土釘支護(hù)技術(shù)在邊坡支護(hù)工程中的應(yīng)用研究

趙亮

摘要：為了對土釘支護(hù)技術(shù)在邊坡支護(hù)工程中的應(yīng)用情況和應(yīng)用優(yōu)勢進(jìn)行研究，本文介紹了土釘支護(hù)的工作原理，以某邊坡工程為研究對象，對土釘支護(hù)施工技術(shù)的要點和優(yōu)勢進(jìn)行詳細(xì)探究，并進(jìn)行實時數(shù)據(jù)監(jiān)測。取得了較好的支護(hù)效果。研究結(jié)果表明：對土體開挖以及邊坡支護(hù)施工中，土釘支護(hù)效果較好，具有施工方式便捷，工期短，施工成本比較低、支護(hù)效果好、對周邊環(huán)境影響較小等優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：邊坡；土釘支護(hù)；支護(hù)原理；支護(hù)施工

1.引言

為保證邊坡、地下結(jié)構(gòu)施工及基坑周邊環(huán)境的安全，需對邊坡、基坑側(cè)壁及周邊環(huán)境采取支擋、加固與防護(hù)措施。常見的支護(hù)形式有：擋墻、排樁式錨桿擋墻、樁撐、樁錨、地下連續(xù)墻支護(hù)、水泥擋土墻、逆作拱墻、鋼筋混凝土排樁等[1]；不同的支護(hù)形式適應(yīng)于不同的水文地質(zhì)條件和邊坡、基坑情況，因此，要根據(jù)具體問題，具體分析，從而選擇經(jīng)濟(jì)適用的支護(hù)形式。

土釘支護(hù)是一種用于邊坡加固的擋土技術(shù)或者用于深基坑開挖支護(hù)的技術(shù)[2]，是一種十分重要的支護(hù)結(jié)構(gòu)形式，能夠有效利用土體自身強(qiáng)度，在原位土體外力以及自重的影響下，改善土體受力[3]。對邊坡支護(hù)中土釘支護(hù)要點進(jìn)行深入研究意義重大。

國內(nèi)外有較多學(xué)者對土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究并取得許多的成果。在國外，土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)是基于加筋土墻、新奧法和錨桿擋土墻而發(fā)展起來的。在我國，土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)是基于新奧法的原理發(fā)展起來的。目前對土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)的研究包括理論研究和試驗研究，理論分析主要采用了有限元法和解析法，以及根據(jù)工程經(jīng)驗總結(jié)的方法，試驗研究方法主要包括室內(nèi)模型墻試驗、離心模型試驗和現(xiàn)場試驗等。在工程實踐中，則有對土釘墻進(jìn)行信息化施工監(jiān)測，測定土釘墻施工過程中的土體水平位移、土壓力及土釘應(yīng)力的變化情況[4]。

相較與其他邊坡支護(hù)方式，土釘支護(hù)具有施工操作便捷、材料用量和工程量少，施工設(shè)備輕便，操作方法簡單、對場地土層的適應(yīng)性強(qiáng)、成本較低。本文以某邊坡工程為研究對象，對土釘支護(hù)方案、施工技術(shù)的要點進(jìn)行詳細(xì)探究，對土釘支護(hù)進(jìn)行實時數(shù)據(jù)監(jiān)測，研究土釘支護(hù)方法和優(yōu)勢。

2.土釘支護(hù)的工作原理

土釘支護(hù)是在基坑開挖坡面，用機(jī)械鉆孔或洛陽鏟成孔，孔內(nèi)放鋼筋，并注漿，在坡面安裝鋼筋網(wǎng)，噴射一定厚度的混凝土，使土體、鋼筋與噴射混凝土面板結(jié)合形成的一種擋土支護(hù)結(jié)構(gòu)[2]。土釘支護(hù)通常由三個部分組成，即土釘、面層和防水系統(tǒng)。

由于土體抗剪強(qiáng)度比較低，因此可直接忽略抗拉強(qiáng)度，在自然環(huán)境中，存在使土保持直立的臨界高度，如果超過這個深度或者在超載及其他荷載的影響下將發(fā)生突發(fā)性的整體破壞。對此，在邊坡土體加固施工中，應(yīng)采用適宜的支擋結(jié)構(gòu)形式，有效承受側(cè)壓力作用，同時避免其進(jìn)一步變形。一般的支護(hù)措施是基于支護(hù)邊坡被動支護(hù)體系，以擋土結(jié)構(gòu)承受后土的側(cè)壓力，防止土體發(fā)生整體穩(wěn)定性破壞。土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)則是在土體內(nèi)放置一定長度和分布密度的土釘，與土體共同作用，彌補(bǔ)土體自身強(qiáng)度不足。因此，通過增強(qiáng)邊坡土體自身穩(wěn)定性的主動制約機(jī)制，不僅有效地提高了土體整體剛度，而且改善了邊坡變形和破壞性狀，顯著提高了整體的穩(wěn)定性[4]。

