趙景琳，盧 波，劉東旭

（中冶地勘巖土工程有限責任公司,河北廊坊065200）

我國城市化進程的迅速發(fā)展,使得城市建設(shè)過程中出現(xiàn)較多的基坑工程。為保證土方開挖安全,支護體系必須滿足相應(yīng)的剛度與穩(wěn)定性要求,能夠抵抗地層中產(chǎn)生的主動土壓力,以減少甚至避免坑壁產(chǎn)生變形,從而保證施工安全。

在傳統(tǒng)的基坑邊坡防護工程中,土釘墻支護體系具有廣泛的應(yīng)用場景[1-2]。土釘支護時一般都會噴射混凝土,故也叫錨噴支護,基本的工序流程包括先逐層開挖基坑土方,再依次安插一定間距的土釘（鋼筋）,以達到土體加筋作用,接著在土坡上綁扎成品鋼筋網(wǎng),最后噴射混凝土材料形成邊坡面層。對于常規(guī)的土釘支護結(jié)構(gòu)而言,其主要由被加固的土體、伸入土體的土釘以及邊坡面層三部分構(gòu)成,形成能夠起到擋土功能的類似重力墻結(jié)構(gòu),并具備自穩(wěn)定性,從而使基坑或邊坡穩(wěn)定。土釘墻在實際邊坡防護中具有較多的應(yīng)用優(yōu)勢,如造價成本低、對環(huán)境影響小、結(jié)構(gòu)較為輕便、能充分發(fā)揮土體自承能力以及施工占地面積少等[3]。

對于土釘墻支護體系中的面層而言,以往大多采用“灰色”的混凝土材料,而混凝土材料在生產(chǎn)與應(yīng)用過程中均有大量污染物質(zhì)產(chǎn)生,不利于環(huán)境保護,也不符合綠色施工理念[4-5]。因此,采用綠色的柔性面層材料用于替代傳統(tǒng)混凝土面層的新型土釘墻支護體系具有廣闊的研究與應(yīng)用前景[6]。本文就柔性復(fù)合材料——土工合成材料在新型土釘墻支護體系結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用進行了介紹,闡述了利用土工格柵、土工布以及復(fù)合土工布等材料形成柔性面層的土釘墻構(gòu)成與工作原理,同時依托工程實踐,探討了柔性復(fù)合材料面層的支護效果。

1 柔性復(fù)合材料概述

復(fù)合材料一般由兩種及以上不同性質(zhì)的物質(zhì)以特定方式結(jié)合而成,屬于新型材料,在應(yīng)用中也被稱為高性能組合材料。經(jīng)組合而成的復(fù)合材料,除沿襲各組分材料的獨特優(yōu)點外,還具備單一材料所沒有的綜合性能。在微觀層面,復(fù)合材料的各組分材料以某種特定方式實現(xiàn)融合,融合中存在著顯著的界面,且于界面處相互發(fā)生作用力,屬于不均勻材料,其特性主要由基體、增強體以及兩者間的復(fù)合方式?jīng)Q定。

按照剛性大小不同,復(fù)合材料可分為剛性復(fù)合材料與柔性復(fù)合材料。其中,柔性復(fù)合材料的剛度較小,具備一定的彈性與變形延性,其主要是在紡織基布的基礎(chǔ)上,通過涂層等工序而制成,應(yīng)用中也叫作膜結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。作為一種增強材料,紡織基布所形成的復(fù)合材料性能優(yōu)異,具有材質(zhì)柔軟、防水能力強以及強度高等特點。

作為建設(shè)工程領(lǐng)域應(yīng)用較為頻繁的一類柔性復(fù)合材料,土工合成材料的產(chǎn)品較為多樣化,可以塑造出各種特定形狀。在生產(chǎn)中,合成橡膠、化學(xué)纖維或塑料等均可作為制作原料。土工合成材料可用于土體表面、內(nèi)部或銜接處,起到加強或保護土體的功能。根據(jù)規(guī)范,土工合成材料主要分為土工膜、土工織物、土工特種材料及土工復(fù)合材料等四種。其中,土工膜的不透水性能優(yōu)異,彈性大、耐老化好,不同環(huán)境下的適應(yīng)能力強,其突出的防滲與防水特性,使其在蓄水池、水電站等水利工程中應(yīng)用廣泛[7]；土工織物重量小、抗拉強度高、耐腐蝕性好,且抗微生物侵蝕能力強,常用于加筋墊層或道路防裂措施中[8]；土工特種材料成品種類繁多,如土工膜袋、膨潤土墊、土工格柵以及三維植被網(wǎng)等,可用于土體加筋、護坡加固或地基處理等[9]；土工復(fù)合材料種類較廣,如復(fù)合土工膜、復(fù)合土工織物及塑料排水管等,一般具有成本較低、施工便捷、排水性能優(yōu)良等特點,可用于排水加固工程,以提高軟基承載力,減少地基沉降[10]。

