土釘墻的起源與發(fā)展概況

第第頁土釘墻的起源與發(fā)展概況國外土釘墻技術(shù)起源有二:一是20世紀(jì)50年代形成的新奧地利隧道開挖方法(NewAustrianTunnellingMethod)，簡稱新奧法(NATM)，二是60年代初期最早在法國發(fā)展起來的加筋土技術(shù)。70年代，德國、法國、美國、西班牙、巴西、匈牙利、日本等國家?guī)缀踉谕粫r(shí)期各自獨(dú)立開始了現(xiàn)代土釘墻技術(shù)的研究與應(yīng)用!。國際上有詳細(xì)記載的第一個(gè)士釘墻工程是1972年法國在凡爾塞附近的一處鐵路路塹的邊坡支護(hù)工程,德國1979年在斯圖加特建造了第一個(gè)永久性土釘墻工程，美國有詳細(xì)記載的一個(gè)工程是1976年在俄勒岡州波特蘭市一所醫(yī)院擴(kuò)建工程的基礎(chǔ)開挖。1979年巴黎地基加固國際會(huì)議之后，由于各國信息交流，改變了以前各自獨(dú)立研究狀態(tài)，使得土釘墻技術(shù)得到迅速發(fā)展和應(yīng)用，1990年在美國召開的擋土結(jié)構(gòu)國際學(xué)術(shù)會(huì)議上，土釘墻作為一個(gè)獨(dú)立的專題與其它支擋形式并列，成為了一個(gè)獨(dú)立的地基加固學(xué)科分支。國內(nèi)土釘墻技術(shù)的起源也有二2:一是國外的土釘墻技術(shù)，二是在國內(nèi)地下工程中應(yīng)用廣泛的噴錨技術(shù)。有記載的首例工程是山西太原煤礦設(shè)計(jì)院王步云1980年將土釘墻用于山西柳灣煤礦的邊坡支護(hù)。90年代以后國內(nèi)深基坑工程大規(guī)模興起，有學(xué)者嘗試著將土釘墻技術(shù)用于基坑，目前了解到的首例工程為1991年胡建林等人完成的金安大廈基坑，位于深圳市羅湖區(qū)文錦南路，周長約100m，開挖深度6~7m。半年后(1992年)開挖深度達(dá)12.5m的深圳發(fā)展銀行大廈基坑采用土釘墻獲得成功3，引起了巖土工程界的極大興趣與廣泛重視。之后土釘墻技術(shù)異軍突起，得到了廣泛而迅猛的應(yīng)用與研究。90年代中期以后，多個(gè)國家、行業(yè)及地方規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的相繼出臺(tái)，使土釘墻技術(shù)得到了進(jìn)一步的普及與提高。人們?cè)趹?yīng)用土釘墻的過程中逐漸意識(shí)到，土釘墻由于自身固有的缺陷在某些場合不適用，需要與其它支護(hù)構(gòu)件聯(lián)合使用，這樣復(fù)合土釘墻技術(shù)便應(yīng)運(yùn)而生。法國1985年在蒙彼利埃歌劇院深21m的基坑開挖臨時(shí)支護(hù)中采用角鋼擊入釘上部加一排錨桿，德國1983年建造慕尼黑地鐵時(shí)在一處18m深的臨時(shí)性土釘墻支護(hù)中采用注漿帷幕處理地下水取得成功,不過國外并沒有刻意強(qiáng)調(diào)復(fù)合支護(hù)這一概念。國內(nèi)程良奎1989年在深圳卷煙廠邊坡工程中成功應(yīng)用了土釘墻與錨桿的聯(lián)合支護(hù)，楊志銀在1996年1月完工的深圳興華廣場基坑工程中成功應(yīng)用了土釘墻與深層攪拌樁的聯(lián)合支護(hù)。90年代中后期國內(nèi)逐步建立了復(fù)合土釘墻概念，這是較大的突破，不僅有實(shí)際的工程意義，而且復(fù)合支護(hù)理論也促成、指導(dǎo)了更多新技術(shù)的形成。進(jìn)入21世紀(jì)之后因種種原因，國內(nèi)多個(gè)城市陸續(xù)對(duì)土釘墻的應(yīng)用進(jìn)行了限制，這種情況下突出復(fù)合土釘墻的概念更是極具現(xiàn)實(shí)意義。土釘墻技術(shù)在我國已成為基坑支護(hù)主要技術(shù)之一。盡管起步較晚，但設(shè)計(jì)施工水平已經(jīng)在世界上處于領(lǐng)先地位，部分理論研究成果也屬于先進(jìn)行列，其中有一些獨(dú)特的成就，如:①突出了復(fù)合土釘墻技術(shù)，可適用于絕大多數(shù)復(fù)雜的地質(zhì)條件及周邊環(huán)境，甚至在流塑狀淤泥等極軟弱土層中也有很多成功的案例。②發(fā)明或改進(jìn)了許多施工設(shè)備、施工技術(shù)、施工方法，如洛陽鏟成孔、人工滑錘打入、潛孔錘打入等，大幅度降低了工程造價(jià)，使土釘墻技術(shù)得以迅速普及。③應(yīng)用的工程規(guī)模、工程量很大，噴射混凝土1萬m'、土釘總長度10萬m以上的工程已屢見不鮮。2002年完成的深圳市長城盛世家園二期，基坑開挖21.7m，最大乖直開挖深度19m,采用錨索復(fù)合土釘墻獲得成功,標(biāo)志著土釘墻技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了很高水平[4]不足之處在于:①國內(nèi)的研究工作以小型的現(xiàn)場測試為主，室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬、理論分析等工作做得不多，整體理論水平不高，缺乏有國際影響力的理論研究，缺少大規(guī)模、足尺寸的試驗(yàn)研究、全面的準(zhǔn)確的現(xiàn)場測試，也缺乏具有廣泛應(yīng)用價(jià)值的數(shù)值模擬分析。