傳統(tǒng)的支擋結(jié)構(gòu)均基于被動制約機(jī)制，即以支擋結(jié)構(gòu)自身的強(qiáng)度和剛度，承受其后的側(cè)向土壓力，防止土體整體穩(wěn)定性破壞。土釘支護(hù)有別于這類支護(hù)形式的作用機(jī)理，它是以一定程度的土體變形為代價，在土釘產(chǎn)生拉力從而約束土體的進(jìn)一步變形的主動支護(hù)形式。土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)中土釘、土體與噴射混凝土面層作為一個共同體，彌補(bǔ)了土體自身抗拉、抗剪強(qiáng)度之不足，提高了復(fù)合土體的整體剛度，使土體的自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度潛力得到充分發(fā)揮，并有效地改變了邊坡變形和破壞形態(tài)。

3.土釘支護(hù)技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢

在土釘支護(hù)施工中，要求充分利用土體結(jié)構(gòu)自穩(wěn)定性，一邊開挖施工，一邊設(shè)置土釘，施工流程如圖1所示：第一，通過利用土體自穩(wěn)能力，進(jìn)行第一級開挖施工，如圖1（a）所示；第二，設(shè)置第一道土釘，如圖1（b）所示；第三，對土釘設(shè)置位置進(jìn)行灌漿施工，當(dāng)灌漿達(dá)到一定強(qiáng)度要求后，即可進(jìn)行第二級開挖施工，如圖1（c）所示；第四，設(shè)置第二道土釘，如圖1（d）所示。在實際施工中，根據(jù)不同邊坡支護(hù)施工項目及工程地質(zhì)條件，逐級進(jìn)行邊坡開挖，并及時設(shè)置土釘。

在邊坡支護(hù)施工中，土釘支護(hù)的應(yīng)用優(yōu)勢包括以下幾點：（1）在土釘支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用中，通常土釘桿體為低強(qiáng)度鋼筋（鋼管），在和土體的共同作用下，通過鋼筋混凝土面層進(jìn)行整體連接，大大地提高了邊坡的整體穩(wěn)定性。（2）通常情況下，土釘被動受力，隨著開挖深度的增加，邊坡結(jié)構(gòu)會發(fā)生一定變形，在土體變形中，土釘可產(chǎn)生拉力，因此，土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)位移大于超前擋土結(jié)構(gòu)支護(hù)。（3）在土釘支護(hù)技術(shù)的實際應(yīng)用中，要求分層開挖，分層支護(hù)，這樣一定程度上保障了施工的安全性。（4）邊坡支護(hù)技術(shù)類型比較多，其中，土釘支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用成本比較低，因此應(yīng)用范圍廣泛。（5）與地下連續(xù)墻、排樁等支護(hù)施工技術(shù)相比，土釘支護(hù)施工操作便捷，并且對于施工設(shè)備的要求比較低。

4.土釘支護(hù)設(shè)計工程實例

4.1工程地質(zhì)概況

在某基坑工程施工中，邊坡施工區(qū)域地形起伏比較大，地面橫坡在32°～60°之間，在邊坡施工中，根據(jù)1∶0.35坡比進(jìn)行開挖施工，形成高度為9m～15m的邊坡。該邊坡施工場地地質(zhì)構(gòu)造單一，主要為褶皺地質(zhì)，通過現(xiàn)場勘查，施工場地地層主要為板巖，發(fā)育兩組垂直節(jié)理，節(jié)理間距為50cm，延展性比較差。另外，邊坡巖土構(gòu)成是由風(fēng)化板巖以及薄層粉砂巖組成的。

4.2邊坡變形破壞形式

通過對該施工區(qū)域邊坡地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行現(xiàn)場勘查，邊坡結(jié)構(gòu)的變形破壞形式主要有兩種，即崩塌以及滑坡：（1）崩塌。該邊坡巖體的風(fēng)化深度比較大，并且垂直節(jié)理發(fā)育，因此邊坡表層容易發(fā)生崩塌地質(zhì)災(zāi)害。（2）滑坡。該邊坡受到風(fēng)化以及節(jié)理切割的影響，巖體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度比較低，通過對邊坡滑移的破壞形式進(jìn)行分析，滑坡上不拉裂形式為直線形，經(jīng)碎裂巖體切層后呈弧線狀，如圖2所示。

