鐘炎，傅勤安

(安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230022）

1 概 述

土釘墻技術(shù)是基坑工程常用的支護(hù)類型，合肥地區(qū)土質(zhì)較好適合用土釘支護(hù)，土釘技術(shù)因快速、簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)而得到青瞇。該支護(hù)先用小型鉆機(jī)開(kāi)鑿與坑壁接近垂直的深孔，然后向孔內(nèi)放入帶有支撐架的鋼筋體，再向孔內(nèi)高壓灌入水泥砂漿包裹住筋體滲入周圍土體孔隙中，在坡面鋪上鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)與土釘接觸處通過(guò)焊接或螺栓聯(lián)接緊密形成整體，最后在坡面噴射80mm以上厚度的混凝土面層。土釘?shù)念愋陀袚羧胧?、注漿擊入式、高壓噴射注漿土釘、鉆孔注漿釘?shù)?。釘體可以是螺紋鋼筋，較軟的土層可以擊入帶孔的角鋼、圓鋼、剛管等。

1990年美國(guó)召開(kāi)國(guó)際擋土學(xué)術(shù)會(huì)議正式將土釘墻作為獨(dú)立專題并列于土層錨桿，成為獨(dú)立的一門加固技術(shù)。隨著科技進(jìn)步，相應(yīng)工程軟件也在開(kāi)發(fā)中，進(jìn)入21世紀(jì)后人們普遍采用工程軟件計(jì)算和模擬預(yù)測(cè)，許多基坑工程軟件開(kāi)發(fā)了出來(lái)并且在原來(lái)基礎(chǔ)上改進(jìn)，例如Ansys、Flac、plaxis、理正深基坑、同濟(jì)啟明星軟件等等。土釘墻技術(shù)由理論、試驗(yàn)、加之計(jì)算機(jī)輔助軟件的輔助，其具有廣闊的應(yīng)用空間。

2 土釘墻的工作機(jī)理及特點(diǎn)

土體的抗剪、抗拉強(qiáng)度很低，但是土體具有一定的整體穩(wěn)定性，基坑開(kāi)挖在一定范圍內(nèi)土體能保持自立能力，當(dāng)超過(guò)臨界高度或地面超載時(shí)會(huì)發(fā)生破壞。土釘具有較高的抗拉抗剪強(qiáng)度，較大的彈性模量，在土體內(nèi)埋設(shè)密集的土釘，土釘與土體全長(zhǎng)緊密結(jié)合共同工作形成復(fù)合土體。由于土體和土釘形成復(fù)合土體共同受力，釘-土的相互作用使得土體受力性質(zhì)發(fā)生改變，被土釘加固的土體類似重力式擋土墻承受土體側(cè)向壓力，限制土體位移提高土體的剛度，彌補(bǔ)了土體抵抗荷載自身剛度、抗剪強(qiáng)度的不足，顯著增強(qiáng)了基坑邊坡整體穩(wěn)定性。

土釘墻不是靠自身結(jié)構(gòu)抵擋土壓力，土釘與周圍土體緊密結(jié)合形成復(fù)合加固土體。在圖示邊坡上取一小塊微元體，該微元體受到重力作用，重力沿坡面分解為滑動(dòng)力，沿垂直坡面分解為正壓力,正壓力乘內(nèi)摩擦角正切值等于摩擦力,摩擦力加上粘聚力就是抗滑力。當(dāng)作用于土體的摩擦力和粘聚力產(chǎn)生的抗滑力小于重力作用下的滑動(dòng)力后土體沿著坡面滑移。

當(dāng)土體進(jìn)入塑性狀態(tài)后，向周圍傳遞應(yīng)力使塑性變形區(qū)域擴(kuò)大，滑裂面進(jìn)一步擴(kuò)大為假想的圓弧形?；瑒?dòng)區(qū)內(nèi)的土體，在重力作用下產(chǎn)生繞圓心的力矩發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)土體的粘聚力產(chǎn)生的抗滑力矩和摩擦力產(chǎn)生的抗滑力小于重力力矩時(shí)，力矩不平衡造成土體下滑發(fā)生整體性破壞。在即將產(chǎn)生滑動(dòng)面土體中插入土釘,則滑動(dòng)面附近的土體抗剪強(qiáng)度得到了提高,摩爾庫(kù)倫包絡(luò)線向上平移使原本與摩爾應(yīng)力圓相交變?yōu)檫h(yuǎn)離不相交,土體從臨界破壞狀態(tài)轉(zhuǎn)為彈性狀態(tài),延緩了土體塑性變形區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大,阻止土體繼續(xù)開(kāi)裂,使土體潛在的滑動(dòng)面向邊坡深層緩慢發(fā)展。

