新型外爪式鋼管土釘受力性能研究★

黃 鋮 張廣興 徐剡源 鮑遠成 王能能

(1.同濟大學浙江學院，浙江 嘉興 314051； 2.寧波市鎮海區建設交通工程安全質量管理中心，浙江 寧波 315000；3.杭州西南檢測技術股份有限公司寧波分公司，浙江 寧波 315000)

0 引言

土釘支護是目前廣泛應用于基坑及邊坡支護工程中的一種方法，其常見的施工方式有兩種：一種是在土中先鉆孔，成孔后插入帶肋鋼筋并在孔中注入水泥漿液，漿液硬化后將土釘體與周圍土體牢固粘結而構成一個整體。另一種是采用鋼花管，可以直接打入基坑側壁，打入后可以向管內注入水泥漿液，也可不注漿[1]。國內外研究人員針對水泥注漿體做了很多的試驗、理論及有限元分析，如注漿體、注漿參數等對土釘受力性狀影響的研究[2-4]。還有針對水泥漿液的改性研究，分析諸如納米材料等外摻劑對固化水泥漿體受力特性的影響[5，6]。還有一部分研究針對土釘結構的改進，如自平衡高壓注漿鋼管土釘、新型裝配式可回收土釘、螺旋式土釘等，并針對改進的土釘進行了受力性能等方面的試驗與分析[7，8]。研究結果表明，好的結構改進對土釘受力性能的改善、施工的便捷及環保的改善等有著良好的效果。

因此，本文從土釘的受力機理及施工優化等方面考慮，研發了一種外爪式鋼管土釘，該土釘結構可從鋼管釘體內部通過側壁孔伸出外爪，外爪伸入土體對釘體本身產生錨固效應，進而使土釘抗拔力有明顯提升作用。并且具有施工快速，操作簡便，施工完成即可受力，可回收利用等優點。通過對粘性土中外爪伸出長度為20 cm，25 cm，30 cm的外爪式土釘與普通鋼管土釘進行的抗拉性能對比試驗，分析了其受力性能的差異以及外爪長度對土釘受力性能的影響。對所研究的外爪式土釘與普通鋼管土釘在基坑開挖后進行土釘墻整體圓弧滑動穩定性計算，得到各工況下土釘墻的圓弧滑動穩定安全系數的差異。

1 外爪式土釘結構

通過對鋼管土釘結構的改進，研發了一種外爪式鋼管土釘結構(專利號：201921343433.1)，如圖1所示，該土釘包括自下而上延伸的外管，外管的上端具有開口端、下端具有封閉端(可以設螺旋頭)，外管壁上設置側孔，外管內設有自上而下插入的內桿體，內桿體的壁面上有與外管壁上側孔數量及位置均相同的彈性爪片，彈性爪片與外管壁上側孔的數量及位置均相同且一一對應，內桿體與外管裝配好之后，外爪尚未伸出外管壁孔，此時可將土釘直接打入土中，進入到設計位置后，對內桿體施加壓力荷載，彈性爪片開始伸出并插入到土中，爪片全部伸出后通過在外管和內桿頭部附近的預留孔插入插銷將兩者固定，形成整體來抵抗拉力。工程完成后即可將插銷取下，拔出內桿及外管重復使用。

外爪式土釘在受拉荷載作用下，由于外爪的存在，其受力機理要比普通鋼管土釘更為復雜。普通打入式鋼管土釘受拉時主要由釘土之間的側壁摩阻力提供抗拉力，而外爪式土釘抗拉力主要由釘土側壁摩阻力和外爪錨固力兩部分組成，外爪錨固力主要來源于土釘外爪對上方土體的壓縮導致土體產生的反力和外爪邊緣剪切土體而使土體產生的抗剪切力，如圖2所示。

2 外爪式土釘抗拉性能試驗分析

為了研究長度和直徑均相同的外爪式土釘與普通鋼管土釘受力性能的差異，以及外爪長度對土釘受力性能的影響，設計了現場抗拉試驗進行研究。試驗區域為嘉興某處黏性土地層，其土層的各項物理及力學指標如表1所示。

表1 土層的參數

本試驗一共制作了4根土釘，鋼管直徑為89 mm，壁厚4.5 mm，土釘有效長度(即入土深度)為1.0 m，鋼管總長度為1.25 m。其中1號、2號、3號為外爪式土釘，分別對應的外爪長度為20 cm，25 cm，30 cm，鋼管壁上進行了開孔，孔徑為50 mm，外爪可以從孔內伸出，4號為普通鋼管土釘。土釘打入后對其進行抗拉試驗，試驗方案如表2所示。

