可回收土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)體系施工工藝及受力研究

張欽喜 張振雙 翟玉新 魏 錳 王 鈺

（1.北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京 100124；2.中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100072）

0 引言

土釘墻支護(hù)體系是指在原位土體中植入土釘，使土釘與原位土體形成一整個(gè)受力體[1]，從而達(dá)到增加土體抗剪強(qiáng)度的目的，待土釘植入土體后，再對(duì)邊坡的面層噴射一層混凝土來進(jìn)行護(hù)坡。土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)施工場(chǎng)地要求低，不需要大型施工機(jī)具，施工速度也比較快，施工成本低，并且支護(hù)完成后不會(huì)單獨(dú)占用空間。然而，傳統(tǒng)土釘墻中的土釘以及混凝土面層屬于一次性投入，無法回收再利用，存在一定的浪費(fèi)；在狹窄的場(chǎng)地施工土層錨桿時(shí)，往往超出用地紅線；面層混凝土噴射過程中對(duì)環(huán)境有一定的污染。因此，基于綠色環(huán)保和碳中和的理念，可回收土釘墻是必要的發(fā)展趨勢(shì)[2]。

土釘墻設(shè)計(jì)中穩(wěn)定性是最重要的問題。Seed[3]通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)，介紹了土釘墻的施工工藝，同時(shí)通過數(shù)值模擬，對(duì)土釘墻進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。張建龍[4]等通過對(duì)某基坑土釘內(nèi)力及土體位移的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，分析了土釘支護(hù)的內(nèi)力分布規(guī)律和土體位移特征，研究了基坑土釘支護(hù)的工作性能。胡 淵等[5]通過模型試驗(yàn)對(duì)比不同工況下原位土、土釘墻支護(hù)下不同的土釘間距、不同的土釘長度以及不同的入射角度四種工況下的土壓力以及土釘拉力的變化情況。作用在面層上的主動(dòng)土壓力沒有統(tǒng)一的結(jié)論，有些學(xué)者認(rèn)為，面層的土壓力應(yīng)該取Rankine 主動(dòng)土壓力[6]或者Peck 土壓力[7]，一些工程中，基于綠色環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的理念，本文擬針對(duì)土釘墻這一傳統(tǒng)的基坑支護(hù)形式進(jìn)行技術(shù)革新，研發(fā)可回收土釘支護(hù)技術(shù)和施工工藝，從而達(dá)到節(jié)約資源、減少污染、方便施工的目的。

1 可回收土釘墻支護(hù)體系施工工藝

1.1 構(gòu)件組成

可回收土釘墻結(jié)構(gòu)體系由面層錨板、土釘、封頭螺母、PVC 管、承壓板、復(fù)合土工布等構(gòu)件采用裝配式施工工藝進(jìn)行施工組裝而成（見圖1、圖2）。

圖2 可回收土釘結(jié)構(gòu)示意圖

（1）面層錨板：面層錨板是由6061-T6 的鋁合金材料制成，其材料的彈性系數(shù)為68.9 GPa，密度2800 kg/m3。面層錨板由底板、方環(huán)以及肋板焊接組成。將面層錨板布置在土體臨空面，土釘穿過錨板中間的方環(huán)插入土體中，通過螺母將錨板與土釘固定到一起，當(dāng)受到側(cè)向土壓力時(shí)，錨板底板能起到有效的約束作用，是新型土釘墻支護(hù)體系約束土體變形的受力構(gòu)件。

（2）土釘：與傳統(tǒng)土釘相比，新型土釘?shù)牟煌幵谟趯?duì)土釘?shù)膬蓚€(gè)端部進(jìn)行了套絲，一端與插入土體內(nèi)部的承壓板相連，另一端套絲與面層錨板相連。土釘?shù)奶捉z部分需要能保證與螺母較好地連接，同時(shí)在土釘外部套置一層PVC 管，使得注漿時(shí)，土釘不與漿體直接接觸，能保證在支護(hù)完成時(shí)較容易地拔出回收。土釘示意圖見圖1（d）。