2 柔性復(fù)合材料面層土釘墻

柔性復(fù)合材料面層土釘墻區(qū)別于傳統(tǒng)土釘墻之處,主要在于其邊坡面層并非為原先的鋼筋網(wǎng)噴混凝土形式,而是柔性復(fù)合材料（主要為土工合成材料,見圖1）。柔性復(fù)合材料面層土釘墻支護體系能省去傳統(tǒng)鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)與噴射混凝土等繁雜的工序,提高基坑支護施工效率,加快施工進度。同時,所用材料節(jié)能環(huán)保,可在有效控制基坑邊坡變形的同時,降低基坑支護造價,是一種新型的邊坡支護體系[11]。

圖1 柔性復(fù)合材料面層土釘墻支護體系Fig. 1 Flexible composite surface soil nailing wall support system

2.1 體系構(gòu)成

柔性復(fù)合材料面層土釘墻大致由三部分構(gòu)成,即土釘、柔性復(fù)合材料面層以及兩者之間的連接結(jié)構(gòu)。在支護過程中,三者相互制約、協(xié)同受力,共同發(fā)揮作用,減少邊坡變形。在新型柔性面層土釘墻中,所謂的柔性面層一般是指具有一定張力的柔性復(fù)合材料,包括土工織物、土工膜或土工特種材料等各種土工合成材料,均可根據(jù)實際情況進行應(yīng)用,常見的柔性復(fù)合材料產(chǎn)品如圖2所示。

圖2 常見的柔性復(fù)合材料產(chǎn)品Fig. 2 Common flexible composite products

與以往的鋼筋混凝土面層相比,土工合成材料屬于柔性復(fù)合材料,使用過程中的延展性良好,在鋪設(shè)過程中可對其預(yù)加一定的預(yù)應(yīng)力,使其與坡面緊密貼合,起到保護邊坡的功能。

2.2 工作原理

在工作原理方面,柔性復(fù)合材料面層土釘墻與傳統(tǒng)工藝并沒有太大的差異。在工程實踐中,完成土釘墻支護后,隨著土方開挖,坑壁內(nèi)部的土體有向坑內(nèi)滑動的趨勢,由此對支護體系產(chǎn)生作用力。其中,錨桿會通過深部穩(wěn)定土體的錨固作用產(chǎn)生抵抗該種變形的拉力,而柔性復(fù)合材料面層則既可起到穩(wěn)定錨桿間土體的作用,并將所受到的作用力傳遞至滑動范圍以外的錨桿,同時也能依靠自身張力保證局部土坡的穩(wěn)定,其工作原理如圖3所示。

圖3 柔性復(fù)合材料面層邊坡支護體系的工作原理Fig. 3 Working principle of flexible composite surface slope support system

3 基于柔性復(fù)合材料面層的土釘墻支護應(yīng)用

某工程位于我國東部沿海地區(qū),擬建的建筑物包括居民樓、購物大廈以及地下停車庫等。其中地下停車庫的建筑面積約為35000m2。該工程的基坑挖深普遍在4～9 m之間,適合采用土釘墻支護,支護周長約1000m,設(shè)計使用期限為一年。項目地質(zhì)勘察資料顯示,施工現(xiàn)場地層分布較穩(wěn)定,大致包含7個土層,各土層的物理力學(xué)參數(shù)詳見表1。

表1 各土層物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of each soil layer

3.1 支護方案設(shè)計

根據(jù)規(guī)范,本基坑安全等級為二級?；映尸F(xiàn)不規(guī)則形狀（如圖4所示）,實際施工時,為兼顧基坑安全與造價成本,將基坑分為7個支護單元,劃分考慮因素主要為附近環(huán)境、地質(zhì)狀況及土方挖深等。本基坑的主要支護方案為土釘墻與復(fù)合土釘墻。

