羅小平

(中鐵隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司,天津 300133)

在基坑開挖過程中,將土釘置入原狀土體中,并在支護(hù)面上噴射鋼筋網(wǎng)混凝土面層,通過土釘、土體和噴射的混凝土面層的共同作用,形成土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)。土釘墻支護(hù)適用于地下水位以上或經(jīng)過人工降水后的黏性土、粉土、雜填土及非松散砂土和卵石土等。由于其經(jīng)濟(jì)可靠且施工快速簡便,現(xiàn)已成為繼撐式支護(hù)、排樁支護(hù)、連續(xù)墻支護(hù)、錨桿支護(hù)之后又一項(xiàng)較為成熟的支護(hù)技術(shù),在國內(nèi)外都得到了迅速的推廣和應(yīng)用。北京莊勝廣場(chǎng)深基坑支護(hù)的兩個(gè)對(duì)邊長度分別達(dá)到了130m和270m,深13～16.5m[1]。盡管該技術(shù)應(yīng)用較為廣泛,但其理論研究卻落后于工程實(shí)踐。與國外比較,設(shè)計(jì)計(jì)算方法較為粗糙,施工技術(shù)水平不高,還缺乏對(duì)土釘支護(hù)技術(shù)的深入的系統(tǒng)研究。本文針對(duì)土釘整體穩(wěn)定性分析所采用的計(jì)算方法,提出基坑土釘墻設(shè)計(jì)施工中應(yīng)注意的一些問題。

1 土釘墻整體穩(wěn)定性分析方法

按照《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程(JGJ120—99)》[2]的規(guī)定,土釘墻支護(hù)設(shè)計(jì)中主要包括土釘抗拉承載力計(jì)算和土釘墻整體穩(wěn)定性驗(yàn)算。通過對(duì)土釘失穩(wěn)及破壞的現(xiàn)場(chǎng)觀察可知,幾乎所有土釘支護(hù)的破壞均為桿體被拉出或地表裂縫,而極少有土釘被拉斷的現(xiàn)象。土釘支護(hù)的整體穩(wěn)定性分析是評(píng)價(jià)支護(hù)結(jié)構(gòu)是否正常工作的一個(gè)重要方面,在土釘?shù)脑O(shè)計(jì)中具有極其重要的地位。

1.1 我國規(guī)范規(guī)定方法

現(xiàn)有設(shè)計(jì)一般采用《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程(JGJ120—99)》中給出的方法。規(guī)程中方法把土坡的穩(wěn)定性分析方法引入土釘支護(hù)的分析計(jì)算中來,即圓弧滑動(dòng)條分法,同時(shí)把土釘?shù)淖饔每紤]進(jìn)去。土釘墻根據(jù)施工期間不同開挖深度及基坑底面以下可能滑動(dòng)面,采用圓弧滑動(dòng)簡單條分法按下式進(jìn)行整體穩(wěn)定性驗(yàn)算

式中 γk為整體滑動(dòng)分項(xiàng)系數(shù)(其余符號(hào)意義見文獻(xiàn)[2]),規(guī)程規(guī)定一般可取1.3。對(duì)土體強(qiáng)度指標(biāo)而言,較難準(zhǔn)確應(yīng)用概率統(tǒng)計(jì)方法,我國在土坡穩(wěn)定以及錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)中仍沿用總安全系數(shù)設(shè)計(jì)方法。按圓弧滑動(dòng)條分法,計(jì)算時(shí)將土釘和土條分開考慮,分析土條所受作用力時(shí)不考慮土條側(cè)邊力和土釘?shù)挠绊憽?1)式只是在一般素土土坡的穩(wěn)定性計(jì)算公式中迭加了土釘對(duì)滑移面上抗剪能力的貢獻(xiàn)。由(1)式或其他方法如簡化的Bishop法[3]、對(duì)數(shù)螺旋曲線滑移面法等得出的安全系數(shù)值,由于忽略了每一土條側(cè)邊上的內(nèi)力影響,一般偏于保守。

1.2 圓弧滑動(dòng)條分法的缺陷

將圓弧滑動(dòng)法應(yīng)用于 φ＞0的黏性土,滑動(dòng)土體豎直分成若干剛性土條,取土條abcd分析,如圖1所示。取第i個(gè)土條分析,其中 W為土條自重,E、S為條塊間法向力和切向力,h為E到滑移面的距離,P、T為滑移面上的法向力和切向摩阻力,x為P作用點(diǎn)離土條左邊的距離,l為該土條對(duì)應(yīng)的圓弧段長度。由靜力平衡原理

其中 γk為安全系數(shù),φi、ci為圓弧滑移面處土的內(nèi)摩擦角和黏聚力,從而由第1條土塊的邊界條件依次推出各土條的內(nèi)力。

對(duì)n個(gè)剛性土塊,條塊間各界面上的未知量共為3(n-1)個(gè),滑移面上的未知量為3n個(gè),加上安全系數(shù)FS,總共有6n-2個(gè)未知量,而(2)式只提供了4n個(gè)平衡方程,故問題是超靜定的,還需給出2n-2個(gè)方程。當(dāng)條塊寬度較小時(shí),可以認(rèn)為滑移面上的法向力P作用于該條塊滑移面的中點(diǎn),這樣待求未知量仍比所能建立的方程多n-2個(gè)。

為了求解,必須作出其他假定。這些假定包括假定土條左右面的剪力互相抵消、假定條塊間作用力的方向或條分面上剪力和水平推力的比值為已知函數(shù)、假定推力線的位置等[3～5]。但是,這種假定情況下方程(2)得出的內(nèi)力解不能反映圖1的平衡真解。而從固體力學(xué)觀點(diǎn)出發(fā),求解上述超靜定問題的根本方法是引入變形協(xié)調(diào)條件和土體的本構(gòu)關(guān)系,這也正是現(xiàn)在使用的條分法理論上的根本缺陷所在。

當(dāng)支護(hù)內(nèi)存在地下水時(shí),必須提供沿滑移面的孔隙水壓力,作為說明支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題的部分?jǐn)?shù)據(jù)。在瑞典法中,土條孔隙水壓力是從簡單的物理假定中估算出來的。在Bishop法和Janbu法中,用于估算土條孔隙水壓力的假定不能用簡單的物理術(shù)語來解釋。沒有任何一種估算的土條孔隙水壓力的分布接近于實(shí)際分布。除了瑞典法之外,實(shí)際的孔隙水壓力值與假定值之差增大了滑動(dòng)面上的平均法向壓力值。該值增大了滑動(dòng)面上可發(fā)揮的剪切力,因此安全系數(shù)的計(jì)算值增大。條分法計(jì)算的發(fā)展,迄今還沒有正確考慮會(huì)導(dǎo)致百分之幾十誤差的滲流場(chǎng)問題。

圖1 條分法計(jì)算模型單元

2 土釘支護(hù)設(shè)計(jì)施工中應(yīng)注意的問題

2.1 強(qiáng)調(diào)概念設(shè)計(jì)

支護(hù)結(jié)構(gòu)的滑移的確沿某一滑移面運(yùn)動(dòng),但這僅是最終結(jié)果的外在現(xiàn)象,而基坑支護(hù)失穩(wěn)滑移的內(nèi)在原因在于基坑邊坡開挖過程中產(chǎn)生的次生應(yīng)力場(chǎng)。對(duì)于土釘支護(hù)設(shè)計(jì)來講,目的是要使土釘足以穩(wěn)定基坑邊坡的運(yùn)動(dòng),而條分法過多的考慮滑移面的位置和形狀,且其忽略了開挖過程中和開挖后土體內(nèi)最終次生應(yīng)力場(chǎng)的分布和土的本構(gòu)關(guān)系,這正是土釘支護(hù)的設(shè)計(jì)根本所在。所以現(xiàn)有土釘支護(hù)設(shè)計(jì)無法正確認(rèn)識(shí)土釘支護(hù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的真正作用,也無法對(duì)土釘所產(chǎn)生的次生應(yīng)力場(chǎng)對(duì)邊坡失穩(wěn)趨勢(shì)的次生應(yīng)力場(chǎng)的影響作出正確判斷。

因此,基坑土釘墻支護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)強(qiáng)調(diào)其概念設(shè)計(jì),土釘支護(hù)設(shè)計(jì)一定要按承載力、變形和穩(wěn)定性要求的原則執(zhí)行,充分認(rèn)識(shí)其復(fù)雜性,科學(xué)對(duì)待其風(fēng)險(xiǎn)性。弄清土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)的適用條件,注重支護(hù)方案的選擇和優(yōu)化以及周圍環(huán)境的影響。由于圓弧滑動(dòng)條分法的缺陷,設(shè)計(jì)中應(yīng)同時(shí)采用不同思路的計(jì)算方法對(duì)支護(hù)進(jìn)行驗(yàn)算,如應(yīng)用重力擋土墻極限平衡分析方法或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)直接給出土釘支護(hù)內(nèi)部的側(cè)向土壓力等。

2.2 考慮施工階段效應(yīng)

基坑開挖產(chǎn)生臨空面后,非支護(hù)條件下的邊壁土體隨后產(chǎn)生變形直至滑移破壞,條分法假定其破壞模式為圓弧型。試驗(yàn)研究表明,圓弧滑移面的最終形成有一個(gè)萌生—發(fā)展—完成的演變過程,它受控于介質(zhì)物理力學(xué)性質(zhì),并與掘支方法及效率、基坑空間尺度、水患條件、施工質(zhì)量和管理水平等密切相關(guān)。在某一開挖深度條件下,坑壁產(chǎn)生滑移具有某種隨機(jī)性,即可能出現(xiàn)滑移線簇。但最危險(xiǎn)和最先產(chǎn)生的滑移線只有一條,稱之為優(yōu)勢(shì)滑移線,相應(yīng)的滑移面稱為優(yōu)勢(shì)滑移面?；觾?yōu)勢(shì)滑移線隨基坑下挖而轉(zhuǎn)移,在不同開挖深度上具有不同的優(yōu)勢(shì)滑移線,利用條分法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)得到的優(yōu)勢(shì)滑移控制面值得懷疑,因?yàn)檫@種做法必須以分析理論的正確為前提。施工過程對(duì)支護(hù)性能有顯著影響[6],支護(hù)失穩(wěn)過程中土體滑移面上的各個(gè)土釘不一定象假定的那樣能夠同時(shí)達(dá)到各自的最大抗力,而且土釘?shù)淖饔檬够泼婧笠?圓弧滑動(dòng)條分法也沒有加以考慮。