（3）土釘?shù)撞砍袎喊寮胺忸^螺母：封頭螺母與承壓板焊接固定，土釘一頭擰入封頭螺母，再將PVC 管一頭涂膠插入承壓板，承壓板由10 mm 厚的A3 鋼板制作，封頭螺母選用8.8 級(jí)M20×2 的高強(qiáng)螺母。螺母的型號(hào)應(yīng)與土釘套絲的預(yù)留位置相匹配。

（4）復(fù)合土工布：復(fù)合土工布是由土工織物與土工膜復(fù)合而成的材料，由于在土工織物中加入了防水性較好的土工膜，所以復(fù)合土工布也具有良好的防水性。復(fù)合土工布為兩布一膜，幅寬4～6 m，單位面積質(zhì)量為80～600 g/m2。復(fù)合土工布在生產(chǎn)過程中加入了防老化劑，可在較惡劣的環(huán)境中使用。

1.2 工藝流程

（1）修整邊坡：對(duì)土體進(jìn)行開挖，挖至土釘?shù)脑O(shè)計(jì)標(biāo)高后，需要繼續(xù)超挖0.5 m，同時(shí)進(jìn)行邊坡的修整。注意邊坡一定要平整，若未達(dá)到平整度允許范圍內(nèi)的要求，則會(huì)影響后期面層錨板的安裝。

（2）土釘孔放點(diǎn)：在成孔前需要根據(jù)設(shè)計(jì)給定的土釘點(diǎn)位標(biāo)高以及土釘之間的水平距離確定孔位。

（3）鉆機(jī)成孔：在鉆孔過程中，為了保證鉆孔傾斜角度的準(zhǔn)確性，需要用專門的角度測(cè)量儀器對(duì)其傾角進(jìn)行控制，嚴(yán)格控制其傾斜角度進(jìn)行鉆孔。為了防止因鉆孔深度不夠而對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)造成的影響，新型土釘墻在鉆機(jī)成孔時(shí)，要比設(shè)計(jì)深度多鉆進(jìn)500 mm。

（4）插入土釘組合：將加工好的土釘組合體盡量沿鉆孔的中心放入孔內(nèi)。在插入土釘時(shí)，要控制土釘?shù)闹Ъ芴幱谕玲斚聜?cè)。土釘全長套φ25 的PVC 管，沿土釘?shù)拈L度方向，在PVC 管上每間隔2 m 安裝一個(gè)隔離架，以便安放注漿管和排氣管。

（5）注漿：將注漿管和排氣管插入隔離架中心孔至桿端30～50 cm 處，并用水灰質(zhì)量比為0.50～0.55漿液進(jìn)行注漿，在一次注漿完成2.0 h 內(nèi)進(jìn)行二次補(bǔ)漿，并將孔口封堵，保證水泥漿體充滿整個(gè)鉆孔。

（6）鋪放土工布：在距離坡頂1 m 遠(yuǎn)處的自然地面打下φ20、間距1500 mm 的摩擦釘將復(fù)合土工布固定，然后從坡頂順坡鋪展土工布。每塊土工布之間的搭接長度為800 mm。

（7）安裝面層壓板：在鋪放好的土工布上人工開孔，將每一橫排土釘都穿過土工布后，再把面層承壓板套入土釘端部并壓在土工布上，通過電動(dòng)扳手?jǐn)Q進(jìn)加厚螺母將面層壓板壓緊在土工布上（見圖3）。

圖3 支護(hù)效果圖

（8）可回收土釘土釘墻的拆卸流程為：先將帶肋面層錨板上螺母拆卸，然后取下面層錨頭，可以用液壓鉗將土釘回收。拆卸過程中要逐層拆卸，然后保存每個(gè)回收的土釘構(gòu)件，下次循環(huán)使用。

