土釘支護結(jié)構(gòu)設(shè)計問題探討

李喜明

1 概述

土釘墻是一種原位土體加筋技術(shù)，是由設(shè)置于坡體中的加筋桿件與其周圍土體牢固粘結(jié)形成的復(fù)合體以及面層構(gòu)成。其作用類似于重力式擋土墻，它主要用于改善原位土體的性狀，并與原位土體協(xié)同工作，從而提高整個土體的穩(wěn)定性。土釘支護技術(shù)是當(dāng)前國內(nèi)外較流行的主動支護方法，在基坑工程支護和邊坡護坡中普遍應(yīng)用。雖然這種技術(shù)在我國的應(yīng)用已經(jīng)有20余年的歷史，但是國內(nèi)對其還缺乏深入系統(tǒng)的研究，設(shè)計分析方法也比較粗糙。目前由于國內(nèi)對土釘支護技術(shù)的應(yīng)用還沒有比較完善的設(shè)計和施工規(guī)范，對于土釘支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算，主要依靠經(jīng)驗和工程類比，并結(jié)合一定的計算分析和現(xiàn)場監(jiān)測。

根據(jù)對破裂面形狀、截面特性、釘土相互作用模型做不同的假設(shè)，有各種不同的分析方法。然而大多數(shù)方法不能有效的計算基坑開挖時土釘擋墻及土釘軸力的變化過程，或者采用這些方法得到的結(jié)果，其內(nèi)力和實際情況相比誤差較大，于是不能很好的預(yù)測極限荷載對應(yīng)的變形，也不能全面了解極限狀態(tài)之前的情況。本文對于土釘支護的結(jié)構(gòu)計算設(shè)計方法中存在的一些問題進行分析，為進一步改進土釘結(jié)構(gòu)設(shè)計方法提供一些看法和建議。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法問題分析

2.1 土釘抗拔力計算

土釘抗拔力計算普遍采用筋土摩擦理論，其計算模式為：

其中，D為鉆孔直徑;Le為土釘在滑裂面外非擾動區(qū)的長度; Tf為釘土間的抗剪強度。

在無抗拔試驗的情況下，Tf一般通過釘和土接觸面處的力學(xué)參數(shù)用下式確定：

其中，σy為垂直方向應(yīng)力;φ為釘土接觸面處土體內(nèi)摩擦角; c為土體的粘聚力。

在計算土釘墻抗滑穩(wěn)定時，大部分文獻都以上式計算的T作為土釘?shù)目拱瘟Γ赃@兩個公式計算得到的T實際上代表了土釘所能承受的最大抗拔力(極限抗拔承載力)，而這不一定是土釘實際提供的抗拔力，因此以上式計算的抗拔極限承載力作為土釘提供的抗拔力是不合理的。

實際上土釘抗拔力不只是由穩(wěn)定區(qū)的土釘體受力狀態(tài)決定的，還與滑動區(qū)土釘受力狀態(tài)以及土釘材料的抗拉能力(由材料的容許抗拉強度和截面積決定)有關(guān)，因此確定土釘抗拔力必須綜合考慮這三個方面的因素。

按土釘受拉屈服條件，土釘本身的容許拉力可用下式計算：

其中，d為土釘鋼筋直徑;fy為鋼筋抗拉強度。

2.2 土釘墻主動土壓力計算

土壓力的研究一直是巖土工程界的熱點和難點。目前還沒有一個較為理想的土壓力理論能比較真實的反映實際土壓力的大小和分布模式。對于剛性擋土墻，工程界采用土壓力為三角形分布的朗肯土壓力理論或庫倫土壓力理論。對于柔性支護的土釘墻，工程界也采用了同樣的土壓力理論。然而大量實測資料表明，對于土釘墻，土壓力分布并不是三角形而是接近拋物線形，實測值也較理論值小的多。因此按朗肯土壓力理論或庫倫土壓力理論計算是偏保守的。

實測土壓力較理論值小的原因有兩個：

1)土釘面層設(shè)置前，開挖的坑壁已經(jīng)產(chǎn)生了位移變形;

2)忽略了土和土釘?shù)幕ハ嘧饔?。前者是顯而易見的，后者也是一個重要因素。土釘插入后，由于釘土之間產(chǎn)生相對位移，從而在釘土之間產(chǎn)生摩擦力，土釘依靠摩擦力分擔(dān)了部分土壓力，并約束了土體側(cè)向變形，使土釘墻主動土壓力減少。當(dāng)插入土釘后，上下土釘之間的土體形成承壓拱，承壓拱具有一定的自承能力，因此削弱了主動土壓力的值。由此可見，土釘墻的土壓力形成機制與一般重力式擋墻土壓力形成機制具有很大差異，這種差異的根源就在于釘土的相互作用。

國內(nèi)山西煤炭部太原設(shè)計研究院通過對土釘支護結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場原位觀測以及關(guān)于觀測結(jié)果的分析表明：