3 土釘?shù)淖饔?/h2>

①土釘提供拉力Tk增強(qiáng)了土體的抗剪強(qiáng)度，土釘提供的拉力在沿滑動(dòng)面法線方向上增加了正壓力,正壓力與土體內(nèi)摩擦角正切值相乘便是抗滑動(dòng)力，因此拉力增大了土體抗剪強(qiáng)度。

②土釘?shù)募袅s對(duì)土體抗剪強(qiáng)度起到補(bǔ)強(qiáng)作用，土釘?shù)目箯澘辜魪?qiáng)度較高，土釘剪力分量一方面會(huì)沿滑動(dòng)面切向上增加抗滑動(dòng)力，一方面向其法線方向分量減小土體沿滑動(dòng)面正壓力，綜合考慮土釘?shù)募袅?duì)抗剪強(qiáng)度起到補(bǔ)強(qiáng)作用的，土釘埋設(shè)方向越是靠近沿滑動(dòng)面外法線方向，抗剪強(qiáng)度就越大。如圖2所示在滑動(dòng)面兩側(cè)分布著土體剪切力使土釘受彎，土釘靠自身剛度產(chǎn)生反力矩M。

③土釘與土的相互作用：在同樣的素土邊坡坡頂施加荷載土體很快發(fā)滑裂、塌落。在素土上施加土釘后發(fā)現(xiàn)土釘?shù)倪吰鲁休d力明顯提高，說(shuō)明加入土釘后的邊坡整體抗剪強(qiáng)度和剛度得到提高。

④土釘水泥漿固化土體：通過(guò)高壓注漿會(huì)讓土釘中的水泥漿液充填周圍土體縫隙中，注入土體中的水泥礦物和水發(fā)生的水化反應(yīng)生成含鈣離子與黏土顆粒表面的鈉、鉀離子交換作用形成團(tuán)粒結(jié)構(gòu)使土體強(qiáng)度提高。

⑤釘間土體成拱效應(yīng)：在一定水平間距的兩土體在側(cè)壓力作用下會(huì)發(fā)生變形趨勢(shì)，當(dāng)土質(zhì)條件較好時(shí)土體會(huì)把受到的側(cè)壓力傳遞給兩邊的土釘體，釘土間的相互作用會(huì)發(fā)生“土拱效應(yīng)”，“土拱效應(yīng)”影響因素主要包括土質(zhì)、土的剛度、土釘間的間距。

4 土釘墻技術(shù)的局限性

土釘墻的優(yōu)點(diǎn)很多：安全可靠，施工工藝簡(jiǎn)單，縮短工期、經(jīng)濟(jì)效益好等，但是土釘墻技術(shù)也具有一定的局限性，具體表現(xiàn)為如下幾點(diǎn)。

①土釘位置必須避開(kāi)周圍建筑基礎(chǔ)、地下管道限制。場(chǎng)地周圍建筑和地下管網(wǎng)密集地區(qū)，土釘桿體容易超出紅線范圍對(duì)周邊地基會(huì)產(chǎn)生干擾。

②結(jié)構(gòu)剛度越大就越不容易變形，土釘墻的剛度比其他支護(hù)結(jié)構(gòu)差且變形較難控制，深基坑中為控制變形可以增加土釘長(zhǎng)度、密度，但是克服不了土釘蠕變、漸進(jìn)性變形，并且造價(jià)會(huì)提高。

③在地下水位高的場(chǎng)地采用排水措施不可避免的會(huì)造成水土流失，可能引發(fā)建筑物下沉。若使用止水帷幕加以輔助也并不能完全隔水，止水帷幕起到減小地下水滲流速度、阻止地下水自由滲流、改變線流軌跡等作用，但是不能完全隔水。在高水位地區(qū)采取降水措施會(huì)導(dǎo)致周邊地基沉降，因而限制了單一土釘墻發(fā)展。

④土釘墻隨基坑開(kāi)挖分層分段施工，每開(kāi)挖一層坡面后在土釘墻未施工好前，坑壁土體需保持一定自立能力，因而土釘主要適用于地下水位低于開(kāi)挖層或經(jīng)過(guò)降水處理使地下水位低于開(kāi)挖面處的情況，對(duì)于無(wú)粘結(jié)性的砂土和雜填土以及沒(méi)有臨時(shí)自穩(wěn)能力的淤泥土層不宜適用。

