閆國奇

（安陽市建筑設(shè)計研究院，河南 安陽 455000）

對土釘支護(hù)與土釘墻的探討

閆國奇

（安陽市建筑設(shè)計研究院，河南 安陽 455000）

本文通過對土釘支護(hù)和土釘墻兩個概念的分析及土釘與錨桿設(shè)計計算方法的對比后認(rèn)為，土釘這種基坑支護(hù)形式從概念上應(yīng)統(tǒng)一為土釘支護(hù)，要重視土釘?shù)腻^固作用，土釘墻可作為土釘支護(hù)中的一種設(shè)計方法。這種概念上的統(tǒng)一，可以大大拓展土釘這種支護(hù)形式的使用空間，為建筑基坑支護(hù)節(jié)約投資和工期。

土釘；土釘支護(hù)；土釘墻；錨桿；錨固作用

1 引言

用于建筑基坑支護(hù)的現(xiàn)代土釘技術(shù)是從20世紀(jì)70年代開始出現(xiàn)的，我國則是在20世紀(jì)80年代開始使用，并在近年來得到廣泛應(yīng)用[1]。

土釘是指植入土中并注漿形成的承受拉力與剪力的桿件[2]。一般是通過鉆孔、插筋、注漿來設(shè)置，但也可通過直接打入較粗的鋼筋或型鋼形成土釘。土釘沿通長與周圍土體接觸，依靠接觸界面上的黏結(jié)摩阻力，在土體變形的條件下被動受力，并主要通過其受拉工作對土體進(jìn)行加固和錨固，而土釘之間變形則通過面板（通常為配筋噴射混凝土）予以約束，要求被加固土體具有一定的自穩(wěn)能力。試驗表明：用土釘支護(hù)的直立基坑側(cè)壁在坑頂?shù)某休d能力約比素土坑壁提高一倍以上，在受荷載過程中不會發(fā)生像素土坑壁那樣突發(fā)性的滑塌（見圖1）[1]。

圖 1 素土坑壁與土盯支護(hù)的坑壁的破壞形態(tài)[1]

我省地處中原，很少遇到淤泥、淤泥質(zhì)土等軟土，在建筑基坑支護(hù)中，土釘是一種應(yīng)用最廣泛的支護(hù)形式。

2 兩個概念

在現(xiàn)行的各種基坑支護(hù)規(guī)范中，對于土釘這種支護(hù)形式存在土釘支護(hù)和土釘墻兩個不同的概念，其定義為：

土釘支護(hù)—由混凝土面板和土釘組成的支護(hù)結(jié)構(gòu)。側(cè)向土壓力通過面板和土釘傳遞至基坑外圍的穩(wěn)定巖土體，依靠外圍穩(wěn)定的巖土體保持邊坡穩(wěn)定并限制其變形的支護(hù)形式[3]。

土釘墻—由隨基坑開挖分層設(shè)置的、縱橫向密布的土釘群、噴射混凝土面層及原位土體組成的支護(hù)結(jié)構(gòu)[2]。

筆者認(rèn)為，雖然上述兩個概念都是以土釘作為加固和錨固構(gòu)件，但在設(shè)計理念上是有所不同的。土釘墻引入的是重力式擋土墻的設(shè)計理念，把土釘加固后的土體作為一個整體，按重力式擋土墻進(jìn)行設(shè)計，把土釘作為一種土體加筋，要求土釘密而短，土釘長度一般為基坑深度的0.6～1.2倍[4]，單一土釘墻用于加固的基坑深度不能太深，一般不超過12m[2]；土釘支護(hù)按錨桿的設(shè)計理念，在考慮土釘對原位土體的加固作用的同時，更重視土釘在穩(wěn)定巖土體中的錨固作用，在施工技術(shù)允許的條件下盡量把土釘做得長一些，適用的基坑深度可以更大（如文獻(xiàn)[4]規(guī)定：采用以鋼筋作為中心釘體的鉆孔注漿型土釘，基坑的深度不宜超過21m）。

從作用機理上，土釘與錨桿沒有本質(zhì)區(qū)別，所不同的是為控制變形錨桿都要施加很大的預(yù)應(yīng)力（文獻(xiàn)[2]規(guī)定錨桿鎖定值宜取錨桿軸向拉力標(biāo)準(zhǔn)值的0.75～0.9倍）。為了使預(yù)應(yīng)力明確施加于穩(wěn)定巖土體中，在理論滑動面以內(nèi)需設(shè)置自由段，自由段一般不注漿。此外，錨桿一般與擋土構(gòu)件（如排樁、地下連續(xù)墻等）聯(lián)合使用。土釘為全長注漿，一般不施加或施加很小的預(yù)應(yīng)力，且單獨使用的較為普遍。

