田澤野，徐開華，湯雅萌

(中國公路工程咨詢集團(tuán)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(yīng)用土釘技術(shù)。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(hù)的應(yīng)用提供技術(shù)指導(dǎo)，該項目通過大量的現(xiàn)場試驗研究了土釘在施工和服役階段的行為，提出了土釘?shù)钠茐哪Ｊ胶驮O(shè)計準(zhǔn)則，摒棄了傳統(tǒng)的總安全系數(shù)法，提出分項系數(shù)法，詳細(xì)分析了釘、土、釘土界面在不同工況下的狀態(tài)和聯(lián)系，全部成果已出版為《Additif aux recommandations CLOUTERRE 1991》[1-2]等用于指導(dǎo)土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)建設(shè)。經(jīng)過法國標(biāo)準(zhǔn)化委員會調(diào)整，原法國設(shè)計規(guī)范NF P94-210，NF P94-220等已被最新版土釘和加筋支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范NF P94-270(2009)[3]取代。針對采用法國建筑標(biāo)準(zhǔn)的國家和地區(qū)，系統(tǒng)闡述了法國標(biāo)準(zhǔn)下土釘支護(hù)設(shè)計的原理和方法，以為該類結(jié)構(gòu)物的設(shè)計施工提供依據(jù)。

2 基本構(gòu)造

土釘墻主要由土釘、面層和排水系統(tǒng)三個部分組成。下面對土釘墻的基本構(gòu)造進(jìn)行詳細(xì)闡述。

2.1 土釘

土釘支護(hù)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(jié)構(gòu)最主要的受力構(gòu)件(如圖1)。土釘?shù)倪x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(jī)械成孔、插筋、注漿錨桿來設(shè)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(shè)對中支架。漿體材料可采用水泥漿或水泥砂漿，漿體強(qiáng)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(dāng)土釘應(yīng)用于腐蝕性土質(zhì)、雨水較多的地區(qū)，甚至要深入到地下水位以下時，應(yīng)對土釘進(jìn)行防腐處理?？筛鶕?jù)情況選用聚乙烯、聚丙烯塑料波紋套管或環(huán)氧涂層鋼筋。

圖1 土釘墻基本構(gòu)造

2.2 面板

噴射混凝土面板雖不屬于主要的擋土構(gòu)件，主要作用是穩(wěn)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(wěn)定性。土釘和面板的連接處要設(shè)置承壓鋼墊板或加強(qiáng)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(shè)置一條伸縮縫。為提高面板的強(qiáng)度，在面板內(nèi)可布置1～2層的鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)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(qiáng)度等級不宜低于C20，墻面可根據(jù)需要選擇材料進(jìn)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(chǎn)生靜水壓力，土體抗剪強(qiáng)度降低，導(dǎo)致釘、土之間的粘結(jié)力下降、墻面板受力增大，所以要在相應(yīng)的區(qū)域布置完善的排水系統(tǒng)。邊坡土釘墻排水系統(tǒng)可分成截水和排水兩大類：截水溝主要設(shè)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(shè)置排水孔，通過排水管排出坡體內(nèi)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(fā)育情況，通常選擇PVC管并設(shè)置反濾層，以免排水管的入水孔被堵塞。

3 設(shè)計原則和計算內(nèi)容

法國標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計原則與我國標(biāo)準(zhǔn)相似，都遵循極限狀態(tài)的理念。法國標(biāo)準(zhǔn)中推行結(jié)構(gòu)工程極限狀態(tài)(STR)和巖土工程極限狀態(tài)(GEO)，根據(jù)設(shè)計工況分成承載能力極限狀態(tài)(ELU)和正常使用極限狀態(tài)(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(tài)通過“方法2”和“方法3”進(jìn)行驗算，這兩種方法決定了不同的分項系數(shù)。“方法2”可以判定內(nèi)部穩(wěn)定性(STR)的分項系數(shù)的組合，“方法3”給出了整體(GEO)和組合(GEO和STR)的分項系數(shù)組合。根據(jù)規(guī)范NF EN 1990第3.2條，土釘墻計算要區(qū)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(guī)定。

根據(jù)規(guī)范NF P94-270的規(guī)定，土釘墻設(shè)計內(nèi)容主要包括土釘布置的方式和間距，土釘?shù)闹睆?、長度、傾角，噴射混凝土面板的設(shè)計，以及土釘墻內(nèi)部及總體穩(wěn)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(wěn)定性，即抗滑、抗傾覆及地基承載力。

