松軟地層基坑工程中的復(fù)合型土釘支護(hù)技術(shù)

松軟地層中基坑工程的復(fù)合型土釘支護(hù)摘要：復(fù)合土釘支護(hù)作為一種基坑支護(hù)型式，由于變形較小、工程造價(jià)低廉，近年來在工程實(shí)踐中得到了廣泛應(yīng)用。本文總結(jié)了各種復(fù)合土釘支護(hù)的型式，并著重闡述了松軟土層、高水位地區(qū)復(fù)合土釘支護(hù)的變形機(jī)理和穩(wěn)定分析研究。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察，復(fù)合土釘支護(hù)的變形按照裂縫產(chǎn)生的位置、規(guī)模和先后次序可以分為3個(gè)階段。本文對(duì)每個(gè)階段裂縫的產(chǎn)生機(jī)理做了分析，并提出了針對(duì)的措施，以確?；臃€(wěn)定。同時(shí)本文對(duì)三個(gè)裂縫階段之后產(chǎn)生的兩個(gè)破壞階段亦加以描述和分析。本文提供了兩種計(jì)算復(fù)合土釘支護(hù)穩(wěn)定性的分析方法：雙圓弧滑動(dòng)法和強(qiáng)度折減法。雙圓弧滑動(dòng)法是基于簡(jiǎn)單條分法的一種改進(jìn)方法。該方法考慮了復(fù)合土釘支護(hù)的滑裂面不是一個(gè)完整的圓弧，基坑邊坡與坑底是兩個(gè)半徑不同的圓弧。這兩組圓弧在攪拌樁處光滑連接。該方法經(jīng)過大量的實(shí)踐證明是可行的。分析復(fù)合土釘整體穩(wěn)定性的另一種方法引入了邊坡穩(wěn)定性分析中采用的強(qiáng)度折減法，不考慮土釘－土體接觸面的強(qiáng)度折減，僅考慮土體強(qiáng)度折減。同時(shí)，文中指出按照傳統(tǒng)方法計(jì)算復(fù)合土釘支護(hù)的抗傾覆、抗滑移穩(wěn)定性沒有必要。關(guān)鍵詞：基坑工程；復(fù)合型土釘支護(hù)；變形機(jī)理；雙圓弧滑動(dòng)法；強(qiáng)度折減法TheApplicationofCompoundSoilNailWallofExcavationsinSoftSoilAbstract：Thecompoundsoilnailingwall(CSNW)isanewstyleofbracingoffoundationpit.Thismethodiswidelyusedintheprojectpracticeinrecentyearsbecauseoftheexcellentbehaviorandcheapcost.ThestylesofdifferentCSNWisintroducedinthispaper.AndtheresearchofthedeformationmechanismandanalysisofglobalsafetyoftheCSNWemployedinsoftsoilisemphasized.AccordingtotheobservationofmanyCSNWproject,itisconcludedinthispaperthattheprocessofcracksdevelopedontheslopcouldbedividedintothreemainphase.Andtheexplanationofcauseofeachcrackphaseisdescribed.Thecountermeasurefordealingwitheachcrackphaseisrecommendedtosecurethestabilityoftheexcavation.TwomethodsforcalculatingtheglobalstabilityoftheCSNWisintroduced.Oneisthe“double-circle”slicemethod,whichisamodifiedmethodbasedonthetraditionalmethod.Thepropositionthatthefailuresurfaceiscomposedoftwocircularsurfaceisintroduced.Thesetwocircularsurfaceconnectsmoothlyinthepositionofdeepmixingpile.Withthisproposition,theanti-slideattributionofthesoftclayinthepassiveregionisconsideredproperly.ThismethodhasalreadybeenemployedtodesignalotofCSNWproject.Anothermethodtocalculatetheglobalsafetyfactorisshearstrengthreductionmethod.Thismethodisbecomingmoreandmorepopularintheregionofslopstabilityanalysis.TointroduceittotheregionofCSNW,thestrengthoftheinterfacebetweenthesoilandnailisnotconsidered.Aprojectcalculatedwithshearstrengthreductionmethodisdescribedinthispaper.ItisalsopointedoutinthepaperthatthemethodemployingravitywallanalysisisnotsuitableofCSNW.Keywords：Excavation；CompoundSoilNailWall；deformationmechanism；double-circleslicemethod；strengthreductionmethod1．概述土釘作為一種基坑支護(hù)型式，由于基坑變形較小，工程造價(jià)低廉，近年來在工程實(shí)踐中得到了廣泛應(yīng)用。雖然我國(guó)在土釘?shù)难芯亢蛻?yīng)用方面晚于國(guó)外，但應(yīng)用數(shù)量之多，型式之多樣，理論研究之深入，都處于領(lǐng)先水平。尤其是自上世紀(jì)九十年代發(fā)展起來的復(fù)合型土釘支護(hù)，更是擴(kuò)展了土釘支護(hù)的應(yīng)用范圍；以前被視為土釘應(yīng)用禁區(qū)的高水位、松軟土地層中現(xiàn)在廣泛采用復(fù)合型土釘作為基坑的支護(hù)手段?？梢哉f，復(fù)合型土釘支護(hù)是為了適應(yīng)不同的地層條件、不同的環(huán)境要求和不同的基坑開挖深度而快速發(fā)展起來的[1]。工程中應(yīng)用較多的復(fù)合型土釘支護(hù)型式概括起來有以下幾種：1.1土釘與水泥土攪拌樁或高壓旋噴樁組成的復(fù)合支護(hù)該型式主要用于高水位松軟地層中，使用水泥土攪拌樁排形成基坑的隔水帷幕，同時(shí)也作為對(duì)開挖土體的超前加固，可以明顯減少坑底軟弱土體的隆起。這種型式在沿海地區(qū)，如上海、江蘇、浙江、福建、廣東等地區(qū)的湖、海相沉積地層中應(yīng)用廣泛。該地層地下水位較高且有一定的透水性，土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)較低。復(fù)合型土釘支護(hù)用于開挖7m以內(nèi)的基坑工程相當(dāng)成功，已作為一種首選支護(hù)型式而被廣泛采用。1.2土釘與土層錨桿組成的復(fù)合支護(hù)為了限制基坑邊坡的位移量，在土釘支護(hù)中，設(shè)置一定數(shù)量的預(yù)應(yīng)力錨桿（包括可以施加預(yù)應(yīng)力的自鉆式錨桿），通過施加預(yù)應(yīng)力約束土體變形，效果比較顯著。