1.3 工作機(jī)理

可回收土釘墻的構(gòu)造與傳統(tǒng)土釘墻的構(gòu)造不同，前者是桿體和灌漿體不直接接觸，土釘支護(hù)完成后，當(dāng)土體發(fā)生位移時(shí)，端部的承壓板將荷載傳遞給灌漿體，使其受到壓力，灌漿體再通過與周圍土體或巖層的粘結(jié)力和咬合力提供與之相對(duì)應(yīng)的抗力。其受力示意圖見圖4。

圖4 可回收土釘受力示意圖

2 試驗(yàn)概況

2.1 場(chǎng)地概況

項(xiàng)目位于北京市豐臺(tái)區(qū)東鐵營，總建筑面積66459.87 m2，由3 棟住宅樓、5 棟配套用房及1 座地下車庫組成。因面積較大，項(xiàng)目分為兩期施工。本次新型土釘墻支護(hù)應(yīng)用于一二期交界位置，基坑開挖深度9.92 m，基坑分兩級(jí)開挖，級(jí)間設(shè)置2 m 寬平臺(tái)，第一級(jí)邊坡高度4 m，坡比1∶0.50，第二級(jí)邊坡坡高5.92 m，為測(cè)試不同坡比條件下新型土釘墻的受力特性，第二級(jí)邊坡在開挖過程中，分為1∶0.30、1∶0.50、1∶0.70 三種坡比進(jìn)行支護(hù)。

2.2 場(chǎng)地地質(zhì)條件

場(chǎng)地表層為人工填土，其下為第四紀(jì)沉積層，按其物理力學(xué)指標(biāo)劃分為若干大層和亞層，各地層分布厚度及有關(guān)物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 剖面土層參數(shù)

2.3 試驗(yàn)設(shè)備

本測(cè)試選用振弦式鋼筋計(jì)，型號(hào)為HF-100，頻率讀數(shù)儀型號(hào)為609A，通過頻率讀數(shù)儀可以直接測(cè)得讀數(shù)，并通過計(jì)算公式將測(cè)得的頻率轉(zhuǎn)化為相應(yīng)應(yīng)力。主動(dòng)土壓力采用振弦土壓力盒測(cè)試，量程為0～0.15 MPa，直徑為100 mm。見圖5、圖6、圖7。

圖5 HF-100 型鋼筋計(jì)傳感器

圖6 609A 型頻率讀數(shù)儀

圖7 土壓力盒內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2.4 監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

出于施工和測(cè)試安全便利考慮，數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)安排在第二級(jí)邊坡處，在1∶0.30、1∶0.50、1∶0.70 三種坡比剖面均設(shè)置四排土釘。不同坡比下每排土釘根數(shù)為6 根，所以共計(jì)72 個(gè)土釘拉力測(cè)點(diǎn)以及72 個(gè)土壓力測(cè)點(diǎn)來對(duì)土釘軸力以及側(cè)向土壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置分布情況見圖8。

圖8 測(cè)點(diǎn)布置圖（單位：mm）

3 主動(dòng)土壓力分析

3.1 主動(dòng)土壓力的理論計(jì)算

《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 120-2012）中，對(duì)于采用土釘墻支護(hù)的邊坡，不同坡比情況下，其主動(dòng)土壓力的計(jì)算有明確的計(jì)算方法，即用朗肯土壓力的理論計(jì)算值乘以一個(gè)折減系數(shù)。修正后的主動(dòng)土壓力計(jì)算公式見式（1）-式（4）[6]：

式中：p′a為土釘墻支護(hù)下，修正后的主動(dòng)土壓力；pa,k為支護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)，第i層土中計(jì)算點(diǎn)的主動(dòng)土壓力強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；ζ為墻面傾斜時(shí)主動(dòng)土壓力折減系數(shù)；σak為第i層土的主動(dòng)土壓力系數(shù)；ci為第i層土的黏聚力，kPa; φi為第i層土的內(nèi)摩擦角，(° )；β為土釘墻坡面與水平面的夾角，(° );φm為基坑底面以上各土層按厚度加權(quán)的等效內(nèi)摩擦角平均值，(° )。