5 微型樁復(fù)合土釘墻技術(shù)的加固機(jī)理

5.1 新型土釘墻復(fù)合支護(hù)類型

土釘墻屬于柔性支護(hù)，其控制基坑變形能力不強(qiáng)。合肥地區(qū)雖然土質(zhì)較好但是單一用土釘墻深度不應(yīng)超過(guò)12m。再者土釘沒(méi)有止水功能，地下水位較高或地表滲水量較大時(shí)不宜用土釘支護(hù)。土釘含水量增加使土體內(nèi)摩擦角減小、抗剪強(qiáng)度減弱，而且地下水的存在使土釘成孔困難。為了滿足工程需要出現(xiàn)了復(fù)合土釘支護(hù)，常見(jiàn)復(fù)合土釘墻有3種形式：一是攪拌樁復(fù)合土釘墻；二是預(yù)應(yīng)力錨桿復(fù)合土釘墻；三是微型樁復(fù)合土釘墻。

5.2 微型樁復(fù)合土釘墻技術(shù)

合肥地區(qū)地下水位較低，加之土質(zhì)較好一般不需要做止水帷幕輔助措施。在深基坑工程中常用到微型樁復(fù)合土釘墻支護(hù)，這種方法是在基坑開(kāi)挖前沿開(kāi)挖線按一定間距布置垂直打入鋼管，向鋼管內(nèi)注漿形成微型樁，基坑開(kāi)挖時(shí)按設(shè)計(jì)要求挖土方并與土釘配合流水施工，分層分段開(kāi)挖與土釘支護(hù)，微型樁在基坑開(kāi)挖過(guò)程中起到抵擋邊坡土體變形與分擔(dān)部分土壓力，對(duì)土體保持自穩(wěn)能力起到關(guān)鍵作用。

微型樁復(fù)合土釘墻加固機(jī)理有兩部分：一是土釘墻加固作用，二是微型樁對(duì)土釘對(duì)土體的加固作用。微型樁作為聯(lián)合支護(hù)體系中主要受力構(gòu)件之一，不同情況下微型樁可能受剪、受壓、受拉作用。微型樁作用機(jī)理可以分以下探討。

①改善邊坡初始土應(yīng)力場(chǎng)：微型樁與土體材料強(qiáng)度上差異，對(duì)周圍土體強(qiáng)度起到增強(qiáng)作用，約束土體的變形。由于微型樁是在土釘墻施工前置入的，對(duì)土釘在放置前裸坡位移變化增強(qiáng)土體自立性，對(duì)施工有利。

②保證基坑變形量控制在安全范圍：土釘墻允許土體產(chǎn)生一定的變形，微型樁包裹在土體中開(kāi)挖過(guò)程中有效減小變形，特別是在深基坑工程中對(duì)邊坡不會(huì)產(chǎn)生大的位移，而且由于土體應(yīng)力釋放邊坡產(chǎn)生水平側(cè)向土壓力，微型樁抵擋住一部分土壓力使邊坡變形不至于過(guò)大。

③微型樁土拱效應(yīng)：基坑開(kāi)挖過(guò)程中基坑會(huì)產(chǎn)生側(cè)向位移，相鄰微型樁間土體有向外排出的趨勢(shì)，但樁與土體間存在摩阻力導(dǎo)致產(chǎn)生土拱效應(yīng)。樁間土體擠壓周圍土體，周圍土體形成水平方向主應(yīng)力作用于樁間土，地基土側(cè)壓力傳遞給樁，從而樁承擔(dān)了很大部分受力，保證了樁間土體的穩(wěn)定，其大小受樁間距、土質(zhì)等因素影響。

④微型樁可以提高坑底穩(wěn)定性：微型樁有效提高開(kāi)挖中土體保持自立能力，當(dāng)基坑底部存在較軟的土層時(shí)，往往需要解決坑底承載力及抗隆起穩(wěn)定問(wèn)題。秦會(huì)來(lái)、周同和等人在對(duì)微型樁復(fù)合土釘墻坑底穩(wěn)定性分析時(shí)用有限元分析軟件plaxis建立三維有限元模型：樁徑200mm嵌固深度分別為1m、6m；樁徑600mm嵌固深度1m、6m模型軟件模擬試驗(yàn)。分析結(jié)果顯示微型樁嵌固于下層較好土層中通過(guò)樁間摩擦力能有效控制樁水平滑移，嵌固深度深度越深樁體剛度增大，有效阻止軟弱土層向坑底滑動(dòng)隆起；其次樁徑的增大也提高了樁體的剛度、強(qiáng)度。

6 結(jié) 語(yǔ)

土釘墻技術(shù)是一項(xiàng)具有廣闊發(fā)展前景的新技術(shù)，隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，土釘技術(shù)應(yīng)用越廣泛，對(duì)土釘墻技術(shù)的研究也將越深入，目前土釘墻還有待進(jìn)一步研究，例如土釘墻變形問(wèn)題、土釘質(zhì)量的無(wú)損檢測(cè)、組合技術(shù)應(yīng)用、施工過(guò)程變形監(jiān)測(cè)等等。

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