1.3土釘與樁-錨（支撐）系統(tǒng)組成的復(fù)合支護(hù)開挖8～10m的基坑時(shí)，為了發(fā)揮上層土體自身的強(qiáng)度，而對(duì)上層土體采用土釘支護(hù)，下層土體采用樁錨結(jié)構(gòu)或樁加支撐的支護(hù)體系。這種復(fù)合支護(hù)型式在上海、北京、杭州、大連、廣州及煙臺(tái)等地均有采用，經(jīng)濟(jì)性、安全性各方面效果均比較顯著。1.4土釘與微型樁組成的復(fù)合支護(hù)在有些沿海地區(qū)如寧波、臺(tái)州、溫州等地，存在深厚的淤泥地層，土體雖然飽和含水，但滲透性差。這類基坑開挖中的主要問題是解決坑底的隆起變形。為此在基坑開挖面打一排微形樁，微形樁可以是鋼管注漿樁、鋼板樁，更多的是采用木樁。該形式雖然對(duì)減少坑底隆起和防止邊坡坍塌有一定作用，但一般邊坡位移比較大。綜上所述，復(fù)合型土釘支護(hù)技術(shù)是適應(yīng)不同工程要求發(fā)展起來的。由于復(fù)合型土釘支護(hù)是傳統(tǒng)的土釘支護(hù)與其它工藝的組合，所以原先對(duì)土釘支護(hù)的認(rèn)識(shí)和設(shè)計(jì)計(jì)算方法必須更新和深入探討。為此，全國(guó)的巖土錨固工作者針對(duì)以上各種新的復(fù)合土釘支護(hù)型式進(jìn)行了大量的研究工作。清華大學(xué)較早對(duì)復(fù)合土釘支護(hù)進(jìn)行了有限元分析[2][3]。解放軍理工大學(xué)采用非線性平面應(yīng)變有限元方法對(duì)軟弱土層中復(fù)合土釘支護(hù)的變形進(jìn)行了分析。北京工業(yè)大學(xué)對(duì)復(fù)合土釘支護(hù)進(jìn)行匯總，并提出7種作用型式[4]。浙江大學(xué)針對(duì)超前鋼管型復(fù)合土釘支護(hù)進(jìn)行了計(jì)算分析，提出雙圓弧分析方法。所有這些分析多建立在某種假定基礎(chǔ)之上，雖然得出了一些有益的結(jié)論，但對(duì)復(fù)合土釘支護(hù)的機(jī)理沒有統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。更有甚者，很多工程的設(shè)計(jì)還是建立在樁－錨結(jié)構(gòu)，荷載－結(jié)構(gòu)體系的分析方法上。本文基于復(fù)合土釘支護(hù)從變形到破壞的全過程的觀察和描述，提出復(fù)合土釘支護(hù)的人工構(gòu)成邊坡屬性，并進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，以此作為主要手段進(jìn)行復(fù)合土釘支護(hù)基坑設(shè)計(jì)的依據(jù)。2復(fù)合型土釘支護(hù)基坑的變形機(jī)理變形機(jī)理研究可以通過模型試驗(yàn)和計(jì)算機(jī)模擬，但更直接、有效的方法是對(duì)實(shí)際工程變形的發(fā)展全過程進(jìn)行跟蹤觀察。根據(jù)上海地區(qū)多年來設(shè)計(jì)和施工的經(jīng)驗(yàn)，可以總結(jié)出復(fù)合型土釘支護(hù)地表裂縫的發(fā)展基本上分為三個(gè)階段，如圖1~3所示。而包含以上的裂縫產(chǎn)生過程，復(fù)合土釘支護(hù)從裂縫的逐條產(chǎn)生、持續(xù)發(fā)展到最后的破壞可分為五個(gè)階段，如圖1~5所示：圖1第一條地面裂縫的產(chǎn)生Fig.1Thefirstcrackdevelopedontheslope圖2第二條地面裂縫的產(chǎn)生Fig.2Thesecondcrackontheslope圖3第三條地面裂縫的產(chǎn)生Fig.3Thethirdcrackontheslope圖4第三條裂縫持續(xù)發(fā)展伴隨坑底隆起Fig.4Thethirdcrackkeepdevelopingwithbottomupheave圖5伴隨攪拌樁剪斷復(fù)合土釘支護(hù)發(fā)生整體破壞Fig.5CSNWfailswiththeDeepMixingPilesbroken2.1第一階段：基坑尚未開挖到底，就在攪拌樁后出現(xiàn)第一組裂縫；通常情況在開挖至1.8m～2.0m深，施作第一排土釘時(shí)如果注漿過程壓力偏高或注漿量偏大，在水泥土攪拌樁與土的交界處就會(huì)產(chǎn)生一條地表裂縫，也可能在施工完第一排土釘開挖第二層土體時(shí)產(chǎn)生、裂縫寬度3～5mm，深度50cm左右，不會(huì)發(fā)展成危險(xiǎn)裂縫，但必須及時(shí)封堵，不使地表水滲入，從而惡化土釘受力條件。該裂縫通常是由于攪拌樁和樁后土體的剛度相差較大導(dǎo)致的，同時(shí)與土釘注漿壓力也有關(guān)。2.2第二階段：基坑邊坡土體在沿角度方向的潛在滑裂面與坑外地表面相交位置出現(xiàn)第二組裂縫；第二組裂縫，可以認(rèn)為是隨著基坑開挖深度的增加，土體自身的強(qiáng)度逐漸發(fā)揮，并達(dá)到了較高的應(yīng)力水平而產(chǎn)生的裂縫。通常寬度3～30mm，深度500～1000mm。對(duì)該階段滑裂面的推測(cè)，如圖2所示。對(duì)于沒有土釘支護(hù)的土質(zhì)邊坡，第二階段顯示的滑裂面就是最危險(xiǎn)滑裂面。但是由于土釘?shù)募庸套饔?，這條潛在滑裂面以上的土體不會(huì)沿該面滑動(dòng)。該裂縫可能成為地表水灌入地下的通道，增加靜水壓力，降低土體強(qiáng)度，因此應(yīng)及時(shí)封堵。2.3第三階段：基本上是在土釘末端位置，地表出現(xiàn)一條豎直的第三組裂縫，且裂縫比較深，同時(shí)坑底墻趾前2～3m左右隆起一個(gè)“小土包”。如果設(shè)計(jì)有一定安全度，施工也比較謹(jǐn)慎，該組裂縫不會(huì)產(chǎn)生或比較細(xì)微。但當(dāng)設(shè)計(jì)安全度偏低，或施工中有超挖，地面超載過大等現(xiàn)象，第三組裂縫就會(huì)產(chǎn)生且十分明顯。裂縫通常在土釘?shù)哪┒瞬炕蚩拷瞬?～2m處，往往產(chǎn)生于基坑單邊長(zhǎng)度中部呈弧形分布。第三組裂縫的出現(xiàn)說明土體強(qiáng)度已充分發(fā)揮，土釘作用也充分調(diào)動(dòng)，基坑接近極限平衡狀態(tài)。所以必須盡量避免該裂縫的出現(xiàn)。如果該組裂縫出現(xiàn)則必須及時(shí)采取搶救措施。2.4第四階段：第三組裂縫持續(xù)發(fā)揮發(fā)展，兩側(cè)土體產(chǎn)生高差，基坑底部有隆起?？拥淄馏w的嶺狀隆起通常在距圍護(hù)水泥樁2.0m處，表明第三組裂縫即最危險(xiǎn)滑裂面已接近貫穿全部土體，邊坡滑動(dòng)破壞將在很短時(shí)間（可能幾分鐘）內(nèi)發(fā)生。此時(shí)需要立即進(jìn)行基坑回填。2.5第五階段：水泥土攪拌樁被剪斷，滑裂面完全貫通，土體下滑。邊坡破壞后，可觀察到明顯的滑弧，此時(shí)土釘并沒有完全拔出，但是土釘注漿體與周圍土體的錨固作用已經(jīng)完全發(fā)揮，土釘產(chǎn)生彎折，如圖6所示。圖6基坑整體破壞后土釘形態(tài)Fig.6TheshapeofsoilnailsafterCSNWfails通過以上描述可以得出結(jié)論，復(fù)合型土釘支護(hù)的基坑的失穩(wěn)是比較典型的邊坡破壞，這種邊坡為人工加固的邊坡——邊坡的構(gòu)成要素為：邊坡范圍的土體、作為超前支護(hù)的水泥土攪拌樁，以及注漿土釘。這三者共同提供了抵御邊坡滑動(dòng)的抵抗力矩。分析計(jì)算表明：通常情況下由土體的抗剪能力構(gòu)成的抵抗力矩約占全部抗滑力矩的50%以上，由水泥土攪拌樁的抗剪能力構(gòu)成的抵抗力矩約占全部抗滑力矩的20～25%，由土釘?shù)淖饔卯a(chǎn)生的抵抗力矩占全部抗滑力矩的25～30%。