釘質量的無損檢測、組合技術應用、施工過程變形監測等等。

[1]陳宗平.深基坑支護設計與施工技術探討[J].山西建筑,2004(8).

[2]劉宗人.基坑工程[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社,2008.

[3]秦會來,周同和.微型樁復合土釘墻坑低穩定性分析[J].建筑科學,2015(5).

[4]余忠.微型樁復合土釘墻支護作用機理及穩定性研究[J].安徽建筑,2014(1).

[5]鄧祖保.合肥地區土釘墻支護失穩常見原因分析及對策[J].西部探礦工程,2010(7).

[6]張功實.基于拉-剪-彎聯合作用的土釘墻內部穩定性分析方法[D].濟南：山東大學，2012.