4.3邊坡支護(hù)方案

（1）在邊坡支護(hù)設(shè)計中，要求對邊坡變形進(jìn)行有效控制，不僅需綜合考慮邊坡整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，同時還應(yīng)采取有效措施保證邊坡開挖施工中的穩(wěn)定性。綜合考慮本工程實際情況以及施工技術(shù)條件，選用土釘支護(hù)施工技術(shù)，通過設(shè)置土釘，使其潛在破裂面，能夠避免發(fā)生滑坡事故，另外，還可在坡面掛網(wǎng)進(jìn)行混凝土噴射加固施工，能夠避免發(fā)生坍塌事故。在本工程施工現(xiàn)場進(jìn)行拉拔試驗，對土釘結(jié)構(gòu)粘結(jié)強(qiáng)度進(jìn)行分析，能夠為支護(hù)設(shè)計和施工提供參考。

（2）在邊坡開挖施工中，為了減少土方開挖施工量，對于邊坡，可以1∶0.35放坡，土釘采用？25mm和？28mm螺紋鋼筋，土釘長度在6.0m～12.0m之間，設(shè)置9排土釘，采用梅花形布置形式，間距為1.3m。在該邊坡支護(hù)施工中，斷面布置形式如圖3所示。

（3）在邊坡土釘支護(hù)施工中，為了能夠及時根據(jù)施工現(xiàn)場對施工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，在本工程施工中，選擇3個斷面對施工參數(shù)和效果進(jìn)行監(jiān)測，在3個斷面中需安裝土釘軸力測力計，選擇4排土釘，對土釘軸力進(jìn)行監(jiān)測分析，土釘軸力為Li-j；坡面位移測點為B1。

（4）為了確保測點長期穩(wěn)定，同時保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，對于土釘軸力以及噴層后土壓力，可分別應(yīng)用鋼鉉式鋼筋應(yīng)力計以及鋼式土壓力盒進(jìn)行監(jiān)測，另外，對于坡體位移，可采用DM-SZ型光電測距儀以及J2經(jīng)緯儀組成速測儀進(jìn)行監(jiān)測。施工現(xiàn)場各類監(jiān)測設(shè)備的布局形式如圖4所示。

4.4邊坡土釘支護(hù)監(jiān)測結(jié)果

邊坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響因素比較多，包括支護(hù)參數(shù)、不同土層穩(wěn)定性參數(shù)、開挖深度、支護(hù)時間等，同時，在邊坡開挖施工中，不同開挖深度的水平位移也會對邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響。在該邊坡支護(hù)施工中，第2排土釘軸力變化監(jiān)測結(jié)果如圖5所示，邊坡坡面各測點位移監(jiān)測結(jié)果如圖6所示。

在邊坡開挖以及支護(hù)施工中，通過對施工現(xiàn)場進(jìn)行監(jiān)測，從圖6可知，在開挖施工中，水平位移不斷增加，在上一步支護(hù)施工完成后，在下一步開挖面暴露時，水平位移比較大，位移量在2.2mm～4.2mm之間。在對邊坡坡體中部進(jìn)行開挖施工時，水平位移增加量明顯，其中，邊坡上部位移量在6.3mm～16.8mm之間。為了保證邊坡開挖施工安全性，要求及時對設(shè)計方案以及施工方案進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，避免對邊坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性造成不良影響。在本工程施工中，邊坡上部土釘長度為12.0m，根據(jù)施工現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，將土釘長度增加為13.0m，同時在每次開挖施工中，原開挖深度為3.0m，后減小至1.5m，能夠有效減少邊坡開挖支護(hù)施工中的水平位移量，進(jìn)而提升坡體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

5.結(jié)語

本文結(jié)合實例，對土釘支護(hù)技術(shù)在邊坡支護(hù)施工中的應(yīng)用方式和優(yōu)勢進(jìn)行了詳細(xì)探究，并對土釘支護(hù)進(jìn)行實時數(shù)據(jù)監(jiān)測，主要得出以下結(jié)論：

（1）在邊坡治理方案設(shè)計中，應(yīng)注意保住中部，同時提升坡腳穩(wěn)定性，在邊坡開挖中，應(yīng)及時進(jìn)行支護(hù)施工，對每層開挖深度進(jìn)行有效控制。（2）本工程邊坡地質(zhì)條件為軟弱巖質(zhì)，地層破壞形式比較復(fù)雜，主要受邊坡開挖施工順序、開挖深度等因素的影響，因此，要求采取有效的支護(hù)施工方式。因此，采用破裂面形式，在土釘支護(hù)施工中，對施工現(xiàn)場進(jìn)行監(jiān)測管理，及時對施工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，適當(dāng)增加邊坡中部土釘長度，能夠有效保證邊坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。（3）土釘支護(hù)作為邊坡支護(hù)中最常見的支護(hù)方法，具有材料用量和工程量少，施工速度快、施工設(shè)備輕便，操作方法簡單、對場地土層的適應(yīng)性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)輕巧，柔性大，有很好的延性、施工所需的場地較小、成本較低等優(yōu)勢。

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