此外，土釘?shù)囊粋€(gè)重要作用是將土體聯(lián)成整體，促使?jié)撛诘幕泼嫱筠D(zhuǎn)移，使更多的土體參與抗滑。3復(fù)合土釘支護(hù)的整體穩(wěn)定性計(jì)算既然復(fù)合土釘支護(hù)具有邊坡的屬性，那么計(jì)算邊坡穩(wěn)定的常用方法，主要是條分法，就可以移植到計(jì)算中來。通過工程實(shí)踐，本文主要推薦兩種計(jì)算整體穩(wěn)定性的方法：雙圓弧滑動(dòng)法和強(qiáng)度折減法。前者基于極限平衡理論，是對(duì)傳統(tǒng)的簡(jiǎn)單條分法的改進(jìn)，適用于工程設(shè)計(jì)；后者是基于彈塑性有限元法（有限差分法）數(shù)值分析，適用于理論研究和復(fù)雜工程問題的定性分析。3.1雙圓弧滑動(dòng)法雙圓弧滑動(dòng)法作為對(duì)簡(jiǎn)單圓弧滑動(dòng)法的改進(jìn)，主要是考慮由于攪拌樁的作用，滑裂面在攪拌樁處的的曲率發(fā)生變化（如圖7所示），滑裂面在坑底處半徑由R0變?yōu)镽1（R1<=R0）。圖7計(jì)算邊坡穩(wěn)定的雙圓弧法示意圖Fig.7Thesketchmapofdouble-circleslicemethod在沒有攪拌樁超前支護(hù)的土釘支護(hù)中，滑弧接近單一的圓弧。但是在復(fù)合土釘支護(hù)中，攪拌樁（在計(jì)算中按土條考慮）的作用除用來增加土的自立性和不透水性外，由于其剛度與周圍土體相差較大，會(huì)破壞滑裂面圓弧的單一性。對(duì)失穩(wěn)基坑的觀察也發(fā)現(xiàn)：在坡腳前有限的距離內(nèi)（2~3m左右）隆起劇烈。因此可以推測(cè)，滑裂面以攪拌樁為界限，曲率發(fā)生變化，滑裂面不再是同一個(gè)圓弧了。采用雙圓弧法的優(yōu)點(diǎn)是將坑底土體對(duì)于邊坡抗滑的貢獻(xiàn)降到一個(gè)比較客觀的比例，但同時(shí)給計(jì)算帶來一定的困難。根據(jù)上海地區(qū)軟土地層的經(jīng)驗(yàn)：R1與R0的比例一般為0.3，同時(shí)建議搜索區(qū)域如圖8所示。該方法在的可行性得到了大量工程實(shí)例的支持，在對(duì)大量成功的復(fù)合土釘支護(hù)用該方法進(jìn)行復(fù)核后，推薦控制位移整體穩(wěn)定系數(shù)值為1.4，推薦基坑整體穩(wěn)定系數(shù)最小值1.2。但是由于該方法假設(shè)比較多，是建立在上海地區(qū)典型地層的基礎(chǔ)上提出的，故將該方法應(yīng)用于各種地質(zhì)條件下還須做進(jìn)一步研究和驗(yàn)證。圖8搜索第三裂縫發(fā)展階段滑裂面和穩(wěn)定系數(shù)的計(jì)算模型Fig.8Empiricalmodelemployedtosearchthefailuresurfaceandtheglobalsafetyfactorofthethirdcrackdevelopingphase3.2強(qiáng)度折減法所謂強(qiáng)度折法就是將土體的強(qiáng)度指標(biāo)C和Φ，用一個(gè)折減系數(shù)，如式(1)和(2)所示的形式進(jìn)行折減，然后用折減后的虛擬抗剪強(qiáng)度指標(biāo)CF和ΦF，取代原來的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)C和Φ，如式（3）所示。CF=C/Fs(1)ΦF=tan-1((tanΦ)/Fs)(2)τF=CF+σtanΦF(3)式中：CF是折減后土體虛擬的粘聚力；ΦF是折減后土體虛擬的內(nèi)摩擦角；τF是折減后的強(qiáng)度。當(dāng)使用某一折減后的強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行復(fù)合土釘支護(hù)彈塑性有限元（有限差分法）計(jì)算，將計(jì)算不收斂時(shí)對(duì)應(yīng)的作為最后計(jì)算所得的穩(wěn)定系數(shù)。