基于法國標準的土釘墻設計計算

田澤野，徐開華，湯雅萌

(中國公路工程咨詢集團有限公司，北京 100089)

1 引 言

1972年，法國承包商Bouygues首先在凡爾賽附近的一處鐵路路塹邊坡工程中首次成功應用土釘技術。1986年，法國交通部啟動了一項為期四年、耗資400萬美元的名為"CLOUTERRE"研究項目，目的是為土釘支護的應用提供技術指導，該項目通過大量的現場試驗研究了土釘在施工和服役階段的行為，提出了土釘的破壞模式和設計準則，摒棄了傳統的總安全系數法，提出分項系數法，詳細分析了釘、土、釘土界面在不同工況下的狀態和聯系，全部成果已出版為《Additif aux recommandations CLOUTERRE 1991》[1-2]等用于指導土釘支護結構建設。經過法國標準化委員會調整，原法國設計規范NF P94-210，NF P94-220等已被最新版土釘和加筋支擋結構設計規范NF P94-270(2009)[3]取代。針對采用法國建筑標準的國家和地區，系統闡述了法國標準下土釘支護設計的原理和方法，以為該類結構物的設計施工提供依據。

2 基本構造

土釘墻主要由土釘、面層和排水系統三個部分組成。下面對土釘墻的基本構造進行詳細闡述。

2.1 土釘

土釘支護就是將桿件以一定的間距置入邊坡土體中，對土體起骨架的作用，是該型支擋結構最主要的受力構件(如圖1)。土釘的選型主要取決于土層條件：對于易塌孔的松散土、中密的粉土、填土或軟土等，可采用打入鋼管、角鋼、粗鋼筋；對于打入困難的土層，通常采用機械成孔、插筋、注漿錨桿來設置的。常用的土釘材料是螺紋鋼，沿鋼筋通長每隔約2 m布設對中支架。漿體材料可采用水泥漿或水泥砂漿，漿體強度一般不低于20 MPa。漿體起到連接土釘和土體的作用，握裹力通過抗拔試驗確定。當土釘應用于腐蝕性土質、雨水較多的地區，甚至要深入到地下水位以下時，應對土釘進行防腐處理。可根據情況選用聚乙烯、聚丙烯塑料波紋套管或環氧涂層鋼筋。

圖1 土釘墻基本構造

2.2 面板

噴射混凝土面板雖不屬于主要的擋土構件，主要作用是穩定開挖面上的局部土體、防止其崩落和受到侵蝕，但其將土釘連成整體，也在一定程度上提高了邊坡的穩定性。土釘和面板的連接處要設置承壓鋼墊板或加強鋼筋來抵抗面板的局部沖切，連接處采用螺絲端桿錨具或焊接方式。墻面板每隔一定間距要設置一條伸縮縫。為提高面板的強度，在面板內可布置1～2層的鋼筋網，鋼筋網的搭接方式采用焊接。混凝土面板一般分2～3次噴射，混凝土強度等級不宜低于C20，墻面可根據需要選擇材料進行美化。

2.3 排水

邊坡土體在地下水或地表水的滲流作用下會產生靜水壓力，土體抗剪強度降低，導致釘、土之間的粘結力下降、墻面板受力增大，所以要在相應的區域布置完善的排水系統。邊坡土釘墻排水系統可分成截水和排水兩大類：截水溝主要設置在坡頂攔截地表水，減少地表水流入坡體；排水主要指在混凝土面板上設置排水孔，通過排水管排出坡體內的地下水。排水孔的布置可以上下左右齊平，也可以交叉布置。排水管的長度視地下水發育情況，通常選擇PVC管并設置反濾層，以免排水管的入水孔被堵塞。

3 設計原則和計算內容

法國標準的設計原則與我國標準相似，都遵循極限狀態的理念。法國標準中推行結構工程極限狀態(STR)和巖土工程極限狀態(GEO)，根據設計工況分成承載能力極限狀態(ELU)和正常使用極限狀態(ELS)，前者保證安全性，后者保證舒適性和耐久性。承載能力極限狀態通過“方法2”和“方法3”進行驗算，這兩種方法決定了不同的分項系數。“方法2”可以判定內部穩定性(STR)的分項系數的組合，“方法3”給出了整體(GEO)和組合(GEO和STR)的分項系數組合。根據規范NF EN 1990第3.2條，土釘墻計算要區分持久狀況、短暫狀況、偶然狀況和地震狀況，計算工況的選擇要符合NF EN 1997-1[4]中第2.2條的規定。

根據規范NF P94-270的規定，土釘墻設計內容主要包括土釘布置的方式和間距，土釘的直徑、長度、傾角，噴射混凝土面板的設計，以及土釘墻內部及總體穩定性分析。由于土釘墻多用于地基承載力比較好的挖方地段，一般無需驗算外部穩定性，即抗滑、抗傾覆及地基承載力。