表2 土釘抗拉性能試驗方案

土釘打入15 d后，進行土釘抗拉試驗，如圖3所示，試驗加載設備采用穿心千斤頂，用百分表記錄土釘上拔量，每根土釘施加10級荷載，每級荷載施加間隔1 h，記錄得到各級上拔荷載作用下土釘的上拔量，并將試驗結果繪制于圖4中。

對比上面的試驗結果可以看到，在相同的位移下，3號土釘的抗拔力最大，2號土釘的抗拔力次之，1號土釘的抗拔力再次之，4號土釘的抗拔力最小，在位移量皆為10 mm時，以4號鋼管土釘為對照，1號土釘抗拔力是4號鋼管土釘的1.3倍，2號土釘抗拔力是4號鋼管土釘的1.75倍，3號土釘 抗拔力是4號鋼管土釘的1.875倍。由此可見，外爪長度對抗拔力有較大影響，在本次試驗的20 cm～30 cm外爪長度的范圍內，土釘抗拔力隨外爪長度的增加而增大。

分析其原因，外爪土釘通過外爪伸入土體，可以對土釘側壁產生一定錨固力，進而土釘體抗拔力會有較大提升，且外爪在受力時，隨著力的增加，外爪由“放松”階段轉入“繃緊”受力階段，在彈性階段能提供不斷增加的錨固力。同時土釘施工時，對土釘側壁的土體有一定的擠土作用，能提升土體的抗剪強度。因此，外爪土釘與常規鋼管土釘相比，具有更好的抗拉性能。不同外爪長度對土體的錨固力不同，外爪越長，伸入土體的長度隨之也越長，外爪表面與土體接觸面積也越大，受外爪影響的土體面積，能給外爪提供反力的土體影響范圍也就越大。

從試驗結果也可以看到，4種土釘在破壞時(取曲線陡升段的起點荷載值)，最終的極限抗拉承載力差異較大，4號土釘極限抗拉承載力為3.8 kN。1號土釘極限抗拉承載力在4.7 kN。2號土釘極限抗拉承載力在7.8 kN左右。3號土釘極限抗拉承載力在8.2 kN左右。極限抗拉承載力與外爪長度有較大相關性，外爪越長，土釘極限抗拉承載力越大，外爪土釘具有較好的抗拉性能。但當外爪長度從25 cm增加到30 cm時，極限抗拉承載力的增加幅度有所降低，以此推測外爪長度也并不是越長越好，外爪越長其懸臂受到的彎矩也越大，需考慮制作經濟性和打入可行性而綜合分析。

3 外爪式土釘墻穩定性分析

對上述4種土釘在基坑開挖后進行土釘墻整體圓弧滑動穩定性計算，通過理正深基坑支護設計軟件計算最危險滑動面，得到各工況下土釘墻的圓弧滑動穩定安全系數，如圖5所示。4種土釘的釘土間側壁摩阻力根據前述現場試驗中得到的極限拉力比值結果來取值。工況1～工況5的開挖深度分別為1.7 m(尚未打入第一層土釘)，2.9 m(尚未打入第二層土釘)，4.1 m(尚未打入第三層土釘)，5.3 m(尚未打入第四層土釘)，6 m(已打入第四層土釘)，從圖5中可以看到，工況1由于尚未打入土釘，安全系數取決于土體自身穩定，故4種土釘均相同。在其他工況下，外爪式土釘支護的整體圓弧滑動穩定安全系數均大于普通鋼管土釘，且相同工況下，不同外爪長度土釘的整體圓弧滑動穩定安全系數隨外爪長度的增加而增加。

4 結語

本文研發了一種外爪式鋼管土釘，通過現場抗拉試驗研究了長度和直徑均相同的外爪式土釘與普通鋼管土釘受力性能的差異，分析了外爪長度對土釘受力性能的影響。對所研究的外爪式土釘與普通鋼管土釘在基坑開挖后進行土釘墻整體圓弧滑動穩定性計算，得到各工況下土釘墻的圓弧滑動穩定安全系數的差異，最終得到了以下結論：

1)試驗范圍內外爪式土釘極限抗拔承載力均高于相同尺寸的普通鋼管土釘。外爪長度對抗拔力有較大影響，在本次試驗的20 cm～30 cm外爪長度的范圍內，土釘抗拔力隨外爪長度的增加而增大。但當外爪長度從25 cm增加到30 cm時，極限抗拉承載力的增加幅度有所降低，以此推測外爪長度也并不是越長越好，需考慮制作經濟性和打入可行性而綜合分析。

2)外爪式土釘支護的整體圓弧滑動穩定安全系數大于普通鋼管土釘，且相同工況下，此安全系數隨外爪長度的增加而增大。