深基坑土釘支護(hù)研究綜述

雷楊崑

(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶 400074)

深基坑土釘支護(hù)研究綜述

雷楊崑

(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶 400074)

土釘支護(hù)成為了現(xiàn)代深基坑支護(hù)措施中強(qiáng)有力的手段，在國(guó)內(nèi)基坑支護(hù)中己經(jīng)成為繼支撐式支護(hù)、板式支護(hù)后又一成熟技術(shù)。本文介紹了土釘支護(hù)的概念及其發(fā)展過(guò)程指出了土釘支護(hù)的優(yōu)點(diǎn)及其局限性，總結(jié)當(dāng)下土釘支護(hù)技術(shù)的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展前景。

深基坑；土釘支護(hù)；穩(wěn)定性

一、引言

隨著我國(guó)工業(yè)化和城市化加速發(fā)展，高層、超高層建筑及地下建筑不斷涌現(xiàn)，工程人員致力于尋求“安全穩(wěn)妥、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、施工方便、工期保證、業(yè)主滿意”的基坑支護(hù)方式。土釘支護(hù)技術(shù)以其工期短、施工便捷、經(jīng)濟(jì)節(jié)能、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)迅速發(fā)展并取得顯著技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

二、土釘支護(hù)概述

土釘支護(hù)采用現(xiàn)場(chǎng)原位土體的細(xì)長(zhǎng)桿件(土釘)作為受力構(gòu)件，與被加固的原位土體、噴射混凝土面層組成的支護(hù)體系。

土釘支護(hù)技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：工程數(shù)量少，施工快；施工設(shè)備輕便，易操作；場(chǎng)地適應(yīng)性強(qiáng)；結(jié)構(gòu)輕巧，柔性大，延性好；施工所需的場(chǎng)地較小；可逐次分段作業(yè)，施工噪聲和振動(dòng)小。

三、土釘支護(hù)發(fā)展及現(xiàn)狀

土釘支護(hù)是從70年代出現(xiàn)的。它在很多方面與隧道新奧法施工類似，可視為是新奧法概念的延伸。此外，60年代發(fā)展起來(lái)的加筋土技術(shù)對(duì)土釘支護(hù)技術(shù)的萌芽也有一定的推動(dòng)作用。

1972年法國(guó)首先在工程中應(yīng)用土釘墻技術(shù)。該工程為凡爾塞市鐵路路塹邊坡開(kāi)挖工程。Bouygues使用了25000根鉆孔注漿錨桿，加固了高14m，坡角70°，總加固面積為12000m2的邊坡。1974年，他又將該技術(shù)第一次用于城區(qū)內(nèi)鄰近高層建筑和繁華街道的地鐵車站工程，他首次采用不注漿的擊入釘。此后，土釘技術(shù)得到普及，到了80年代后期，開(kāi)展了模型試驗(yàn)和有限元分析等基礎(chǔ)性研究。

1979年,德國(guó)Stuttgart建造的第一個(gè)高14m的永久性土釘工程開(kāi)始了連續(xù)測(cè)量。美國(guó)的土釘研究主要以加州大學(xué)為代表，進(jìn)行了上釘支護(hù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，量測(cè)不同開(kāi)挖深度時(shí)地表水平位移分布和土釘?shù)睦Α?985年，日本對(duì)可出現(xiàn)小規(guī)模破壞的邊坡采用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1979年在巴黎召開(kāi)了一次關(guān)于土體加固的國(guó)際會(huì)議，使土釘支護(hù)技術(shù)得到迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，受到了各國(guó)土木工程界的極大重視。1990年在美國(guó)召開(kāi)的擋土結(jié)構(gòu)國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議上，土釘支護(hù)已作為一個(gè)獨(dú)立的專題與錨桿擋墻并列，使它成為一個(gè)獨(dú)立的土體加固學(xué)科分支。