②工程中存在著不管適合不適合就盲目應(yīng)用現(xiàn)象。此外，由于土釘數(shù)量眾多，難以監(jiān)控，施工質(zhì)量難以保證，毋庸諱言，這是近些年來土釘墻工程事故屢見不鮮的主要原因。經(jīng)過數(shù)十年的工程實(shí)踐，土釘墻在房屋建筑、市政、交通、港口、水利水電、電力、機(jī)場、礦山、人防、煤炭、國防等多個(gè)工程領(lǐng)域得到普遍應(yīng)用!，本書主要介紹其在基坑工程中的應(yīng)用。9.2土釘墻的類型、特點(diǎn)及適用條件9.2.1土釘墻的概念土釘墻是近30多年發(fā)展起來的用于土體開挖時(shí)保持基坑側(cè)壁或邊坡穩(wěn)定的一種擋土結(jié)構(gòu)!，主要由密布于原位土體中的細(xì)長桿件一土釘、粘附于土體表面的鋼筋混凝土面層及土釘之間的被加固土體組成，是具有自穩(wěn)能力的原位擋土墻，可抵抗水土壓力及地面附加荷載等作用力，從而保持開挖面穩(wěn)定。這是土釘墻的基本形式。復(fù)合土釘墻是近10多年來在土釘墻基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型支護(hù)結(jié)構(gòu)，土釘墻與各種止水帷幕、微型樁及預(yù)應(yīng)力錨桿等構(gòu)件結(jié)合起來,根據(jù)工程具體條件選擇與其中一種或多種組合,形成了復(fù)合土釘墻。本書中“土釘墻”一詞一般指基本型，在不會(huì)產(chǎn)生歧義的情況下有時(shí)也泛指復(fù)合型。9.2.2土釘墻的基本結(jié)構(gòu)除了被加固的原位土體外，土釘墻由土釘、面層及必要的防排水系統(tǒng)組成，其結(jié)構(gòu)參數(shù)與土體特性、地下水狀況、支護(hù)面角度、周邊環(huán)境(建構(gòu)筑物、市政管線等)、使用年限、使用要求等因素相關(guān)。1.土釘類型土釘即置放于原位土體中的細(xì)長桿件，是土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)中的主要受力構(gòu)件。常用的土釘有以下幾種類型:(1)鉆孔注漿型。先用鉆機(jī)等機(jī)械設(shè)備在土體中鉆孔，成孔后置入桿體(一般采用HRB335帶肋鋼筋制作)，然后沿全長注水泥漿。鉆孔注漿釘幾乎適用于各種土層，抗拔力較高，質(zhì)量較可靠，造價(jià)較低，是最常用的土釘類型。(2)直接打入型。在土體中直接打入鋼管、角鋼等型鋼、鋼筋、毛竹、圓木等，不再注漿。由于打入式土釘直徑小，與土體間的粘結(jié)摩阻強(qiáng)度低，承載力低，釘長又受限制，所以布置較密，可用人力或振動(dòng)沖擊鉆、液壓錘等機(jī)具打入。直接打入土釘?shù)膬?yōu)點(diǎn)是不需預(yù)先鉆孔，對(duì)原位土的擾動(dòng)較小，施工速度快，但在堅(jiān)硬粘性土中很難打入，不適用于服務(wù)年限大于2年的永久支護(hù)工程，桿體采用金屬材料時(shí)造價(jià)稍高，國內(nèi)應(yīng)用很少。(3)打入注漿型。在鋼管中部及尾部設(shè)置注漿孔成為鋼花管，直接打入土中后壓灌水泥漿形成土釘。鋼花管注漿土釘具有直接打入釘?shù)膬?yōu)點(diǎn)且抗拔力較高，特別適合于成孔困難的淤泥、淤泥質(zhì)土等軟弱土層、各種填土及砂土，應(yīng)用較為廣泛，缺點(diǎn)是造價(jià)比鉆孔注漿土釘略高，防腐性能較差不適用于永久性工程。2.面層及連接件(1)面層。土釘墻的面層不是主要受力構(gòu)件。面層通常采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土般采用噴射工藝而成，偶爾也采用現(xiàn)澆，或用水泥砂漿代替混凝土。(2)連接件。連接件是面層的一部分，不僅要把面層與土釘可靠地連接在一起，也要使土釘之間相互連接。面層與土釘?shù)倪B接方式大體有釘頭筋連接及墊板連接兩類，土釘之間的連接一般采用加強(qiáng)筋。3．防排水系統(tǒng)地下水對(duì)土釘墻的施工及長期工作性能有著重要影響，土釘墻要設(shè)置防排水系統(tǒng)。9.2.3土釘墻的特點(diǎn)與其它支護(hù)類型相比,土釘墻具有以下一些特點(diǎn)或優(yōu)點(diǎn):①能合理利用土體的自穩(wěn)能力，將土體作為支護(hù)結(jié)構(gòu)不可分割的部分，結(jié)構(gòu)合理;②結(jié)構(gòu)輕型，柔性大，有良好的抗震性和延性，破壞前有變形發(fā)展過程。1989年美國加州7.1級(jí)地震中，震區(qū)內(nèi)有8個(gè)土釘墻結(jié)構(gòu)估計(jì)遭到約0.4g水平地震加速度作用，均未出現(xiàn)任何損害跡象，其中3個(gè)位于震中33km范圍內(nèi)。