雖然目前對(duì)強(qiáng)度折減法中“不收斂”的定義比較多，爭(zhēng)議也比較大，但是該方法考慮了復(fù)合土釘支護(hù)的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)和土與結(jié)構(gòu)的相互作用，其優(yōu)越性是相當(dāng)明顯的。圖9為某軟土地區(qū)的復(fù)合土釘支護(hù)采用強(qiáng)度折減法計(jì)算的剪應(yīng)變?cè)隽吭撇蕡D。圖中很明顯的反映出了復(fù)合土釘支護(hù)的兩條主要裂縫的形態(tài)。圖9某工程算例的剪應(yīng)變?cè)隽吭撇蕡D。Fig.9ContourMapofShearStrainincrementofadesignsample3.3對(duì)復(fù)合型土釘支護(hù)計(jì)算方法的再討論如前文所述，復(fù)合型土釘支護(hù)的工作性狀表明其邊坡的屬性，因此在實(shí)際工程的設(shè)計(jì)中采用條分法計(jì)算支護(hù)的整體穩(wěn)定性（不管是采用單圓弧簡(jiǎn)單條分、雙圓弧條分或其它基于條分法的改進(jìn)方法），在計(jì)算參數(shù)合理、安全系數(shù)把握正確的條件下足以保證基坑支護(hù)的安全度。套用重力式壩體的設(shè)計(jì)方法計(jì)算復(fù)合型土釘支護(hù)的抗傾覆和抗滑移是不必要的。在在實(shí)際工程中，復(fù)合土釘支護(hù)多應(yīng)用于軟弱地層中，土釘長(zhǎng)度一般為開挖深度的1.5～3.0倍，傾覆安全系數(shù)均大于10，甚至達(dá)到30，抗滑移系數(shù)也很大。在工程實(shí)踐中，也沒有發(fā)現(xiàn)過類似的破壞型式。此外，套用樁錨結(jié)構(gòu)體系（荷載－結(jié)構(gòu)體系）的設(shè)計(jì)方法，如果側(cè)重土釘?shù)目拱悟?yàn)算而忽視邊坡整體穩(wěn)定性的分步計(jì)算，極有可能出現(xiàn)工程事故。4存在的問題及研究方向雖然研究者眾多，成果頗豐，但復(fù)合型土釘支護(hù)目前的現(xiàn)狀仍然是工程實(shí)踐領(lǐng)先于理論研究，這主要表現(xiàn)為目前設(shè)計(jì)人員普遍采用的方法仍然是通過工程類比確定土釘?shù)拈g距、長(zhǎng)度和水泥土攪拌樁的寬度和強(qiáng)度指標(biāo)。仍然不能將土釘參數(shù)、水泥土攪拌樁的參數(shù)與土性參數(shù)建立聯(lián)系，接由土性參數(shù)、開挖深度及周邊邊環(huán)境要求，通過計(jì)算優(yōu)化土釘間距、長(zhǎng)度以及土攪拌樁的強(qiáng)度及寬度。這應(yīng)該是后一階段復(fù)合土釘支護(hù)研究的方向。目前，復(fù)合型土釘支護(hù)由于造價(jià)方面的優(yōu)勢(shì)而得以廣泛應(yīng)用，但在有些地層中應(yīng)用土釘支護(hù)是比較勉強(qiáng)的，如深厚的淤泥地層，這種地層中基坑開挖卸載引起的應(yīng)力變化波及的范圍很遠(yuǎn)、很深，且伴隨時(shí)間延續(xù)，產(chǎn)生的流變過程都會(huì)對(duì)周邊環(huán)境及支護(hù)邊坡的安全有相當(dāng)大的影響，工程界的任務(wù)是針對(duì)該類地層發(fā)展更有效的復(fù)合型式，如竹筋與土釘?shù)膹?fù)合等。參考文獻(xiàn)(References)：李象范，徐水根.復(fù)合型土釘擋墻的研究[J].上海地質(zhì)，1999年第三期：1～11.(LiXiangfan，XuS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