我國(guó)應(yīng)用土釘?shù)氖桌こ淌?980年將土釘用于山西柳灣煤礦的邊坡穩(wěn)定。1987年，總參工程兵科研三所任輝啟、劉玉堂等在洛陽(yáng)王城公園高達(dá)30m、長(zhǎng)200余米的高坡護(hù)岸工程中，首次在國(guó)內(nèi)采用了注漿式土釘墻與鋼筋混凝土梁板護(hù)壁結(jié)構(gòu)相結(jié)合的辦法，實(shí)現(xiàn)了高陡邊坡的永久型支護(hù)。在基坑深度上，北京民源大廈西塔樓工程基坑深度17.7m，通港大廈基坑深度17m，邊坡為直立的土釘支護(hù)。此外，土釘支護(hù)還與其他支護(hù)技術(shù)結(jié)合，產(chǎn)生了新的支護(hù)方法，現(xiàn)己在我國(guó)應(yīng)用并取得了顯著效益，還編制了土釘墻穩(wěn)定性分析及設(shè)計(jì)計(jì)算程序。其中，陳肇元對(duì)復(fù)合土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)形式和適用條件進(jìn)行了系統(tǒng)研究，指出不同形式的復(fù)合土釘支護(hù)的工作機(jī)理不盡相同，應(yīng)針對(duì)不同的形式建立不同的分析方法。李象范總結(jié)了近年來(lái)對(duì)流砂地層中攪拌樁復(fù)合土釘支護(hù)的變形性狀、土釘受力變形機(jī)理、噴層作用進(jìn)行了測(cè)試研究，改進(jìn)了攪拌樁復(fù)合土釘擋墻的設(shè)計(jì)方法。吳銘炳總結(jié)了福州地區(qū)軟土基坑采用土釘支護(hù)的進(jìn)展與經(jīng)驗(yàn)，分析了軟土基坑土釘支護(hù)機(jī)理并提出了相應(yīng)的計(jì)算方法。經(jīng)過(guò)大量計(jì)算指出，只要滿足外部滑動(dòng)穩(wěn)定，就能滿足抗滑移安全，只要滿足承載力驗(yàn)算，就能滿足抗隆起穩(wěn)定。龔曉南分析了土釘支護(hù)定義、計(jì)算模型、地下水處理、土釘支護(hù)適用范圍、環(huán)境效應(yīng)、設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題、復(fù)合土釘支護(hù)概念等問(wèn)題，指出應(yīng)加強(qiáng)土釘支護(hù)和復(fù)合土釘支護(hù)機(jī)理研究，加強(qiáng)土釘支護(hù)和復(fù)合土釘支護(hù)位移計(jì)算和預(yù)估的研究。

四、土釘支護(hù)存在的問(wèn)題以及未來(lái)展望方向

在理論研究方面，首先，土釘中的鋼筋通過(guò)水泥漿與周圍土體的握裹力和相互摩擦作用把荷載向土中擴(kuò)散、傳播，而整個(gè)墻體向坑內(nèi)也發(fā)生一定的位移使土釘被動(dòng)受力，而土釘墻位移計(jì)算還缺乏比較理想的計(jì)算方法。目前常用數(shù)值計(jì)算方法結(jié)合可靠的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)算確定，有限元分析中如果采用二維有限元模型，把土釘支護(hù)邊坡簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問(wèn)題，土釘按剛度相等的原則等效為單位寬度的薄層。這樣夸大了土釘與土釘之間的聯(lián)結(jié)。如果等效薄層的剛度較大，阻止剪應(yīng)力在土中的傳遞，就更不能正確反映實(shí)際的受力狀態(tài)。同時(shí)由于土釘?shù)某叽巛^小，需要在土釘與土體之間加入過(guò)渡單元，如果考慮土釘與土體的粘接，還要加入三維界面單元，計(jì)算模型又變得十分復(fù)雜。所以必須通過(guò)合理假設(shè)，探索符合土釘實(shí)際受力狀況的有限元計(jì)算方法是研究土釘受力機(jī)制的重要途徑。