3 土釘與錨桿的設(shè)計計算方法對比

按照文獻(xiàn)[2]的設(shè)計計算方法，土釘與錨桿的承載力和穩(wěn)定性的設(shè)計驗算過程沒有本質(zhì)的區(qū)別。

3.1 土釘與錨桿的抗拔和抗拉承載力驗算

3.1.1 土釘抗拔與抗拉承載力驗算

土釘?shù)目拱纬休d力按式（1）計算。

式中：Kt—土釘抗拔安全系數(shù)；

Nk，j—第j層土釘?shù)妮S向拉力標(biāo)準(zhǔn)值（kN）；

Rk，j—第j層土釘?shù)臉O限抗拔承載力標(biāo)準(zhǔn)值（kN），一般按下式計算：

dj—第j層土釘?shù)腻^固體直徑（m）；

qsik—第j層土釘在第i層土的極限黏結(jié)強度標(biāo)準(zhǔn)值（kPa）；

li—第j層土釘在滑動面外第i土層中的長度（m）。計算單根土釘極限抗拔承載力時，取圖2所示的直線滑動面。

圖 2 土釘抗拔承載力計算圖示

土釘桿體的受拉承載力按式（3）計算。

式中：Nj—第j層土釘?shù)妮S向拉力設(shè)計值（kN）；fy—土釘桿體的抗拉強度設(shè)計值（kPa）；

圖 3 錨桿抗拔承載力計算圖示

As—土釘桿體的截面面積（m2）。

錨桿抗拔與抗拉承載力驗算

3.1.2 錨桿的極限抗拔承載力按式（4）計算。

式中：Kt—錨桿抗拔安全系數(shù)；

Nk—錨桿軸向拉力標(biāo)準(zhǔn)值（kN）；

Rk—錨桿極限抗拔承載力標(biāo)準(zhǔn)值（kN），按下式計算：

d—錨桿的錨固體直徑（m）；

li—錨桿的錨固段在第i土層中的長度（m）；錨固段長度（la）為錨桿在理論直線滑動面以外的長度（圖3）；

qsik—錨固體與第i土層之間的極限黏結(jié)強度標(biāo)準(zhǔn)值（kPa）；

（2）錨桿桿體的受拉承載力按式（6）計算。

式中：N—錨桿軸向拉力設(shè)計值（kN）；

fpy—預(yù)應(yīng)力鋼筋抗拉強度設(shè)計值（kPa）；

Ap—預(yù)應(yīng)力鋼筋的截面面積（m2）。

從以上比較可以看出，土釘與錨桿的承載力計算大同小異。

3.2 土釘支護(hù)穩(wěn)定驗算

土釘支護(hù)整體穩(wěn)定性驗算與素土坑壁一樣可按圓弧滑動面采用普通條分法（圖4），所不同的是在破壞面上需要計入土釘?shù)淖饔谩?/p>

3.2.1 采用圓弧滑動條分法時，其整體穩(wěn)定性式（7）和式（8）計算：

式中：Ks—圓弧滑動整體穩(wěn)定安全系數(shù)；

Ks，i—第i個滑動圓弧的抗滑力矩與滑動力矩的比值。通過搜索不同圓心及半徑的所有潛在滑動圓弧確定；

圖 4 土盯支護(hù)整體穩(wěn)定性驗算

bj—第j土條的寬度（m）；

qj—作用在第j土條上的附加分布荷載標(biāo)準(zhǔn)值（kPa）；

ΔGj—第j土條的自重（kN），按天然重度計算；

θj—第j土條滑弧面中點處的法線與垂直面的夾角（°）；

R′k，k—第k層土釘對圓弧滑動體的極限拉力值（kN）。取土釘在滑動面以外的錨固體極限抗拔承載力標(biāo)準(zhǔn)值與桿體受拉承載力標(biāo)準(zhǔn)值的較小值，取圓弧滑動面以外的長度；

αk—第k層土釘?shù)膬A角（°）；

θk—滑弧面在第k層土釘處的法線與垂直面的夾角（°）；

sx，k—第k層土釘?shù)乃介g距（m）；

ψv—計算系數(shù)。

以上的整體穩(wěn)定性計算方法與錨拉式支護(hù)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性計算方法也是類似的（圖5）。

圖 5 錨桿支護(hù)圓弧滑動條分法整體穩(wěn)定性驗算

3.2.2 按土釘墻設(shè)計時的墻體穩(wěn)定性驗算

土釘墻墻體穩(wěn)定性驗算參照重力式擋墻的方法，分別計算簡化土墻的抗滑穩(wěn)定性、抗傾覆穩(wěn)定性和墻底部土的承載能力，如圖6所示[4]。

圖 6 土盯墻墻體穩(wěn)定性分析[4]