驗算內(nèi)容概括如下：

(1)總體穩(wěn)定性：滑裂面穿過加強(qiáng)體外部；

(2)組合穩(wěn)定性：滑裂面穿過加強(qiáng)體內(nèi)部；

(3)內(nèi)部穩(wěn)定性：土釘抗拉、土釘抗拔、砌面結(jié)構(gòu)驗算。

對于總體、組合穩(wěn)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(jié)構(gòu)驗算，可采用法國軟件Geospar計算。

3.1 總體穩(wěn)定性

總體穩(wěn)定性，即把錨桿錨固區(qū)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(wěn)定性，即墻體外最不利滑裂面的安全系數(shù)，如圖2所示。穩(wěn)定性驗算不僅針對完工后的使用階段，還需進(jìn)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(wěn)定性?？傮w穩(wěn)定性驗算屬于GEO類型的極限狀態(tài)，根據(jù)設(shè)計方法3計算，需滿足以下判定標(biāo)準(zhǔn)：

圖2 總體穩(wěn)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(shè)計值(力或力矩)，kN或kN·m；Rst;d為滑動面上抗滑力設(shè)計值(力或力矩)，kN或kN·m；γR;d為土體抗剪強(qiáng)度分項系數(shù)。

3.2 組合穩(wěn)定性

組合穩(wěn)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(wěn)定性一樣，使用階段和施工階段的穩(wěn)定性都需要考慮。組合穩(wěn)定性以擋墻坡腳處為中心，考慮3倍的墻高范圍內(nèi)(±3 h)的穩(wěn)定性，如圖3。組合穩(wěn)定性屬于GEO和STR類型的極限狀態(tài)，采用設(shè)計方法3設(shè)計，判定標(biāo)準(zhǔn)和總體穩(wěn)定性相同。

圖3 組合穩(wěn)定性滑裂面及搜索范圍

3.3 內(nèi)部穩(wěn)定性

土釘結(jié)構(gòu)的內(nèi)部穩(wěn)定性主要考慮土釘自身斷裂發(fā)生的鋼筋破壞、釘—土間粘結(jié)力不夠破壞導(dǎo)致的抗拔破壞、釘—墻連接處的墻面破壞，按STR極限狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計。

(1)土釘抗拉強(qiáng)度驗算

判定標(biāo)準(zhǔn)

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(yīng)于彈性極限的材料分項系數(shù)；fy為鋼筋的彈性極限(屈服強(qiáng)度)，kPa。

ρdeg;y為折減系數(shù):

ρdeg;y=1-△Sγy—S0

(5)

式中：γy為分項系數(shù)；△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(guān)的，小于1的參數(shù)；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(qiáng)度的A值

(2)土釘抗拔強(qiáng)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(yīng)力，kPa；Ps為鉆孔周長，m；Ls為土釘?shù)挠行у^固長度，m；γM;f為安全系數(shù)。

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

(3)砌面結(jié)構(gòu)驗算

土釘墻的面板是多點支撐的連續(xù)板，支撐點間距比較小，采用多點支撐連續(xù)板的結(jié)構(gòu)力學(xué)分析法計算板的內(nèi)力。驗算內(nèi)容包括抗彎驗算、抗沖切驗算，具體參考混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)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(yīng)力計算值，kPa；σh;d為水平方向的應(yīng)力計算值，這里包含土體和其他作用效應(yīng)，kPa；α應(yīng)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(cè)向滑移導(dǎo)致坡面向開挖側(cè)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(guī)范NF P94-270評估邊坡頂部的位移建議采用數(shù)值模擬或經(jīng)驗法。數(shù)值模擬可以采用Plaxis有限元分析；規(guī)范中給出了經(jīng)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(jīng)驗系數(shù)，κ值估算可按表2取值。土釘墻砌面頂部外側(cè)位移的垂直分量dv和水平分量dh，有dv≈dh。

表2 不同土質(zhì)墻頂位移經(jīng)驗值

4 結(jié) 論

針對法國規(guī)范的土釘支護(hù)設(shè)計方法進(jìn)行了研究，得出如下結(jié)論。

(1)規(guī)范中考慮了土釘服役的耐久性問題，即環(huán)境對土釘?shù)母g作用，具體表現(xiàn)為土釘截面隨時間和環(huán)境的變化。

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

(3)法國規(guī)范計算要求比較詳細(xì)，對我國相關(guān)規(guī)范的完善具有借鑒意義。