其次，土釘墻后土壓力一些基坑規(guī)程計(jì)算土壓力仍采用傳統(tǒng)上的三角形土壓力分布模式來(lái)計(jì)算，有的則采用經(jīng)驗(yàn)土壓力，而實(shí)測(cè)的土壓力并非如此。土釘墻后土壓力是隨著基坑開(kāi)挖而不斷變化著，每個(gè)階段土壓力的大小和分布決定了土釘墻的位移、穩(wěn)定程度。而經(jīng)驗(yàn)土壓力的分布并不是真正的土壓力分布形式，因此研究土釘墻后土壓力的大小、分布形式，土釘力沿釘身和深度上的分布，弄清楚土釘力與土壓力的關(guān)系具有非常重要的指導(dǎo)意義。

在工程設(shè)計(jì)方面，由于國(guó)內(nèi)沒(méi)有統(tǒng)一的土釘支護(hù)設(shè)計(jì)方法，地下工程巖土體又極其復(fù)雜，設(shè)計(jì)單位均以自身有限的工程經(jīng)驗(yàn)或借鑒國(guó)外的工程實(shí)例進(jìn)行設(shè)計(jì)。因而,其設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性或可靠性受到一定的限制。尤其受投標(biāo)價(jià)格影響，支護(hù)體系的安全系數(shù)取值偏小，表現(xiàn)在土釘?shù)拈g距過(guò)大、長(zhǎng)度不足或面層厚度不夠。另一方面，由于未能充分而全面地考慮工程的特殊性和復(fù)雜性而導(dǎo)致工程事故時(shí)有發(fā)生。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，面層土壓力與面層的剛度有關(guān)，面層的設(shè)計(jì)極為懸殊。有些臨時(shí)支護(hù)的面層往往不做計(jì)算，僅按構(gòu)造規(guī)定掛網(wǎng)并噴射一定厚度的混凝土。雖然不做計(jì)算僅作為構(gòu)造處理使工程偏于安全，但面層土壓力的存在對(duì)基坑變形和其中的應(yīng)力分布存在著很大的影響。因此考慮面層土壓力的大小分布和對(duì)位移、基坑穩(wěn)定影響是以后土釘墻研究中的另一個(gè)重要內(nèi)容。

此外，在內(nèi)部穩(wěn)定性分析中，土釘體與土體的摩阻粘結(jié)強(qiáng)度值，主要以經(jīng)驗(yàn)和簡(jiǎn)化計(jì)算選取，沒(méi)有預(yù)先經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)拉拔試驗(yàn)驗(yàn)證，因而也存在一定的盲目性，而摩阻粘結(jié)強(qiáng)度值對(duì)內(nèi)部穩(wěn)定性分析中的安全系數(shù)是極為敏感的。

五、結(jié)論

本文介紹了土釘支護(hù)的概念及其發(fā)展過(guò)程指出了土釘支護(hù)的優(yōu)點(diǎn)及其局限性，總結(jié)當(dāng)下土釘支護(hù)技術(shù)的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展前景。

從土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)的概念入手，對(duì)土釘支護(hù)的結(jié)構(gòu)形式、構(gòu)造特點(diǎn)、作用機(jī)理、常用的設(shè)計(jì)計(jì)算理論和方法等方面進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。然后選取鉆孔注漿型土釘為研究對(duì)象分析不同土釘長(zhǎng)度、土釘間距、土釘傾角、基坑坡度及不同規(guī)章和方法對(duì)土釘支護(hù)設(shè)計(jì)的影響，總結(jié)規(guī)律。通過(guò)綜述深基坑土釘支護(hù)發(fā)展現(xiàn)狀及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，結(jié)合其工程應(yīng)用及理論研究中存在的問(wèn)題，可為后續(xù)理論研究及工程實(shí)踐提供參考依據(jù)。

[1]白韶紅.土釘支護(hù)設(shè)計(jì)中幾個(gè)問(wèn)題的探討[J].巖土工程界，2001.

[2]郭院成.基坑支護(hù)[M].黃河水利出版社，2012，第一版.

[3]黃希來(lái).土釘支護(hù)技術(shù)的工作機(jī)理和工程應(yīng)用研究[D].同濟(jì)大學(xué)，2007.

[4]Anon，Construetion problem solved with soil naizing.Public works，Jan 1998.

雷楊崑(1990-)，男，漢，陜西漢中，碩士研究生，重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，橋梁損傷機(jī)理及安全監(jiān)測(cè)。