該簡化土墻模型認(rèn)為，當(dāng)土釘達(dá)到一定密度時所形成的復(fù)合體會出現(xiàn)類似錨定板群錨現(xiàn)象中的破裂面后移現(xiàn)象，在土釘加固范圍內(nèi)形成一個“土墻”，在內(nèi)部自身穩(wěn)定得到保證的情況下，它的作用類似重力式擋墻，因此，用重力式擋墻的穩(wěn)定性分析方法對土釘墻進(jìn)行分析。

實際土釘支護(hù)設(shè)計中，很多情況下各皮土釘設(shè)計長度差別比較大，簡化為土墻時墻的厚度和傾角都不容易確定（見圖7）。且在實際工程中，由于現(xiàn)在土釘設(shè)計的都比較長，很少見到土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)作為一個整體失穩(wěn)破壞的情況。因此，我們認(rèn)為土釘支護(hù)作為重力式擋墻進(jìn)行穩(wěn)定性驗算的意義不大。在各種基坑支護(hù)規(guī)范中，有些有這方面的要求（如文獻(xiàn)[4]），多數(shù)則沒有。

3.3 工程實例

圖7是一個簡單的基坑工程設(shè)計實例。從圖中可以看出，土釘長度沿深度分布還是比較合理的，土釘最小長度5.0m，最大13.0m，這樣的土釘長度沿深度分布很難簡化成“擋土墻”。表1的土釘抗拔、抗拉承載力驗算和表2的整體穩(wěn)定性驗算都與重力式擋墻沒有關(guān)系。

圖 7 土釘支護(hù)計算簡圖

圖 8 土釘與面層的螺桿、螺母加墊板連接方式

表 1 土釘抗拔、抗拉承載力驗算結(jié)果

安陽市某基坑，深度13.8m，采用單一土釘支護(hù)，使用期限超過三年。使用過程中除因?qū)τ晁偷叵滤幚聿划?dāng)，坡腳處因積水的浸泡發(fā)生過局部坍塌外，沒有坑壁整體失穩(wěn)現(xiàn)象的發(fā)生。

表 2 土釘支護(hù)整體穩(wěn)定驗算結(jié)果

在以往的土釘支護(hù)基坑事故中，很少見到因土釘?shù)陌纬龆Х€(wěn)的，大部分事故是土釘與面層拉脫造成的。因此，對于用于較深基坑的土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)，要加強土釘與面層連接節(jié)點的設(shè)計和施工，必要時采用螺桿、螺母加墊板的連接方式（見圖8），并用扳手?jǐn)Q緊螺母，使土釘產(chǎn)生一定的預(yù)應(yīng)力。

4 結(jié)語

通過以上分析可以看出，土釘墻與土釘支護(hù)在設(shè)計理念上是不同的。前者是按重力式擋墻設(shè)計，土釘密而短，由于受到重力式擋墻的抗傾覆、抗滑移和整體穩(wěn)定性的限制，墻的高度不可能過大，因此，適合的基坑支護(hù)深度一般不大；后者按錨桿的設(shè)計理念進(jìn)行設(shè)計，重視土釘?shù)腻^固作用，在施工技術(shù)許可的條件下，盡量把土釘設(shè)計得長一些，基坑穩(wěn)定性驗算時只驗算整體穩(wěn)定性即可，不進(jìn)行抗傾覆和抗滑移驗算。在周圍環(huán)境對基坑變形要求不嚴(yán)的條件下，可適用于較深的基坑。

綜上所述，建議從概念上都叫土釘支護(hù)，土釘墻可作為土釘支護(hù)的一種設(shè)計方法。對于較淺的基坑，可設(shè)計成短而密的土釘，按重力式擋墻進(jìn)行設(shè)計，以方便于施工；對于較深的基坑，設(shè)計成較長的土釘，充分發(fā)揮土釘在穩(wěn)定巖土體中的錨固作用，以保證基坑的整體穩(wěn)定性。這種概念上的統(tǒng)一，可以大大拓展土釘這種支護(hù)形式的使用空間，為建筑基坑支護(hù)節(jié)約投資和工期。

[1]龔曉南.基礎(chǔ)工程[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

[2]中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程[S].（JGJ120-2012）.

[3]湖北省地方標(biāo)準(zhǔn).基坑工程技術(shù)規(guī)程[S]（DB42/T159-2012）.

[4]中華人民共和國國家軍用標(biāo)準(zhǔn).土釘支護(hù)技術(shù)規(guī)范[S].（GJB5055-2006）.

TU476

A

1671-0037（2014）09-84-3

閆國奇（1957.12-），男，高級工程師，注冊巖土工程師，研究方向：巖土工程勘察、設(shè)計、檢測和基礎(chǔ)工程教學(xué)。