新型外爪式鋼管土釘受力性能研究★

黃 鋮 張廣興 徐剡源 鮑遠(yuǎn)成 王能能

(1.同濟(jì)大學(xué)浙江學(xué)院，浙江 嘉興 314051； 2.寧波市鎮(zhèn)海區(qū)建設(shè)交通工程安全質(zhì)量管理中心，浙江 寧波 315000；3.杭州西南檢測(cè)技術(shù)股份有限公司寧波分公司，浙江 寧波 315000)

0 引言

土釘支護(hù)是目前廣泛應(yīng)用于基坑及邊坡支護(hù)工程中的一種方法，其常見(jiàn)的施工方式有兩種：一種是在土中先鉆孔，成孔后插入帶肋鋼筋并在孔中注入水泥漿液，漿液硬化后將土釘體與周?chē)馏w牢固粘結(jié)而構(gòu)成一個(gè)整體。另一種是采用鋼花管，可以直接打入基坑側(cè)壁，打入后可以向管內(nèi)注入水泥漿液，也可不注漿[1]。國(guó)內(nèi)外研究人員針對(duì)水泥注漿體做了很多的試驗(yàn)、理論及有限元分析，如注漿體、注漿參數(shù)等對(duì)土釘受力性狀影響的研究[2-4]。還有針對(duì)水泥漿液的改性研究，分析諸如納米材料等外摻劑對(duì)固化水泥漿體受力特性的影響[5，6]。還有一部分研究針對(duì)土釘結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，如自平衡高壓注漿鋼管土釘、新型裝配式可回收土釘、螺旋式土釘?shù)?，并針?duì)改進(jìn)的土釘進(jìn)行了受力性能等方面的試驗(yàn)與分析[7，8]。研究結(jié)果表明，好的結(jié)構(gòu)改進(jìn)對(duì)土釘受力性能的改善、施工的便捷及環(huán)保的改善等有著良好的效果。

因此，本文從土釘?shù)氖芰C(jī)理及施工優(yōu)化等方面考慮，研發(fā)了一種外爪式鋼管土釘，該土釘結(jié)構(gòu)可從鋼管釘體內(nèi)部通過(guò)側(cè)壁孔伸出外爪，外爪伸入土體對(duì)釘體本身產(chǎn)生錨固效應(yīng)，進(jìn)而使土釘抗拔力有明顯提升作用。并且具有施工快速，操作簡(jiǎn)便，施工完成即可受力，可回收利用等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)對(duì)粘性土中外爪伸出長(zhǎng)度為20 cm，25 cm，30 cm的外爪式土釘與普通鋼管土釘進(jìn)行的抗拉性能對(duì)比試驗(yàn)，分析了其受力性能的差異以及外爪長(zhǎng)度對(duì)土釘受力性能的影響。對(duì)所研究的外爪式土釘與普通鋼管土釘在基坑開(kāi)挖后進(jìn)行土釘墻整體圓弧滑動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算，得到各工況下土釘墻的圓弧滑動(dòng)穩(wěn)定安全系數(shù)的差異。

1 外爪式土釘結(jié)構(gòu)

通過(guò)對(duì)鋼管土釘結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，研發(fā)了一種外爪式鋼管土釘結(jié)構(gòu)(專利號(hào)：201921343433.1)，如圖1所示，該土釘包括自下而上延伸的外管，外管的上端具有開(kāi)口端、下端具有封閉端(可以設(shè)螺旋頭)，外管壁上設(shè)置側(cè)孔，外管內(nèi)設(shè)有自上而下插入的內(nèi)桿體，內(nèi)桿體的壁面上有與外管壁上側(cè)孔數(shù)量及位置均相同的彈性爪片，彈性爪片與外管壁上側(cè)孔的數(shù)量及位置均相同且一一對(duì)應(yīng)，內(nèi)桿體與外管裝配好之后，外爪尚未伸出外管壁孔，此時(shí)可將土釘直接打入土中，進(jìn)入到設(shè)計(jì)位置后，對(duì)內(nèi)桿體施加壓力荷載，彈性爪片開(kāi)始伸出并插入到土中，爪片全部伸出后通過(guò)在外管和內(nèi)桿頭部附近的預(yù)留孔插入插銷(xiāo)將兩者固定，形成整體來(lái)抵抗拉力。工程完成后即可將插銷(xiāo)取下，拔出內(nèi)桿及外管重復(fù)使用。