2008年5月12日四川汶川80級(jí)大地震中，據(jù)目前調(diào)查發(fā)現(xiàn)，路或路堤采用土釘或錨桿結(jié)構(gòu)支護(hù)的道路尚保持通車能力，土釘或錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)基本沒有破壞或輕微破壞，其抗震性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它支護(hù)結(jié)構(gòu)!;③密封性好，完全將土坡表面覆蓋，沒有裸露土方，阻止或限制了地下水從邊坡表面滲出，防止了水土流失及雨水、地下水對(duì)邊坡的沖刷侵蝕:④)土釘數(shù)量眾多靠群體作用，即便個(gè)別土釘有質(zhì)量問題或失效對(duì)整體影響不大。有研究表明[8.當(dāng)某條土釘失效時(shí)，其周邊土釘中，上排及同排的土釘分擔(dān)了較大的荷載:⑤施工所需場地小，移動(dòng)靈活，支護(hù)結(jié)構(gòu)基本不單獨(dú)占用空間，能貼近已有建筑物開挖，這是樁、墻等支護(hù)難以做到的，故在施工場地狹小、建筑距離近、大型護(hù)坡施工設(shè)備沒有足夠工作面等情況下顯示出獨(dú)特的優(yōu)越性;⑥施工速度快。土釘墻隨土方開挖施工，分層分段進(jìn)行，與土方開挖基本能同步，不需養(yǎng)護(hù)或單獨(dú)占用施工工期，故多數(shù)情況下施工速度較其它支護(hù)結(jié)構(gòu)快:⑦施工設(shè)備及工藝簡單，不需要復(fù)雜的技術(shù)和大型機(jī)具，施工對(duì)周圍環(huán)境干擾小:⑧由于孔徑小，與樁等施工方法相比，穿透卵石、漂石及填石層的能力更強(qiáng)一些;且施工方便靈活，開挖面形狀不規(guī)則、坡面傾斜等情況下施工不受影響:⑨邊開挖邊支護(hù)便于信息化施工，能夠根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)及開挖暴露的地質(zhì)條件及時(shí)調(diào)整土釘參數(shù),一旦發(fā)現(xiàn)異?；?qū)嶋H地質(zhì)條件與原勘察報(bào)告不符時(shí)能及時(shí)相應(yīng)調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)，避免出現(xiàn)大的事故，從而提高了工程的安全可靠性;⑩材料用量及工程量較少，工程造價(jià)較低。據(jù)國內(nèi)外資料分析，土釘墻工程造價(jià)比其它類型支擋結(jié)構(gòu)一般低1/3~1/5。9.2.4復(fù)合土釘墻的類型及特點(diǎn)1.復(fù)合土釘墻類型復(fù)合土釘墻早期稱為“聯(lián)合支護(hù)”，如土釘與預(yù)應(yīng)力錨桿聯(lián)合支護(hù)、土釘與深層攪拌樁聯(lián)合支護(hù)等，后來國內(nèi)又陸續(xù)出現(xiàn)了“止水型土釘墻”、“結(jié)合型土釘墻”、“加強(qiáng)型土釘墻”、“新型土釘墻”、“超前支護(hù)噴錨網(wǎng)”等稱呼，近幾年來逐漸統(tǒng)稱為“復(fù)合土釘墻”或“復(fù)合土釘”。與土釘墻復(fù)合的構(gòu)件主要有預(yù)應(yīng)力錨桿、止水帷幕及微型樁3類,或單獨(dú)或組合與土釘墻復(fù)合，形成了7種形式，如圖9-1所示。(1)土釘墻+預(yù)應(yīng)力錨桿土坡較高或?qū)吰碌乃轿灰埔筝^嚴(yán)格時(shí)經(jīng)常采用這種形式。土坡較高時(shí)預(yù)應(yīng)力錨桿可增加邊坡的穩(wěn)定性，此時(shí)錨桿在豎向上分布較為均勻:如需限制坡頂?shù)奈灰疲蓪U布置在邊坡的上部。因錨桿造價(jià)較土釘高很多，為降低成本，錨桿可不整排布置，而是與土釘間隔布置，效果較好，如圖9-1a所示。這種復(fù)合形式在邊坡支護(hù)工程中應(yīng)用較為廣泛。(2)土釘墻+止水帷幕降水容易引起基坑周圍建筑、道路的沉降，造成環(huán)境破壞，引起糾紛，所以在地下水豐富的地層中開挖基坑時(shí),目前普遍傾向于采用帷幕隔水,隔水后在坑內(nèi)集中隆水或明排隆水。土釘墻與止水帷幕的復(fù)合形式如圖9-1b所示。學(xué)者們?cè)缙谥皇前阎顾∧蛔鳛槭┕ご胧?以解決軟土、新近填土或含水量大的砂土開挖面臨時(shí)自穩(wěn)問題，認(rèn)為止水帷幕具有隔水、預(yù)加固開挖面及開挖導(dǎo)向(沿著帷幕向下開挖容易形成規(guī)整的豎向平面)作用,后來逐漸發(fā)現(xiàn)，止水帷幕對(duì)提高基坑側(cè)壁的穩(wěn)定性、減少基坑變形、防止坑底隆起及滲流破壞等問題上也大有幫助。止水帷幕可采用深層攪拌法、高壓噴射注漿法及壓力注漿等方法形成，其中攪拌止水帷幕效果好，造價(jià)便宜，通常情況下優(yōu)先采用。在填石層、卵石層等攪拌樁難以施工的地層常使用旋噴樁或擺噴樁替代，壓力注漿可控性較差、效果難以保證，一般不作為止水帷幕單獨(dú)采用。這種復(fù)合形式在南方地區(qū)較為常見，多用于土質(zhì)較差、基坑開挖不深時(shí)。(3)土釘墻+微型樁有時(shí)將第2種復(fù)合支護(hù)形式中兩兩相互搭接連續(xù)成墻的止水帷幕替換為斷續(xù)的、不起擋水作用的微型樁，如圖9-1c所示。這么做的原因主要有:地層中沒有砂層等強(qiáng)透水層或地下水位較低，止水帷幕效用不大;土體較軟弱，如填土、軟塑狀粘性土等，需要豎向構(gòu)件增強(qiáng)整體性、復(fù)合體強(qiáng)度及開挖面臨時(shí)自立性能，但攪拌樁等水泥土樁施工困難、強(qiáng)度不足或?qū)χ苓吔ㄖ飻_動(dòng)較大等原因不宜采用;超前支護(hù)減少基坑變形。