根據(jù)相關(guān)土層參數(shù)，計(jì)算出基坑底面以上各土層按厚度加權(quán)的等效內(nèi)摩擦角平均值φm,即：

據(jù)式（2）可以計(jì)算出不同測(cè)點(diǎn)處的郎肯主動(dòng)土壓力值（見表2）。

表2 郎肯主動(dòng)土壓力值

通過三角函數(shù)可以求出土釘墻的坡角，即當(dāng)坡比為1∶0.30 時(shí)， β=73.3°；1∶0.50 時(shí)， β=63.4°；1∶0.70 時(shí)， β =55°。將 β 和 φm代入式（4），可求出不同坡比下對(duì)應(yīng)的主動(dòng)土壓力折減系數(shù)ζ（見表3）。

表3 不同坡比下主動(dòng)土壓力折減系數(shù)

根據(jù)式（1）可知，將不同坡比下的ζ 值乘以朗肯主動(dòng)土壓力，即可得出《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》中修正后的主動(dòng)土壓力值，故根據(jù)表1與表2中的數(shù)據(jù)，即可求出土壓力修正值，修正后的主動(dòng)土壓力見表4。

表4 修正后的主動(dòng)土壓力

3.2 主動(dòng)土壓力實(shí)際監(jiān)測(cè)

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，在施工完成后的第7 天，數(shù)值趨于穩(wěn)定，所以取支護(hù)完成后第7 天穩(wěn)定的數(shù)據(jù)與修正后的主動(dòng)土壓力值進(jìn)行對(duì)比分析。第7 天不同坡比下主動(dòng)土壓力監(jiān)測(cè)值見圖9。

根據(jù)圖9中實(shí)測(cè)的土壓力值可以知，土釘墻支護(hù)完成后，在同一深度處，隨著邊坡坡比的增加，土壓力也相應(yīng)地增大。對(duì)于同一坡比下的土壓力，土壓力會(huì)隨著深度的增加而增加。

圖9 第7 天主動(dòng)土壓力實(shí)測(cè)值

將不同坡比下數(shù)值穩(wěn)定后的土壓力與按規(guī)范公式修正后主動(dòng)土壓力理論值進(jìn)行對(duì)比，見圖10。

根據(jù)圖10 可以看出，三種不同坡比下的主動(dòng)土壓力實(shí)測(cè)值與理論值沿深度變化的規(guī)律相類似，即均隨著深度的增加而增大。但是，隨著深度的增加，實(shí)測(cè)得主動(dòng)土壓力比理論計(jì)算值增加更緩慢。同時(shí)，實(shí)測(cè)的主動(dòng)土壓力比理論計(jì)算值要小，造成的原因可能是基坑開挖深度較深，分兩級(jí)邊坡進(jìn)行支護(hù)，中間2 m 寬度的平臺(tái)減小了上部土體的自重應(yīng)力，從而導(dǎo)致平臺(tái)以下的側(cè)向土壓力比理論值偏小。由圖中的信息可以看出，三種坡比下，在最深的測(cè)點(diǎn)處，實(shí)測(cè)主動(dòng)土壓力與理論計(jì)算值有較大的差別。

圖10 不同坡比下主動(dòng)土壓力實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比

4 土釘軸力分析

4.1 土釘軸力的理論計(jì)算

《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 120-2012）中，對(duì)于采用土釘墻支護(hù)的邊坡，其單根土釘?shù)妮S向拉力標(biāo)準(zhǔn)值Nk,j有明確的公式計(jì)算方法。軸向拉力標(biāo)準(zhǔn)值的計(jì)算見式（5）：

土釘軸向拉力調(diào)整系數(shù)nj的計(jì)算見式（6）、式（7）：

式中：Nk,j為第j層土釘?shù)妮S向拉力標(biāo)準(zhǔn)值，kN； αj為第j層土釘?shù)膬A角，(° )； ηj為第j層土釘?shù)妮S向拉力調(diào)整系數(shù)；pak,j為第j層土釘處的主動(dòng)土壓力強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；sx,j為 土釘水平間距，m；sz,j為土釘垂直間距，m；zj為第j層土釘至基坑頂面的垂直距離，m；ΔEaj為作用在sx,j、szj 為邊長的面積內(nèi)的主動(dòng)土壓力標(biāo)準(zhǔn)值，kN； ηa為 計(jì)算系數(shù)； ηb為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，可取0.6～1.0。