圖4 基坑形狀與監(jiān)測點位示意Fig. 4 Schematic diagram of foundation pit shape and monitoring points

本工程南邊的地下停車庫外墻邊線距離用地紅線較遠,現(xiàn)場施工場地較充裕,具備放坡支護條件。因此,本工程擬在基坑南側(cè)的EFG區(qū)段采取以柔性復(fù)合材料為面層的新型土釘墻支護體系,擯棄傳統(tǒng)的混凝土材料形式。EFG區(qū)段邊坡的長度約為244m。EFG區(qū)段邊坡的放坡比例為1：1.2,支護設(shè)計采取5排坡面土釘與1排坡頂土釘形式,如圖5所示。其中,坡面土釘設(shè)計直徑為2cm,土釘長1.5m,水平與垂直間距均為1.5m。坡頂土釘采取擊入式,直徑為2cm,土釘長1.0m,水平間距為2.0m。坡面柔性面層采用復(fù)合土工布材料,如圖6所示,自邊坡坡頂向坡底依次展開鋪設(shè)。復(fù)合土工布每幅寬6m,鋪設(shè)時在坡頂處外延1.5m,并采用尼龍繩對坡面的分幅復(fù)合土工布格柵進行縫合處理,保證形成整體。本工程所用柔性復(fù)合材料由短纖土工布與雙向塑料土工格柵熱合制成。為保證柔性復(fù)合材料面層的綜合性能,防止邊坡失穩(wěn),選取的短纖土工布規(guī)格為400g,雙向塑料土工格柵的抗拉、抗裂強度均為50kN/m,伸長率約為14%。本工程柔性復(fù)合材料面層的鋪設(shè)面積約為3000m2。

圖5 EFG邊坡支護設(shè)計剖面圖 Fig. 5 Design section of EFG slope support

圖6 復(fù)合土工布格柵 Fig. 6 Composite geotextile grid

3.2 支護體系穩(wěn)定性驗算

3.2.1 整體穩(wěn)定性

對于二級基坑,為保證其整體穩(wěn)定性,分析時按規(guī)范取圓弧滑動整體穩(wěn)定安全系數(shù)為1.3。借助圓弧滑動條分法,通過遍歷各滑動圓弧,從中找出抗滑力矩與滑動力矩的最小比值,判斷其是否滿足規(guī)程中相應(yīng)公式的要求。

以基坑最大挖深8.37m為例,土方開挖共分為四步。通過采用相應(yīng)軟件進行穩(wěn)定性計算可知,各土方開挖工況下,抗滑力矩與滑動力矩之比分別為1.546、1.747、1.753、1.596,均大于1.3的安全系數(shù),故整體穩(wěn)定性滿足要求。

3.2.2 平行于坡面的抗滑安全性

針對平行于坡面的抗滑安全性,主要基于文獻[12]中的GTC主動加固系統(tǒng),即高強度鋼絲格柵的作用原理進行驗算,即Sd≤SR/Fs,其中,Sd為錨桿最小抗剪力設(shè)計值,SR為錨桿極限抗剪能力值,Fs為抗純剪安全系數(shù)。

本工程采用土釘墻,且所涉及土層主要為中粗砂。因此,計算時不考慮預(yù)應(yīng)力和粘聚力。經(jīng)驗算,本工程中的Sd為13.52kN,SR/Fs=37.39kN,表明抗滑安全性滿足要求。

由上述安全性驗算[13]可知,為保證基坑和周邊建（構(gòu)）筑物的安全,對基坑邊坡采用柔性土工合成材料面層的土釘墻系統(tǒng)具備理論可操作性。

3.3 支護工藝

在工程實踐中,柔性復(fù)合材料面層土釘墻支護體系省去了傳統(tǒng)土釘墻中的鋼筋網(wǎng)綁扎與混凝土噴射工序,極大縮短了支護工期,其具體工藝流程為：按坡率開挖土方,形成放坡面→清理坡面雜物,保證平整→坡頂處插打擊入式土釘,自上而下鋪展土工材料→澆灌坡頂處混凝土→插打坡面第1道土釘→攤鋪土工材料→綁扎加強筋→隨土方開挖,依次安插土釘、鋪設(shè)柔性土工面層→于坡腳處采用砂袋壓固。