這種復(fù)合形式在地質(zhì)條件較差時(shí)及北方地區(qū)較為常用。(4)土釘墻+止水帷幕+預(yù)應(yīng)力錨桿第2種復(fù)合支護(hù)形式中,有時(shí)需要采用預(yù)應(yīng)力錨桿以提高攪拌樁復(fù)合土釘墻的穩(wěn)定性及限制其位移，從而形成了這種復(fù)合形式，如圖9-1d所示。這種復(fù)合形式在地下水豐富地區(qū)滿足了大多數(shù)工程的實(shí)際需求，應(yīng)用最為廣泛。(5)土釘墻+微型樁+預(yù)應(yīng)力錨桿第3種復(fù)合支護(hù)形式中,有時(shí)需要采用預(yù)應(yīng)力錨桿以提高支護(hù)體系的穩(wěn)定性及限制其位移，從而形成了這種復(fù)合形式，如圖9-1e所示。這種支護(hù)形式變形小、穩(wěn)定性好，在不需要止水帷幕的地區(qū)能夠滿足大多數(shù)工程的實(shí)際需求，應(yīng)用較為廣泛，在北方地區(qū)應(yīng)用較多。(6)土釘墻十?dāng)嚢铇?微型樁攪拌樁抗彎及抗剪強(qiáng)度較低，在淤泥類軟土中強(qiáng)度更低，在軟土較深厚時(shí)往往不能滿足抗隆起要求，或者不能滿足局部抗剪要求，于是在第2種支護(hù)形式中加入微型樁構(gòu)成了這種形式，如圖9-1f所示。這種形式在軟土地區(qū)應(yīng)用較多，在土質(zhì)較好時(shí)一般不會(huì)采用。(7)七釘墻+止水帷幕+微型樁+預(yù)應(yīng)力錨桿這種支護(hù)形式如圖9-1g所示，構(gòu)件較多，工序較復(fù)雜，工期較長，支護(hù)效果較好，多用于深大及條件復(fù)雜的基坑支護(hù)。2．復(fù)合土釘墻特點(diǎn)復(fù)合土釘墻機(jī)動(dòng)靈活，可與多種技術(shù)并用，具有基本型土釘墻的全部優(yōu)點(diǎn)，又克服了其大多缺陷，大大拓寬了土釘墻的應(yīng)用范圍，得到了廣泛的工程應(yīng)用。目前通常在基坑開挖不深、地質(zhì)條件及周邊環(huán)境較為簡單的情況下使用土釘墻，更多時(shí)候采用的是復(fù)合土釘墻。其主要特點(diǎn)有：①與土釘墻相比，對(duì)土層的適用性更廣、更強(qiáng)，幾乎可適用于各種土層，如雜填土、新近填土、砂礫層、軟土等；整體穩(wěn)定性、抗隆起及抗?jié)B流等各種穩(wěn)定性大大提高，基坑風(fēng)險(xiǎn)相應(yīng)降低；增加了支護(hù)深度；能夠有效地控制基坑的水平位移等變形。②與樁錨、樁撐等傳統(tǒng)支護(hù)手段相比，保持了土釘墻造價(jià)低、工期快、施工方便、機(jī)械設(shè)備簡單等優(yōu)點(diǎn)。3．復(fù)合土釘墻分類的幾點(diǎn)探討（1）超前注漿加固為防止開挖面在土釘施工前發(fā)生剝落或坍塌，有時(shí)采取注漿等手段進(jìn)行超前加固，有些學(xué)者將之也視為復(fù)合土釘墻的一種。筆者認(rèn)為，注漿對(duì)穩(wěn)定的有利影響很難定量，一般設(shè)計(jì)上不予計(jì)算，只作為安全儲(chǔ)備，故將之歸類于施工措施更為妥當(dāng)一些。（2）土釘墻與排樁組合支護(hù)近些年來，為了在基坑安全性與工程造價(jià)之間取得較好的平衡，一些開挖較深的基坑采用了土釘墻與排樁組合支護(hù)的形式，按布置形式大體可分為3類：①上部分土釘墻或復(fù)合土釘墻，下部分排樁（樁錨或樁撐）；②土釘墻單元與排樁（樁錨或樁撐）單元左右間隔布置；③土釘與錨桿混合在一起的樁錨支護(hù)。第1、3種支護(hù)形式見本書其它章節(jié)，第2種見本節(jié)后面所述。筆者不太贊同將這3類支護(hù)形式歸為復(fù)合土釘墻，因?yàn)閺?fù)合土釘墻強(qiáng)調(diào)的仍是土釘墻技術(shù)，即以土釘為主要受力體，而這3種混合支護(hù)形式中，排樁均起了重要的作用，與土釘同等重要甚至更為重要，盡管排樁與土釘墻之間有著相互作用的機(jī)制，但其工作機(jī)理、設(shè)計(jì)理論等已與土釘墻相差甚遠(yuǎn)，視為組合結(jié)構(gòu)似更為妥當(dāng)。（3）微型樁復(fù)合支護(hù)微型樁嚴(yán)格意義上指直徑不大于250mm的小直徑鋼筋混凝土灌注樁，也稱作樹根樁、小樁等。復(fù)合土釘墻中所謂的微型樁是一種廣義上的概念，泛指這些構(gòu)件或作法：直徑不大于400mm的混凝土灌注樁，受力筋可為鋼筋籠或型鋼、鋼管等；角鋼、工字鋼、H型鋼、方鋼等各種型鋼；鋼管；注漿鋼花管；豎向錨桿；木樁；預(yù)制鋼筋混凝土樁；在止水帷幕中插入型鋼或鋼管等勁性材料（例如SMW工法），等等。預(yù)制管樁由于造價(jià)低、施工快等優(yōu)點(diǎn)，近年來在復(fù)合土釘墻中得到了越來越多的應(yīng)用，盡管其直徑較大，一般300~550mm，但因抗剪強(qiáng)度較低，如果在復(fù)合土釘墻中作為豎向增強(qiáng)構(gòu)件起輔助作用，也可將之歸類于廣義微型樁的一種。微型樁的剛度及強(qiáng)度對(duì)復(fù)合作用的影響很大。