外爪式土釘在受拉荷載作用下，由于外爪的存在，其受力機(jī)理要比普通鋼管土釘更為復(fù)雜。普通打入式鋼管土釘受拉時(shí)主要由釘土之間的側(cè)壁摩阻力提供抗拉力，而外爪式土釘抗拉力主要由釘土側(cè)壁摩阻力和外爪錨固力兩部分組成，外爪錨固力主要來(lái)源于土釘外爪對(duì)上方土體的壓縮導(dǎo)致土體產(chǎn)生的反力和外爪邊緣剪切土體而使土體產(chǎn)生的抗剪切力，如圖2所示。

2 外爪式土釘抗拉性能試驗(yàn)分析

為了研究長(zhǎng)度和直徑均相同的外爪式土釘與普通鋼管土釘受力性能的差異，以及外爪長(zhǎng)度對(duì)土釘受力性能的影響，設(shè)計(jì)了現(xiàn)場(chǎng)抗拉試驗(yàn)進(jìn)行研究。試驗(yàn)區(qū)域?yàn)榧闻d某處黏性土地層，其土層的各項(xiàng)物理及力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

表1 土層的參數(shù)

本試驗(yàn)一共制作了4根土釘，鋼管直徑為89 mm，壁厚4.5 mm，土釘有效長(zhǎng)度(即入土深度)為1.0 m，鋼管總長(zhǎng)度為1.25 m。其中1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)為外爪式土釘，分別對(duì)應(yīng)的外爪長(zhǎng)度為20 cm，25 cm，30 cm，鋼管壁上進(jìn)行了開(kāi)孔，孔徑為50 mm，外爪可以從孔內(nèi)伸出，4號(hào)為普通鋼管土釘。土釘打入后對(duì)其進(jìn)行抗拉試驗(yàn)，試驗(yàn)方案如表2所示。

表2 土釘抗拉性能試驗(yàn)方案

土釘打入15 d后，進(jìn)行土釘抗拉試驗(yàn)，如圖3所示，試驗(yàn)加載設(shè)備采用穿心千斤頂，用百分表記錄土釘上拔量，每根土釘施加10級(jí)荷載，每級(jí)荷載施加間隔1 h，記錄得到各級(jí)上拔荷載作用下土釘?shù)纳习瘟?，并將試?yàn)結(jié)果繪制于圖4中。

對(duì)比上面的試驗(yàn)結(jié)果可以看到，在相同的位移下，3號(hào)土釘?shù)目拱瘟ψ畲螅?號(hào)土釘?shù)目拱瘟Υ沃?號(hào)土釘?shù)目拱瘟υ俅沃?號(hào)土釘?shù)目拱瘟ψ钚?，在位移量皆?0 mm時(shí)，以4號(hào)鋼管土釘為對(duì)照，1號(hào)土釘抗拔力是4號(hào)鋼管土釘?shù)?.3倍，2號(hào)土釘抗拔力是4號(hào)鋼管土釘?shù)?.75倍，3號(hào)土釘 抗拔力是4號(hào)鋼管土釘?shù)?.875倍。由此可見(jiàn)，外爪長(zhǎng)度對(duì)抗拔力有較大影響，在本次試驗(yàn)的20 cm～30 cm外爪長(zhǎng)度的范圍內(nèi)，土釘抗拔力隨外爪長(zhǎng)度的增加而增大。

分析其原因，外爪土釘通過(guò)外爪伸入土體，可以對(duì)土釘側(cè)壁產(chǎn)生一定錨固力，進(jìn)而土釘體抗拔力會(huì)有較大提升，且外爪在受力時(shí)，隨著力的增加，外爪由“放松”階段轉(zhuǎn)入“繃緊”受力階段，在彈性階段能提供不斷增加的錨固力。同時(shí)土釘施工時(shí)，對(duì)土釘側(cè)壁的土體有一定的擠土作用，能提升土體的抗剪強(qiáng)度。因此，外爪土釘與常規(guī)鋼管土釘相比，具有更好的抗拉性能。不同外爪長(zhǎng)度對(duì)土體的錨固力不同，外爪越長(zhǎng)，伸入土體的長(zhǎng)度隨之也越長(zhǎng)，外爪表面與土體接觸面積也越大，受外爪影響的土體面積，能給外爪提供反力的土體影響范圍也就越大。

