土釘墻外部穩(wěn)定分析的必要性探討

吳佳霖

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031)

1 問(wèn)題的提出

土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)在基坑工程及道路工程中承擔(dān)擋土、穩(wěn)固土體等重要作用，其作用機(jī)理及計(jì)算方法是巖土工程中的重要研究課題。設(shè)計(jì)土釘墻時(shí)的驗(yàn)算內(nèi)容，特別是對(duì)于是否需要進(jìn)行外部穩(wěn)定驗(yàn)算，不同規(guī)范規(guī)定有所不同。外部穩(wěn)定性驗(yàn)算是指將土釘加固土體看作重力式擋墻，根據(jù)相關(guān)規(guī)范進(jìn)行重力式擋墻的相關(guān)驗(yàn)算[1]，包括抗滑穩(wěn)定性驗(yàn)算、抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算、地基承載力驗(yàn)算。

應(yīng)用最為廣泛的建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程(JGJ120-2012)[2]沒(méi)有要求驗(yàn)算外部穩(wěn)定，該規(guī)程規(guī)定需要驗(yàn)算的內(nèi)容為：①穩(wěn)定性驗(yàn)算，包括整體滑動(dòng)穩(wěn)定性驗(yàn)算(見(jiàn)圖1)、基坑坑底軟弱土層的坑底隆起穩(wěn)定性驗(yàn)算(見(jiàn)圖2)；②土釘承載力驗(yàn)算，包括極限抗拔承載力驗(yàn)算和土釘桿體受拉承載力驗(yàn)算(見(jiàn)圖3)。

而基坑土釘技術(shù)規(guī)程[3]以及鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[4]除以上驗(yàn)算要求外，對(duì)土釘墻外部穩(wěn)定驗(yàn)算有明確的要求?；油玲敿夹g(shù)規(guī)程驗(yàn)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖4A、B、C。

圖1 整體滑動(dòng)穩(wěn)定性驗(yàn)算示意

圖2 土釘墻坑底隆起穩(wěn)定性驗(yàn)算示意

圖3 土釘承載力驗(yàn)算示意

(A)

(B)

(C)

綜上所述，對(duì)于是否需要驗(yàn)算土釘墻外部穩(wěn)定性，不同規(guī)范有不同的看法，認(rèn)為不需要驗(yàn)算的原因，是土釘墻在滿足整體穩(wěn)定及土釘承載力的情況下，外部穩(wěn)定一般是滿足的，因而不必驗(yàn)算。本文通過(guò)算例討論土釘墻是否有必要進(jìn)行外部穩(wěn)定性驗(yàn)算以及什么情況下需要驗(yàn)算，為工程設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

2 算例分析

為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，計(jì)算時(shí)假定土釘墻符合朗肯條件，土壓力按照朗肯主動(dòng)土壓力計(jì)算。

根據(jù)規(guī)范[1]，抗滑穩(wěn)定性按下面公式驗(yàn)算：

(1)

式中：G1、G2為每延米土釘墻的重力(見(jiàn)圖5)；

G3為加固土體(重力式擋墻)頂部荷載，G3=q1b2；

μ為土對(duì)墻底的摩擦系數(shù)，由試驗(yàn)測(cè)定或查表；

Ea為土釘墻所受主動(dòng)土壓力。

圖5 重力式擋墻驗(yàn)算簡(jiǎn)圖

抗傾覆穩(wěn)定性按下面公式驗(yàn)算：

(2)

式中：a1、a2、a3分別為G1、G2、G3至墻趾的水平距離；

ha為Ea至墻趾的豎向距離。

由于地基承載力涉及參數(shù)較多，本文不討論地基承載力的驗(yàn)算。

首先對(duì)規(guī)范[1]規(guī)定的抗滑穩(wěn)定性驗(yàn)算予以討論。土釘墻形成的重力式擋墻，滑動(dòng)時(shí)是土體之間的滑動(dòng)，規(guī)范[1]規(guī)定的抗滑力的計(jì)算方法是不合適的。本文推薦了以抗剪強(qiáng)度為基礎(chǔ)的抗滑力計(jì)算方法，即：

T=c(b1+b2)+(0.5γmHb1+q1b2+γmHb2)tanφ

(3)

本文抗滑安全系數(shù)計(jì)算中抗滑力取T，安全系數(shù)暫取1.3。

按照以上方法對(duì)下面兩個(gè)有代表性的算例進(jìn)行分析，下面的算例，均滿足現(xiàn)行規(guī)程[2]的規(guī)定(安全等級(jí)按二級(jí)考慮)，并且在經(jīng)濟(jì)合理的范圍內(nèi)。

2.1 算例1：土的抗剪強(qiáng)度較低、坑深較小的情況

基坑深度：6.0m；開(kāi)挖坡度：1∶0.5；坡頂超載q=20kPa；土釘傾角10°，孔徑130mm；4道土釘，從上至下長(zhǎng)度分別為9m、9m、11m、11m；鋼筋HRB400直徑20mm；土釘水平間距1.0m；豎向間距1.4m；土層c=10kPa，φ=15°，γ=18kN/m3；極限摩阻力60kPa。