剛度及強(qiáng)度越大，復(fù)合支護(hù)體越具有樁錨支護(hù)的破壞形態(tài)及力學(xué)特征，可用上述組合支護(hù)的原理進(jìn)行分析計(jì)算；越小，則越接近土釘墻，可參照土釘墻的設(shè)計(jì)原理。然而，什么情況下可視為樁錨結(jié)構(gòu)或樁錨混合結(jié)構(gòu)，什么情況下可視為土釘墻，以及都有哪些因素起重要作用，目前尚不清楚。從目前的工程實(shí)踐來看，采用剛度及強(qiáng)度較大的微型樁（如直徑大于250mm的鋼筋混凝土樁、型號(hào)大于12的工字鋼及插入12號(hào)及以上H型鋼的SMW工法等）時(shí)，協(xié)調(diào)作用的效果較差，如果采用本章中所介紹的復(fù)合土釘墻設(shè)計(jì)理論，其抗剪強(qiáng)度要大打折扣，否則會(huì)偏于不安全。此時(shí)也可考慮采用樁錨設(shè)計(jì)理論進(jìn)一步復(fù)核，或采用有限元等數(shù)值分析方法輔助計(jì)算。9.2.5土釘與錨桿的比較對(duì)預(yù)應(yīng)力錨桿(索)的介紹詳見本書其它章節(jié)。本章中將預(yù)應(yīng)力錨桿(索)簡稱為錨桿，由錨頭、自由段及錨固段組成。土釘也稱為全長粘結(jié)型錨桿，全長與土體粘結(jié)，不分自由段與錨固段，與預(yù)應(yīng)力錨桿之間有著很大的區(qū)別!:①拉力分布:錨桿自由段不與土體接觸，剪力ī為零，拉力。在自由段內(nèi)保持不變:錨固段與周邊土體粘結(jié)相互作用產(chǎn)生剪應(yīng)力來平衡拉力，拉力在錨固段內(nèi)是變化的，從與自由段交界處向尾端單調(diào)遞減，如圖9-2a所示。土釘全長與土體相互作用產(chǎn)生方向相反的剪應(yīng)力ī[0，拉力o沿全長中間大、兩頭小，如圖9-2b所示;②對(duì)土體的約束機(jī)制:錨桿安裝后，通常施加預(yù)應(yīng)力，主動(dòng)約束擋土結(jié)構(gòu)的變形;而土釘一般不施加預(yù)應(yīng)力，須借助土體產(chǎn)生小量變形使土釘被動(dòng)受力，是一種被動(dòng)受力構(gòu)件;③密度及施工質(zhì)量要求:錨桿密度小，一般每6~9m’設(shè)置一根，每根都是重要的受力部件;而土釘密度大，靠土釘?shù)南嗷プ饔眯纬蓮?fù)合整體作用，個(gè)別土釘發(fā)生破壞或不起作用，對(duì)整體支護(hù)結(jié)構(gòu)影響不大，在施工質(zhì)量和精度上不需錨桿那么嚴(yán)格;④)設(shè)計(jì)承載力與錨頭結(jié)構(gòu):錨桿的設(shè)計(jì)承載力較大，一般大于200kN，為防止與錨頭接觸處的擋土結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生沖切或局部受壓破壞，錨頭構(gòu)造較為復(fù)雜;而土釘設(shè)計(jì)承載力較小，一般不大于120kN，最大壓力傳遞不到錨頭，錨頭受力較小，結(jié)構(gòu)簡單;⑤施工規(guī)模:錨桿長度一般不小于15m;直徑一般不小于130mm，施工機(jī)械設(shè)備較大較重;而土釘?shù)拈L度一般較短，直徑較小，施工機(jī)械體輕靈便:⑥擋土墻工作機(jī)理:錨桿擋土墻將庫倫破裂面前的主動(dòng)區(qū)土體作為荷載，通過錨桿傳遞到破裂面后穩(wěn)定區(qū)土內(nèi);土釘墻的作用機(jī)理大體可視為:通過加筋等作用將最危險(xiǎn)滑移面內(nèi)的主動(dòng)區(qū)的土體改良為具有一定穩(wěn)定性的復(fù)合土體，同時(shí)將復(fù)合土體作為荷載，通過土釘傳遞到最危險(xiǎn)滑移面后的穩(wěn)定土層以獲得安全儲(chǔ)備，使土釘長度范圍內(nèi)的復(fù)合土體具有足夠的自穩(wěn)能力及抗附加荷載能力；⑦施工順序：土釘墻一般要求隨土方開挖自上而下分層分段施工，錨桿擋土墻根據(jù)不同類型，可能采用自上而下或自下而上兩種施工順序；⑧注漿工藝：為獲得較高的承載力，錨桿通常在錨固段進(jìn)行二次高壓注漿，注漿壓力不小于2.5MPa；而土釘通常采用常壓重力式一次注漿，注漿壓力不超過0.6MPa；⑨墻底壓力：土釘對(duì)面層的反作用力的垂直分量較小，并且能更均勻地分布，故不需像肋板式錨桿擋墻那樣在面層立柱下設(shè)置基礎(chǔ)；⑩筋桿長度：土釘長度較錨桿短，減少了對(duì)擋土墻外側(cè)空間的需求。9.2.6土釘墻與重力式擋土墻的比較重力式擋土墻通過墻身自重來平衡墻后的土壓力以保持墻體穩(wěn)定。重力式擋墻破壞形式分為墻身強(qiáng)度破壞及穩(wěn)定性破壞兩大類，其中失穩(wěn)破壞有4種形式：a.墻體平面滑移；b.繞墻趾傾覆；c.地基沉降及不均勻沉降；d.擋墻連同土體整體失穩(wěn)。在早期，國內(nèi)外很多學(xué)者將土釘墻視為原位土中的加筋土擋墻，其作用機(jī)理類似于重力式擋墻，認(rèn)為土體在加筋及注漿等作用下得到加固，與土釘共同形成復(fù)合結(jié)構(gòu)，即“復(fù)合土體擋土墻”，利用其整體性來承受墻后的土壓力以維持邊坡的穩(wěn)定，故也存在著這些失穩(wěn)破壞形式，如圖9-3所示，認(rèn)為擋土墻設(shè)計(jì)時(shí)需對(duì)這些不同的破壞形式分別進(jìn)行穩(wěn)定性分析，稱之為外部穩(wěn)定性分析，同時(shí)為了區(qū)別，將破裂面部分或全部穿過了土釘墻內(nèi)部時(shí)的整體穩(wěn)定性稱之為內(nèi)部穩(wěn)定性。