驗算內容概括如下：

(1)總體穩定性：滑裂面穿過加強體外部；

(2)組合穩定性：滑裂面穿過加強體內部；

(3)內部穩定性：土釘抗拉、土釘抗拔、砌面結構驗算。

對于總體、組合穩定性分析和土釘抗拉、抗拔驗算，可采用Geostab或Talren軟件。對于砌面結構驗算，可采用法國軟件Geospar計算。

3.1 總體穩定性

總體穩定性，即把錨桿錨固區域總體近似看成“重力式擋墻”，采用畢肖普或費倫紐斯等方法驗算滑裂面不穿越墻身時的總體穩定性，即墻體外最不利滑裂面的安全系數，如圖2所示。穩定性驗算不僅針對完工后的使用階段，還需進行施工階段驗算，考慮施工過程中每一層級開挖后未安置土釘時的穩定性。總體穩定性驗算屬于GEO類型的極限狀態，根據設計方法3計算，需滿足以下判定標準：

圖2 總體穩定性滑裂面

Tdst;d≤Rst;d—γR;d

(1)

式中：Tdst;d為滑動面上滑動力設計值(力或力矩)，kN或kN·m；Rst;d為滑動面上抗滑力設計值(力或力矩)，kN或kN·m；γR;d為土體抗剪強度分項系數。

3.2 組合穩定性

組合穩定性，是指滑裂面穿過至少一個土釘層，即需要考慮土釘和墻面板的抵抗作用。和總體穩定性一樣，使用階段和施工階段的穩定性都需要考慮。組合穩定性以擋墻坡腳處為中心，考慮3倍的墻高范圍內(±3 h)的穩定性，如圖3。組合穩定性屬于GEO和STR類型的極限狀態，采用設計方法3設計，判定標準和總體穩定性相同。

圖3 組合穩定性滑裂面及搜索范圍

3.3 內部穩定性

土釘結構的內部穩定性主要考慮土釘自身斷裂發生的鋼筋破壞、釘—土間粘結力不夠破壞導致的抗拔破壞、釘—墻連接處的墻面破壞，按STR極限狀態進行設計。

(1)土釘抗拉強度驗算

判定標準

Tmax;d≤Rtc;d

(2)

Tmax;d(h)=σh;d(h)SvSh/cosθ

(3)

式中：Tmax;d為土釘所受最大拉力，kN；Rtc;d為土釘抗力，kN；σh;d(h)為深度h處的水平向土壓力，kPa；Sh為土釘間的水平距離，m；Sv為土釘間的豎直距離，m；θ為土釘與水平方向的夾角。

土釘抗力Rtc;d計算公式：

Rtc;d=ρdeg;yS0fy/γM0

(4)

式中：S0為鋼筋初始橫截面積，m2；γM0為對應于彈性極限的材料分項系數；fy為鋼筋的彈性極限(屈服強度)，kPa。

ρdeg;y為折減系數:

ρdeg;y=1-△Sγy—S0

(5)

式中：γy為分項系數；△S為考慮弱腐蝕情況的截面平均損失且△S=PL，m2；L為錨桿或型鋼的周長，m；P為隨時間變化的鋼筋表面厚度平均減小量且P=Atn，μm；t為時間，年；n為和時間相關的，小于1的參數；A為第一年的平均減小量，μm。

考慮到原位土體的腐蝕作用，A的取值如表1。

表1 取決于土體腐蝕強度的A值

(2)土釘抗拔強度驗算

總體原則

Tmax;d≤Rf;d

(6)

Rf;d為土釘抗拔力，kN。其計算公式為

Rf;d=τ·Ps·Ls—γM;f

(7)

式中：τ為孔壁對砂漿的極限剪應力，kPa；Ps為鉆孔周長，m；Ls為土釘的有效錨固長度，m；γM;f為安全系數。

上述法國土釘抗拔力計算公式和中國規范是一樣的。在實際工程中，由于現場巖土體環境的復雜性，抗拔力通常由多組原位抗拔試驗來確定。

(3)砌面結構驗算

土釘墻的面板是多點支撐的連續板，支撐點間距比較小，采用多點支撐連續板的結構力學分析法計算板的內力。驗算內容包括抗彎驗算、抗沖切驗算，具體參考混凝土結構設計規范BAEL91[5]。

作用在墻面板上的壓力計算公式為

σpar;d=α·σh;d

(8)

式中：σpar;d為作用在墻面上的應力計算值，kPa；σh;d為水平方向的應力計算值，這里包含土體和其他作用效應，kPa；α應滿足α=0.4+0.2max(sv;sh)，且0.6≤α≤1.0。

3.4 坡頂變形計算

土釘墻坡面變形是由于開挖卸荷、巖土體側向滑移導致坡面向開挖側傾斜。土釘與鋼筋混凝土面板連在一起，對邊坡變形起約束作用。規范NF P94-270評估邊坡頂部的位移建議采用數值模擬或經驗法。數值模擬可以采用Plaxis有限元分析；規范中給出了經驗算法，計算公式如下

λ=h·(1-tanη1)·κ

(9)

式中：λ為坡頂變形后的總長度，m；h為土釘墻高度，m；η1為傾斜度；κ為取決于土性的經驗系數，κ值估算可按表2取值。土釘墻砌面頂部外側位移的垂直分量dv和水平分量dh，有dv≈dh。

表2 不同土質墻頂位移經驗值

4 結 論

針對法國規范的土釘支護設計方法進行了研究，得出如下結論。

(1)規范中考慮了土釘服役的耐久性問題，即環境對土釘的腐蝕作用，具體表現為土釘截面隨時間和環境的變化。

(2)規范明確混凝土面板不能只滿足構造要求，要驗算墻面的局部沖切和抗彎驗算。

(3)法國規范計算要求比較詳細，對我國相關規范的完善具有借鑒意義。