本次計(jì)算時(shí)，經(jīng)驗(yàn)系數(shù) ηb取0.8，根據(jù)表3及式(6)、式(7)可以計(jì)算出 ηa=1.6，由此可以計(jì)算深度為5 m、6.4 m、7.8 m 及9.2 m 處的 ηj分別為1.191、1.084、0.971、0.858。主動(dòng)土壓力取值見表2，主動(dòng)土壓力折減系數(shù)ζ 的取值同表3，根據(jù)式5 計(jì)算出的第j層土釘?shù)妮S向拉力標(biāo)準(zhǔn)值Nk,j見表5。

表5 土釘軸向拉力標(biāo)準(zhǔn)值

4.2 土釘軸力實(shí)際監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)同主動(dòng)土壓力監(jiān)測(cè)時(shí)間一樣，取施工完成后第7 天的數(shù)據(jù)，與土釘軸向拉力標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比分析。圖11 為不同坡比下的土釘軸向拉力監(jiān)測(cè)值。

圖11 第7 天土釘軸向拉力實(shí)測(cè)值

根據(jù)圖11，可以得出：

（1）在同一深度處，土釘軸力隨著坡比的增加而增加；

（2）三種坡比中，實(shí)測(cè)的土釘軸向拉力最大值大致出現(xiàn)在倒數(shù)第二排位置處，同時(shí)第一排土釘?shù)睦χ狄脖容^大。出現(xiàn)這種情況的原因一方面是上部土層比較松軟，物理力學(xué)性質(zhì)較差，會(huì)使得在支護(hù)過程中產(chǎn)生的位移較大，從而導(dǎo)致土釘拉力較大；另一個(gè)方面是上部土釘?shù)淖冃尉哂幸欢ǖ睦奂有?yīng)，隨著基坑開挖深度的增加，上部土層產(chǎn)生的位移變形累加值不斷增加，從而導(dǎo)致土釘軸向拉力較高。

將不同坡比下第7 天實(shí)測(cè)的土釘軸向拉力值與按規(guī)范公式修正后土釘軸力理論值進(jìn)行對(duì)比（見圖12）。

圖12 不同坡比下土釘軸力實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比

由圖12 可以得出，土釘在實(shí)際工程中所受到的力與理論計(jì)算值相差較大，實(shí)際產(chǎn)生的軸向拉力要遠(yuǎn)小于理論計(jì)算得到的拉力。由本次的試驗(yàn)的對(duì)比結(jié)果可以看出，在支護(hù)過程中，土釘實(shí)際受到的拉力一般小于25 kN，最大拉力也沒有超過35 kN。如果按照理論方法計(jì)算土釘所受到的軸向拉力，并用此拉力對(duì)土釘進(jìn)行設(shè)計(jì)，那么設(shè)計(jì)將過于偏保守，對(duì)材料有一定的浪費(fèi)。

5 結(jié)論

（1）提出了一種可回收土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)體系，并對(duì)各構(gòu)件組成及施工工藝進(jìn)行了介紹。

（2）試驗(yàn)研究表明，在同一深度處，土壓力和土釘軸力均會(huì)隨著邊坡坡比的增加而增大；同一坡比條件下，土壓力和土釘軸力亦會(huì)隨著深度的增加而增大。

（3）按照《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》中計(jì)算出的主動(dòng)土壓力理論值比實(shí)測(cè)的主動(dòng)土壓力值略大，尤其在坡底位置處兩者的土壓力值相差較大。但是不同坡比下的土壓力實(shí)測(cè)值和理論值隨深度變化規(guī)律相類似，可以為實(shí)際工程中的應(yīng)用提供參考。

（4）不同坡比下，土釘在實(shí)際工作過程中受到的拉力均遠(yuǎn)小于按理論公式計(jì)算得到的拉力值。