但土釘墻畢竟不是重力式擋墻,越來越多的學(xué)者懷疑按照重力式擋土墻理論去分析土釘墻尚缺乏足夠的證據(jù)。目前業(yè)界普遍認(rèn)為重力式擋土墻與土釘墻之間存在著較大的差別:①重力式擋土墻及加筋土擋土墻均是先構(gòu)筑擋墻后填土，而土釘墻先有土后開挖,施工順序不同導(dǎo)致了土壓力的分布及結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布均不同,能否采用相同的受力模型需要更深入的理論研究及工程實(shí)踐。②)重力式擋土墻一般被視為剛性體，在外力作用下不發(fā)生變形或變形微小可以忽略，這才可能出現(xiàn)整體性的滑移、轉(zhuǎn)動(dòng)、沉降等破壞形式。而土釘墻是柔性復(fù)合結(jié)構(gòu)，達(dá)不到重力式擋墻那樣的整體剛度及強(qiáng)度。③重力式擋土墻墻趾壓力較大是沉降乃至傾覆的重要原因之一。導(dǎo)致壓力較大的原因主要有二:一是擋土墻材料一般為漿砌手石或鋼筋混凝土，密度比土大25~50%;二是墻后土壓力產(chǎn)生的傾覆力矩導(dǎo)致基底壓力偏心，加大了墻趾壓力。而土釘墻不同。土釘墻幾乎沒有增加土的密度(增加幅度一般1%~3%);土釘墻底較寬，基底的偏心距很小，即便因偏心力矩導(dǎo)致墻趾壓力增加，其增加量也很小，故土釘墻墻趾壓力較天然狀態(tài)并不會(huì)顯著增加，一些工程實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)此給予了證實(shí)。土釘密度越大，土體的復(fù)合模量也越大，土釘墻受力后的變形也就越帶有重力式擋土墻平移、轉(zhuǎn)動(dòng)及墻底應(yīng)力增加等特征，但是，尚未有研究成果表明土釘?shù)拿芏冗_(dá)到何種程度后土釘墻才可能產(chǎn)生滑移、傾覆及沉降破壞，實(shí)際工程中土釘也遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有密集到能夠成“墻”。國內(nèi)外近年來的工程實(shí)踐及研究試驗(yàn)成果證實(shí)這些破壞形式發(fā)生的機(jī)率極低,仍缺乏此類破壞的工程實(shí)例。這類破壞也許根本就不會(huì)發(fā)生，因?yàn)樵诎l(fā)生這類破壞之前，土釘墻應(yīng)該已產(chǎn)生了內(nèi)部失穩(wěn)破壞，參見9.4節(jié)的算例。為概念清晰，作者認(rèn)為，不宜將滑移、傾覆及沉降等破壞模式籠統(tǒng)地稱為外部穩(wěn)定破壞，外部穩(wěn)定破壞應(yīng)僅指圖9-3d所示的破壞模式?？傊瑥慕Y(jié)構(gòu)構(gòu)造、作用機(jī)理、破壞模式等各方面，土釘墻與重力式擋土墻均存在著本質(zhì)的差異，這是兩種不同類型的擋土結(jié)構(gòu)，不能采用重力式擋土墻的設(shè)計(jì)理論進(jìn)行土釘墻的設(shè)計(jì)計(jì)算。作為一種作用原理、工作機(jī)制尚不十分清晰的較為新型的支擋結(jié)構(gòu)，將土釘墻視為“類重力式擋土墻”進(jìn)行抗滑移、抗傾覆及墻底壓力驗(yàn)算有利于工程的安全，但若以此作為設(shè)計(jì)原則則是危險(xiǎn)的。土釘墻存在著外部整體失穩(wěn)破壞模式，但不僅是土釘墻，其它支護(hù)方法也存在著同樣的破壞模式，這已經(jīng)是與支護(hù)方法無關(guān)的素土邊坡整體穩(wěn)定問題了。9.2.7土釘墻與疏排樁一土釘墻復(fù)合支護(hù)技術(shù)的比較疏排樁一土釘墻復(fù)合支護(hù)技術(shù)是在排樁與土釘墻的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種較新的組合技術(shù)!，通常由間距較大的排樁(疏排樁)、樁上的預(yù)應(yīng)力錨桿(或支撐)、樁間的土釘墻(或復(fù)合土釘墻)組成，如圖9-4所示。圖9-4a、b所示為主要結(jié)構(gòu)形式，疏排每組可為單根或兩根樁，樁體一般為灌注樁，樁間距為2~6倍徑，可以在身布置幾排錨桿，樁間采用土釘墻。其受力機(jī)理為:疏排樁(拱腳)及錨桿承受后土水壓力及間由土拱作用傳遞過來的土水壓力的合力，土釘墻承受樁間土的部分土壓力，將土拱前自由區(qū)的土壓力傳遞到土拱及土拱后穩(wěn)定土體上，同時(shí)對(duì)土拱及拱后土體進(jìn)行加固。土拱是用來描述應(yīng)力轉(zhuǎn)移的一種現(xiàn)象，這種應(yīng)力轉(zhuǎn)移是通過土體抗剪強(qiáng)度的發(fā)揮而實(shí)現(xiàn)的。土拱的形成過程為：在荷載或自重的作用下，土體發(fā)生壓縮和變形，從而產(chǎn)生不均勻位移，致使土顆粒間產(chǎn)生互相“楔緊”的作用，于是在一定范圍土層中產(chǎn)生“拱效應(yīng)”。土拱的形成改變了介質(zhì)中的應(yīng)力狀態(tài)，引起應(yīng)力重新分布，把作用于拱后或拱上的壓力傳遞到拱腳及周圍穩(wěn)定介質(zhì)中去。