從試驗(yàn)結(jié)果也可以看到，4種土釘在破壞時(shí)(取曲線陡升段的起點(diǎn)荷載值)，最終的極限抗拉承載力差異較大，4號(hào)土釘極限抗拉承載力為3.8 kN。1號(hào)土釘極限抗拉承載力在4.7 kN。2號(hào)土釘極限抗拉承載力在7.8 kN左右。3號(hào)土釘極限抗拉承載力在8.2 kN左右。極限抗拉承載力與外爪長(zhǎng)度有較大相關(guān)性，外爪越長(zhǎng)，土釘極限抗拉承載力越大，外爪土釘具有較好的抗拉性能。但當(dāng)外爪長(zhǎng)度從25 cm增加到30 cm時(shí)，極限抗拉承載力的增加幅度有所降低，以此推測(cè)外爪長(zhǎng)度也并不是越長(zhǎng)越好，外爪越長(zhǎng)其懸臂受到的彎矩也越大，需考慮制作經(jīng)濟(jì)性和打入可行性而綜合分析。

3 外爪式土釘墻穩(wěn)定性分析

對(duì)上述4種土釘在基坑開(kāi)挖后進(jìn)行土釘墻整體圓弧滑動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算，通過(guò)理正深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)軟件計(jì)算最危險(xiǎn)滑動(dòng)面，得到各工況下土釘墻的圓弧滑動(dòng)穩(wěn)定安全系數(shù)，如圖5所示。4種土釘?shù)尼斖灵g側(cè)壁摩阻力根據(jù)前述現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中得到的極限拉力比值結(jié)果來(lái)取值。工況1～工況5的開(kāi)挖深度分別為1.7 m(尚未打入第一層土釘)，2.9 m(尚未打入第二層土釘)，4.1 m(尚未打入第三層土釘)，5.3 m(尚未打入第四層土釘)，6 m(已打入第四層土釘)，從圖5中可以看到，工況1由于尚未打入土釘，安全系數(shù)取決于土體自身穩(wěn)定，故4種土釘均相同。在其他工況下，外爪式土釘支護(hù)的整體圓弧滑動(dòng)穩(wěn)定安全系數(shù)均大于普通鋼管土釘，且相同工況下，不同外爪長(zhǎng)度土釘?shù)恼w圓弧滑動(dòng)穩(wěn)定安全系數(shù)隨外爪長(zhǎng)度的增加而增加。

4 結(jié)語(yǔ)

本文研發(fā)了一種外爪式鋼管土釘，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)抗拉試驗(yàn)研究了長(zhǎng)度和直徑均相同的外爪式土釘與普通鋼管土釘受力性能的差異，分析了外爪長(zhǎng)度對(duì)土釘受力性能的影響。對(duì)所研究的外爪式土釘與普通鋼管土釘在基坑開(kāi)挖后進(jìn)行土釘墻整體圓弧滑動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算，得到各工況下土釘墻的圓弧滑動(dòng)穩(wěn)定安全系數(shù)的差異，最終得到了以下結(jié)論：

1)試驗(yàn)范圍內(nèi)外爪式土釘極限抗拔承載力均高于相同尺寸的普通鋼管土釘。外爪長(zhǎng)度對(duì)抗拔力有較大影響，在本次試驗(yàn)的20 cm～30 cm外爪長(zhǎng)度的范圍內(nèi)，土釘抗拔力隨外爪長(zhǎng)度的增加而增大。但當(dāng)外爪長(zhǎng)度從25 cm增加到30 cm時(shí)，極限抗拉承載力的增加幅度有所降低，以此推測(cè)外爪長(zhǎng)度也并不是越長(zhǎng)越好，需考慮制作經(jīng)濟(jì)性和打入可行性而綜合分析。

2)外爪式土釘支護(hù)的整體圓弧滑動(dòng)穩(wěn)定安全系數(shù)大于普通鋼管土釘，且相同工況下，此安全系數(shù)隨外爪長(zhǎng)度的增加而增大。