在柔性復(fù)合材料面層鋪設(shè)時（圖7）,為保證面層施工質(zhì)量,應(yīng)重點落實過程控制,具體為：

圖7 柔性復(fù)合材料面層鋪設(shè)現(xiàn)場Fig. 7 Laying site of flexible composite surface course

（1）在鋪設(shè)復(fù)合材料時,可預(yù)加一定程度的張拉力,使材料面層保持受拉狀態(tài),緊密貼合于邊坡表面,形成局部受力整體。土工復(fù)合材料面層的單元幅之間采用尼龍繩接合,搭接長度不得小于25cm。

（2）鋪設(shè)土工合成材料前,為避免坡面處的尖銳物劃破面層材料,需先進行平整除雜工作。

3.4 支護效果

本案例工程從基坑土方開挖施工之前至基礎(chǔ)回填完成,在200天的地下室施工期間持續(xù)進行了基坑監(jiān)測。監(jiān)測點布置在EFG區(qū)段邊坡坡頂。由采集獲得的監(jiān)測數(shù)據(jù)可知,基坑在起初的土方開挖與支護施工階段,各變形數(shù)據(jù)有顯著增大,但隨著開挖結(jié)束以及結(jié)構(gòu)的回筑,水平位移與豎向沉降曲線趨于平緩,直至保持基本穩(wěn)定。其中,最大水平位移為8.98mm,最大沉降值為7.8mm。另外,通過基坑現(xiàn)場的巡視觀察,發(fā)現(xiàn)基坑周邊無裂縫發(fā)生,也沒有流砂、管涌等不良災(zāi)害,表明基坑處于穩(wěn)定可控狀態(tài)。

4 柔性復(fù)合材料面層土釘墻的支護效益

柔性復(fù)合材料面層土釘墻支護體系在實踐中施工便捷、綠色環(huán)保,能有效縮短施工工期。通過案例基坑工程的監(jiān)測數(shù)據(jù)可看出,與傳統(tǒng)鋼筋混凝土面層相比,使用新型的復(fù)合材料柔性面層具有明顯的經(jīng)濟與社會效益。

（1）使用柔性土工合成材料面層代替鋼筋混凝土材料,只需在修整好的坡面上進行鋪設(shè)、張緊即可,節(jié)省鋼筋綁扎與混凝土噴射工序,避免了混凝土養(yǎng)護等強時間,大幅加快施工進度,提高施工效率。

（2）對于土釘墻而言,采用柔性復(fù)合材料面層的支護造價較低。以本工程為例,傳統(tǒng)土釘墻支護中的鋼筋網(wǎng)一般為?6.5mm@200mm,混凝土等級C20,厚度80mm,根據(jù)市場價計算,可得綜合造價為85元/m2。而采用柔性土工合成材料面層時,本工程基坑坡面的支護總面積約為3616m2,計算可得綜合造價為40元/m2。由此可知,本工程采用新型土工合成材料柔性面層的土釘墻支護體系可降低造價約53%。

（3）在支護過程中,傳統(tǒng)的鋼筋混凝土面層需要機具或器械來配合現(xiàn)拌、噴射等工序,施工現(xiàn)場不可避免地將產(chǎn)生較大的揚塵與噪音問題,不利于安全文明施工。同時,鋼材的生產(chǎn)帶來大量的能源消耗與污染,混凝土的砂石開采也會破壞自然環(huán)境。因此,在綠色節(jié)能方面,柔性土工合成材料面層優(yōu)勢顯著。

5 結(jié)束語

本文介紹了柔性復(fù)合材料——土工合成材料的概念與應(yīng)用特性,闡述了其在土釘墻支護體系柔性面層中替代混凝土材料的應(yīng)用原理。結(jié)合我國東部沿海地區(qū)某基坑施工案例,對新型柔性復(fù)合材料面層土釘墻支護體系的穩(wěn)定性進行了安全驗算,并通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)驗證其有效性和可行性。

（1）在邊坡施工項目中,采用柔性土工合成材料面層土釘墻的支護方案,能實現(xiàn)邊坡變形控制的目的,在實踐中具有可行性。

（2）與以往的噴射混凝土面層相比,柔性土工合成材料面層施工過程污染小、速度快、造價低,值得在工程地質(zhì)條件允許時推廣應(yīng)用。

（3）柔性土工合成材料面層土釘墻支護體系施工過程節(jié)能環(huán)保,在可持續(xù)發(fā)展方面應(yīng)用潛力巨大。