根據(jù)規(guī)程[2]計(jì)算，該土釘墻最后一道工況整體滑動(dòng)安全系數(shù)為1.34，滿足要求，其他各項(xiàng)也滿足要求，具體數(shù)據(jù)略。

對(duì)該土釘墻進(jìn)行外部穩(wěn)定驗(yàn)算，重力式擋墻指標(biāo)如下：

H=6m；b1=3m；b2=6m；q1=q2=20kPa

計(jì)算結(jié)果如下：

Ea=169.8kN/m；ha=1.89m；

G1=162kN/m；a1=2m；

G2=648kN/m；a2=6m；

G3=120kN/m；a3=6m；

利用公式(3)算得抗滑力T=339kN/m。

抗滑安全系數(shù)Ks=2.0>1.3滿足要求。

抗傾覆安全系數(shù)Kt=13.7>1.6滿足要求。

土釘超載20kPa為常規(guī)的考慮荷載，工程中在距離坑邊較遠(yuǎn)處，常有比較大的荷載，比如堆放材料、車(chē)輛等，因此討論如果將q2由20kPa提高到40kPa的情況，經(jīng)計(jì)算，結(jié)果如下：

抗滑安全系數(shù)Ks=1.4>1.3滿足要求。

抗傾覆安全系數(shù)Kt=8.3>1.6滿足要求。

算例1小結(jié)：在土的抗剪強(qiáng)度較低、坑深較小的情況下，土釘墻外部穩(wěn)定容易滿足要求，且即使增大q2后安全系數(shù)雖然減小，但仍然可能滿足要求。

2.2 算例2：土的抗剪強(qiáng)度較高、坑深較大的情況

基坑深度：9.0m；開(kāi)挖坡度：1∶0.2；坡頂超載q=20kPa；土釘傾角10°，孔徑130mm；6道土釘，長(zhǎng)度均為4.5m；鋼筋HRB400直徑20mm；土釘水平間距1.0m；豎向間距1.4m；土層c=20kPa，φ=28°，γ=18kN/m3；極限摩阻力60kPa。

根據(jù)規(guī)程[2]計(jì)算，該土釘墻最后一道工況整體滑動(dòng)安全系數(shù)為1.32，滿足要求，其他各項(xiàng)也滿足要求，具體數(shù)據(jù)略。

對(duì)該土釘墻進(jìn)行外部穩(wěn)定驗(yàn)算，重力式擋墻指標(biāo)如下：

H=9m；b1=1.8m；b2=2.7m；q1=q2=20kPa

計(jì)算結(jié)果如下：

Ea=490kN/m；ha=2.80m；

G1=145.8kN/m；a1=1.2m；

G2=437.4kN/m；a2=3.15m；

G3=54kN/m；a3=3.15m；

利用公式(3)算得抗滑力T=429kN/m。

抗滑安全系數(shù)Ks=0.88<1.3不滿足要求。

抗傾覆安全系數(shù)Kt=1.26<1.6不滿足要求。

算例2小結(jié)：土的抗剪強(qiáng)度較高、坑深較大的情況下，土釘墻外部穩(wěn)定不容易滿足要求。

從以上兩個(gè)算例可以看出，算例1在常規(guī)荷載的情況下外部穩(wěn)定滿足要求，增加遠(yuǎn)處荷載后仍然滿足，但安全系數(shù)明顯減小。算例2在常規(guī)荷載下抗滑及抗傾覆均不滿足要求，不難理解還有一種中間情況，即常規(guī)荷載下滿足，增加遠(yuǎn)處荷載后不滿足要求，限于篇幅，不再列舉這類(lèi)算例。

3 結(jié)論

當(dāng)土的抗剪強(qiáng)度較低、基坑較淺時(shí)，按現(xiàn)行規(guī)程[2]設(shè)計(jì)的土釘墻，等效重力式擋墻寬度較大，高度較小，外部穩(wěn)定一般能滿足要求。當(dāng)土的抗剪強(qiáng)度較高，基坑較深時(shí)，等效重力式擋墻的寬度較小，高度較大，外部穩(wěn)定不容易滿足要求，這時(shí)不驗(yàn)算外部穩(wěn)定是有安全隱患的。對(duì)于一個(gè)具體的工程設(shè)計(jì)，事先很難判斷是否驗(yàn)算的標(biāo)準(zhǔn)，因此，筆者認(rèn)為，對(duì)于土釘墻，有必要驗(yàn)算其外部穩(wěn)定。

由于土釘墻形成的重力式擋墻，滑動(dòng)時(shí)是土之間的剪切破壞，因此本文提出的基于抗剪強(qiáng)度的抗滑力計(jì)算方法，理論上更加合理。采用這一方法時(shí)，應(yīng)對(duì)抗滑安全系數(shù)的合理取值進(jìn)行探討。