隨著基坑內(nèi)土體的開挖，土體逐步被卸荷并發(fā)生主動(dòng)位移，由于排樁和土釘墻在土壓力作用下的受力機(jī)理不同，即排樁為被動(dòng)受荷支護(hù)，土釘墻為主動(dòng)受荷支護(hù)，其變形存在差異，會(huì)導(dǎo)致土體剪切位移和應(yīng)力傳遞的空間成拱形分布，即發(fā)生土拱效應(yīng)。由于土拱效應(yīng)的存在，導(dǎo)致土壓力重新分布，構(gòu)成了土拱-排樁-土釘墻相互作用的受力支護(hù)體系，如圖9-4c、d所示。這一體系最為直接的荷載傳遞路徑為土拱在拱體前后土壓力的作用下平衡，在土拱拱腳處由疏排樁提供反力，形成局部樁-拱作用體系，而拱前土壓力主要由土釘墻承擔(dān)，起到拱身范圍內(nèi)的支護(hù)作用，即土壓力最終是由排樁和土釘墻分擔(dān)的，而土拱起到了土壓力的分配作用。疏排樁-土釘墻復(fù)合結(jié)構(gòu)充分地利用了土體抗壓能力強(qiáng)的特點(diǎn)，將水平支護(hù)與豎向支護(hù)相結(jié)合，為土拱效應(yīng)的發(fā)揮提供了條件，將樁間土壓力轉(zhuǎn)化為拱的內(nèi)力，傳到拱腳樁上以后相互抵消大部分,從而充分挖掘了排樁、土釘?shù)戎ёo(hù)構(gòu)件的承載性能。與土釘墻相比,疏排樁一土釘墻復(fù)合支護(hù)體系有以下一些特點(diǎn):①由于樁間土拱的作用，改變了主動(dòng)土壓力滑移面的形狀。根據(jù)滑移面及拱的傳力路徑可將樁后土體分為5個(gè)區(qū):自由區(qū)(1區(qū))、拱區(qū)(Ⅱ區(qū))、樁間滑移區(qū)(Ш區(qū))、樁后滑移區(qū)(IV區(qū))及穩(wěn)定區(qū)(V區(qū)),如圖9-4c、d所示;②樁間距是影響樁間土拱效應(yīng)的重要因素之一，樁間距越小，土拱效應(yīng)就越明顯，也就意味著有更多的荷載從土體傳遞到樁上:③土體抗剪強(qiáng)度越高，土拱效應(yīng)越明顯，而軟弱土層的土拱效應(yīng)較弱，效果不好:④)靠近坑底時(shí)，土拱效應(yīng)減弱，土釘受力特征與土釘墻中土釘受力特征基本相同，即內(nèi)力沿土釘全長表現(xiàn)為中間大，兩端小;而基坑上半部分土拱效應(yīng)明顯，土釘內(nèi)力在距面層一定范圍內(nèi)(主要為主動(dòng)區(qū)內(nèi))變化不大:⑤工序上先施工灌注樁，再施工土釘墻，通過灌注樁的超前支護(hù)作用，在早期開挖過程中控制土體變形并提高基坑的穩(wěn)定性，這與攪拌樁(微型樁)復(fù)合土釘墻作用機(jī)理類似。土釘墻的位移主要發(fā)生在每層土方開挖后至該層土釘施工完成前這段時(shí)間，有樁超前支護(hù)可大大減少這部分的位移，而且，由于灌注樁有較深的插入深度和較高的剛度，加強(qiáng)了邊界約束，削弱了土體內(nèi)部的塑性變形;⑥穩(wěn)定性分析思路為:視疏排樁為拱腳，兩之間的土釘墻視為拱的變形體，整體穩(wěn)定可按樁錨體系計(jì)算，內(nèi)部穩(wěn)定性按拱的要求和土釘墻模型計(jì)算;⑦疏排樁-土釘墻復(fù)合支護(hù)體系將基于被動(dòng)制約機(jī)制的樁板墻式支護(hù)體系與基于主動(dòng)制約機(jī)制的土釘墻支護(hù)體系有機(jī)地結(jié)合起來，利用了各自的優(yōu)點(diǎn)又克服了各自的缺點(diǎn):利用樁錨支護(hù)體系剛性大控制變形好的優(yōu)點(diǎn)，克服了其造價(jià)高的缺點(diǎn);利用土釘墻體系造價(jià)低的優(yōu)點(diǎn)，克服了其柔性支護(hù)控制位移能力較弱及支護(hù)深度不足的缺點(diǎn)，在經(jīng)濟(jì)性與適用性中取得了較好的平衡。9.2.8土釘墻及復(fù)合土釘墻的適用條件1.土釘墻的適用條件土釘墻適用于地下水位以上或經(jīng)人工降水后的人工填土、粘性土和弱膠結(jié)砂土的基坑支護(hù)或邊坡加固，不適合以下土層:①含水豐富的粉細(xì)砂、中細(xì)砂及含水豐富且較為松散的中粗砂、礫砂及卵石層等。豐富的地下水易造成開挖面不穩(wěn)定且與噴射混凝土面層粘接不牢固;②)缺少粘聚力的、過于干燥的砂層及相對(duì)密度較小的均勻度較好的砂層。這些砂層中易產(chǎn)生開挖面不穩(wěn)定現(xiàn)象;③淤泥質(zhì)土、淤泥等軟弱土層。這類土層的開挖面通常沒有足夠的自穩(wěn)時(shí)間，易于流鼓破壞;④膨脹土。水分滲入后會(huì)造成土釘?shù)暮奢d加大，易產(chǎn)生超載破壞;⑤強(qiáng)度過低的土，如新近填土等。新近填土往往無法為土釘提供足夠的錨固力，且自重固結(jié)等原因增加了七釘?shù)暮奢d，易使土釘墻結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞;除了地質(zhì)條件外，土釘墻不適于以下條件:對(duì)變形要求較為嚴(yán)格的場所。土釘墻屬于輕型支護(hù)結(jié)構(gòu)，土釘、面層的剛度較小，支護(hù)體系變形較大。土釘墻不適合用于一級(jí)基坑支護(hù);②較深的基坑。通常認(rèn)為，土釘墻適用于深度不大于12m的基坑支護(hù);③建筑物地基為靈敏度較高的土層。