1)土釘密度明顯的控制著土壓力曲線的形狀;

2)當(dāng)土釘密度達到一定程度時，土壓力曲線相應(yīng)的變?yōu)椤安ɡ恕毙螤?在上下土釘中間，土體受到約束最小，曲線出現(xiàn)“波峰”;在土釘插入處，土體受到約束最大，土壓力出現(xiàn)“波谷”。國外進行的一些模型試驗以及實測結(jié)果也同樣表現(xiàn)出了釘土的相互作用。

目前普遍認為土釘支護結(jié)構(gòu)的面層不受力，設(shè)計中可以按構(gòu)造配筋。但有些文獻中，土釘支護結(jié)構(gòu)設(shè)計中還是按剛性擋土墻的方法進行計算的，即按朗肯或庫倫土壓力理論計算面層壓力。這種計算方法依然沒有擺脫傳統(tǒng)的剛性擋土墻的設(shè)計模式，將傳統(tǒng)土壓力理論用于土釘墻設(shè)計是不恰當(dāng)?shù)模驗閭鹘y(tǒng)土壓力理論是針對天然土體計算的，而土釘墻必須考慮到釘土相互作用對土壓力的影響。實際上土釘支護可以歸為一種土體改良技術(shù)，通過在土體中插入士釘改良土體的性質(zhì)。從這種觀點來看，土釘植入土體后，土體性質(zhì)得到改良后土體的主動土壓力必然減小。面層土壓力相應(yīng)可用下式進行計算：

其中，當(dāng)h≤H/2時，h取實際值;當(dāng)h＞H/2時，h取0.5H，H為土坡的垂直高度，m，h為土壓力作用點至坡頂?shù)木嚯x，m;γ為土的天然重度，kN/m3;me為工作條件系數(shù)，對臨時性土釘支護，me取1.10，對永久性土釘工程，me取1.20;K為土壓力系數(shù)，K= 1/2(Ka+K0)，K0，Ka分別為靜止、主動土壓力系數(shù);q為作用于土釘面層上的土壓力，kPa。

2.3 土釘長度的確定

在土釘設(shè)計的諸參數(shù)(長度、直徑、傾角、水平間距、豎直間距、直徑等)中土釘長度是關(guān)鍵參數(shù)，它直接關(guān)系土釘?shù)陌踩徒?jīng)濟性。

國內(nèi)外相關(guān)實測資料均表明，沿支護結(jié)構(gòu)高度方向上下分布的土釘，其在使用狀態(tài)的最大內(nèi)力值相差較大，一般頂部和底部都偏小，中部較大，可知中部的土釘對于整個支護結(jié)構(gòu)所起作用較大。頂部土釘主要作用在于限制支護最大水平位移，而底部的土釘長度對于整個支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性起到關(guān)鍵的作用。所以在一般的均質(zhì)土中，上下所有土釘取成等長是相對合理的。如果土層條件差異較大或有其他作用時，應(yīng)綜合考慮各種因素的影響效應(yīng)，合理設(shè)置各部分土釘?shù)拈L度以及水平間距和豎直間距。

目前國內(nèi)相關(guān)設(shè)計僅僅為簡化起見，一般是將包括土釘長度在內(nèi)的土釘?shù)牡罃?shù)、間距、傾角、直徑及土釘與土層的粘結(jié)力等幾乎全部參數(shù)確定好后，然后再驗算土釘墻圍護的局部穩(wěn)定性以及整體穩(wěn)定性。這樣設(shè)計的結(jié)果與設(shè)計者的經(jīng)驗有很大的關(guān)系，做到經(jīng)濟合理是比較困難的?？上冉o出除土釘長度的其他相關(guān)設(shè)計參數(shù)，然后在不同工況下分別由局部驗算條件和整體驗算條件確定土釘長度的計算范圍，選擇合理經(jīng)濟的土釘長度，以充分發(fā)揮材料性能，而且滿足計算設(shè)計要求的水平。這樣做是相對比較合理的，應(yīng)該在土釘墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算中進行推廣，以達到工程設(shè)計經(jīng)濟合理與安全的目標(biāo)。

3 結(jié)語

土釘墻支護是一項具有廣闊發(fā)展前景的技術(shù)，隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展和國家建設(shè)事業(yè)的興旺發(fā)達，土釘墻技術(shù)由于施工機具簡便靈活、工藝簡單、工期短、投資少、見效快等優(yōu)點，在建設(shè)工程中的應(yīng)用將越來越廣泛。然而目前在國內(nèi)尚無完善和統(tǒng)一的設(shè)計原理和計算方法，各施工單位主要依靠經(jīng)驗與工程類比進行設(shè)計和施工，導(dǎo)致事故時有發(fā)生。因此，我們必須對土釘墻支護進行更深入的理論研究，結(jié)合實踐對現(xiàn)行土釘支護技術(shù)的設(shè)計和施工進行改進完善，避免或減少悲劇的發(fā)生。

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