土釘易引起水土流失,在施工過程中對(duì)土層有擾動(dòng)，易引起地基沉降:④)對(duì)用地紅線有嚴(yán)格要求的場地。土釘沿基坑四周幾近水平布設(shè),需占用基坑外的地下空間，一般都會(huì)超出紅線。如果不允許超紅線使用或紅線外有地下室等結(jié)構(gòu)物，土釘無法施工或長度太短很難滿足安全要求。隨著中華人民共和國物權(quán)法的實(shí)施，人們對(duì)地下空間的維權(quán)意識(shí)越來越強(qiáng)，這將影響土釘墻的使用:⑤如果作為永久性結(jié)構(gòu)，需進(jìn)行專門的耐久性處理。2.復(fù)合土釘墻的不適用范圍復(fù)合土釘墻需謹(jǐn)慎用于以下條件:①淤泥質(zhì)土、淤泥等軟弱土層太過深厚時(shí);②超過20m的基坑:③土釘墻上述第3、4款限制條件;④對(duì)變形要求非常嚴(yán)格的場地。9.2.9關(guān)于土釘墻這一術(shù)語的說明與探討1．對(duì)土釘墻術(shù)語的探討7土釘墻（SoilNailWall）支護(hù)有時(shí)也稱為土釘（SoilNail）支護(hù)，在國內(nèi)各行業(yè)之間、同行業(yè)之內(nèi)尚沒有明確的統(tǒng)一的名稱。土釘?shù)臍v史名稱有錨桿、錨管、土錨、錨筋、錨釘、插筋、加筋等，土釘墻支護(hù)的名稱有土釘支護(hù)、錨釘支護(hù)、噴錨支護(hù)、錨噴支護(hù)、噴錨網(wǎng)支護(hù)、錨噴網(wǎng)支護(hù)、錨桿噴射混凝土支護(hù)、土釘噴錨網(wǎng)支護(hù)、錨釘墻支護(hù)、插筋補(bǔ)強(qiáng)護(hù)坡技術(shù)、原位土加筋等，大體可分為“土釘”及“噴錨”兩類。名稱的混亂主要是由于土釘墻的發(fā)展歷史造成的，不同的國家、不同的學(xué)派、不同的行業(yè)幾乎同時(shí)獨(dú)立開始研究土釘墻技術(shù)并加以發(fā)展，技術(shù)的起源、研究方法、研究重點(diǎn)、應(yīng)用領(lǐng)域等各不相同，對(duì)技術(shù)的理解也各不相同，所以產(chǎn)生了不同的名稱。不同流派學(xué)者的固執(zhí)己見與利益之爭，也使名稱遲遲不能統(tǒng)一。名稱的不同尤其表明了對(duì)土釘墻工作原理認(rèn)識(shí)的不一致。不妨簡單地把“土釘”一類的名稱理解為國外名詞的翻譯，而“噴錨”一類的名稱理解為國內(nèi)學(xué)者的創(chuàng)造性應(yīng)用。很多學(xué)者認(rèn)為雖然名稱不同，但含義基本相同，但也有不少學(xué)者認(rèn)為不同的名稱實(shí)際上代表了不同的技術(shù)。主要分歧有：（1）土釘墻支護(hù)技術(shù)是不是土釘支護(hù)技術(shù)分歧的關(guān)鍵在于如何理解“土釘墻”。主張土釘支護(hù)不同于土釘墻支護(hù)的觀點(diǎn)把本章中闡述的土釘墻支護(hù)稱為土釘支護(hù)，而認(rèn)為“土釘墻“則是土釘形成的“墻”：在外部形態(tài)上，“土釘墻”支護(hù)中的土釘具有等長、短而密的結(jié)構(gòu)特征，結(jié)構(gòu)的不同導(dǎo)致了作用機(jī)理的不同，“土釘墻”的作用機(jī)理類似于重力式擋土墻，即土釘與被加固土體形成了復(fù)合擋土墻，墻后面的土體產(chǎn)生主動(dòng)土壓力并作用在墻上，墻依靠自身的重力平衡主動(dòng)土壓力，防止產(chǎn)生平移、傾覆等外部穩(wěn)定破壞，其內(nèi)部穩(wěn)定靠土釘維持。這種觀點(diǎn)認(rèn)為“土釘支護(hù)”的主要特征為土釘長度不一、長度相對(duì)較長、密度相對(duì)較小，作用機(jī)理類似于錨桿擋土墻。在土釘墻研究使用初期、對(duì)其工作機(jī)理一片空白的情況下，對(duì)土釘墻的這種認(rèn)識(shí)較為廣泛，但隨著對(duì)土釘墻技術(shù)的深入研究實(shí)踐，學(xué)術(shù)界已經(jīng)普遍認(rèn)識(shí)到重力式擋土墻理論不適合土釘墻，如本節(jié)前面所述。土釘墻技術(shù)從誕生起，在土釘?shù)目臻g布置上就存在著兩種傾向：一種布置土釘長度較短而密度較大，另一種較長而疏。在國內(nèi)，短而密的道路沒走多遠(yuǎn)，就很快向長而疏的方向轉(zhuǎn)移了。因?yàn)閷W(xué)者們?cè)诠こ虒?shí)踐中發(fā)現(xiàn)，在土釘總工作量相同、即土釘總長度不變的情況下，采用長而疏空間布置的土釘墻安全性更好，詳見9.4節(jié)算例，且因土釘數(shù)量相對(duì)較少，施工更為方便、快捷。國外采用等長土釘更多是機(jī)械化作業(yè)原因，土釘?shù)乳L利于施工，很難歸結(jié)為是技術(shù)原因而刻意這么做的。正如重力式擋土墻通常為上窄下寬的變截面墻一樣，土釘墻也無需上下等寬（即上下排土釘?shù)乳L）。等長土釘?shù)陌踩?jīng)濟(jì)性價(jià)比一般不好，國內(nèi)目前較少采用，這與國外目前的作法存在著一定的差別。故上述這種認(rèn)為因單元土釘?shù)拈L度及密度不同而導(dǎo)致了作用機(jī)理不同的觀點(diǎn)有失偏頗。（2）土釘墻技術(shù)是