滑移面的選取對(duì)于土釘墻設(shè)計(jì)是十分重要的,穩(wěn)定性計(jì)算也應(yīng)充分考慮施工階段效應(yīng),根據(jù)施工期間不同開挖深度及基坑底面以下可能滑動(dòng)面進(jìn)行驗(yàn)算。

2.3 土釘支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)的選取

土釘支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)包括土釘間距、長度、傾角和坡面傾角,文獻(xiàn)[7]研究了上述參數(shù)對(duì)穩(wěn)定性安全系數(shù)的影響?；诖撕蛯?duì)基坑邊坡開挖次生應(yīng)力場(chǎng)的認(rèn)識(shí)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐,土釘墻設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合計(jì)算分析考慮設(shè)計(jì)參數(shù)的選取原則和采取一定的構(gòu)造措施。

(1)土釘長度

沿支護(hù)高度,土釘內(nèi)力相差較大,一般為中部大,上部和底部小,中部土釘起的作用大。在基坑上部的土體往往是填土,而且經(jīng)常有各種形式的超載存在,所以這一部分的土釘應(yīng)加密,水平間距最好在1.2m以下,土釘長度應(yīng)確定為最長。這一原則與條分法所得結(jié)果一樣,但依據(jù)的原理不同。土釘加密是為了使松散性質(zhì)的填土強(qiáng)度得以提高,從而提高填土承受基坑超載的能力,起到加固作用。土釘?shù)募娱L是為了提高土釘支護(hù)的抗傾覆能力和減少支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移。

在基坑下部,按照條分法的滑移線,該處土釘長度應(yīng)最短,但是基坑開挖的過程實(shí)際是土體應(yīng)力逐漸釋放的過程,在基坑底部由槽底和邊坡形成的坡角恰好是應(yīng)力集中區(qū),應(yīng)力出現(xiàn)峰值,從而可能造成該處土體進(jìn)入塑性狀態(tài),使其強(qiáng)度降低,而且越接近基坑底部,土體受上部壓力也越大,土體越密實(shí),開挖造成的次生應(yīng)力也越大,從而導(dǎo)致邊坡潛在滑移面上的剪應(yīng)力越大,臨近破壞時(shí)土釘應(yīng)力急劇增加。所以土釘?shù)拈L度要穿過由于開挖造成的應(yīng)力集中區(qū),不能過短且要盡可能加密土釘。底部土釘對(duì)抵抗基底滑動(dòng),傾覆或失穩(wěn)有重要作用,另外當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)臨近極限狀態(tài)時(shí),底部土釘?shù)淖饔脮?huì)明顯加強(qiáng)。因此將上下土釘取成等長,或頂部土釘稍長,底部土釘稍短是合適的。

一般對(duì)非飽和土,土釘長度L與開挖深度H之比L/H=0.6～1.2,密實(shí)砂土及干硬性黏土取小值。為減少變形,頂部土釘長度宜適當(dāng)增加。非飽和土底部土釘長度可適當(dāng)減少,但不宜小于飽和軟土,由于土體抗剪能力很低,土釘內(nèi)力因水壓作用而增加,設(shè)計(jì)時(shí)取L/H＞1為宜。

(2)土釘間距

土釘間距的大小影響土體的整體作用效果,目前尚不能給出有足夠理論依據(jù)的定量指標(biāo)。土釘?shù)乃介g距和垂直間距一般宜為1.2～2.0m。垂直間距依土層及計(jì)算確定,且與開挖深度相對(duì)應(yīng)。上下插筋交錯(cuò)排列時(shí),遇局部軟弱土層的情況下間距可小于1.0 m。基坑頂部和底部宜按前述原則適當(dāng)加密。

現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方法都是基于平面應(yīng)變假設(shè),僅能描述土釘墻橫向剖面效應(yīng),無法描述土釘墻縱向連接的效應(yīng),所以土釘水平加密的效果在計(jì)算中無法反映,設(shè)計(jì)者只能靠經(jīng)驗(yàn)來判斷。單個(gè)土釘是不能抗彎和抗剪,但孤立的看待土釘?shù)淖饔檬遣蝗娴?實(shí)際上將土釘間距減小,密集的土釘層板呈15o插入邊坡內(nèi)構(gòu)成系統(tǒng),對(duì)基坑邊的超載或建筑物有關(guān)鍵性的保護(hù)作用,尤其對(duì)邊坡向坑內(nèi)的運(yùn)動(dòng)有較強(qiáng)的約束作用。

(3)土釘傾角

土釘水平傾角一般為0°～20°,傾角大小取決于注漿鉆孔工藝與土體分層特點(diǎn)等多種因素。研究表明,傾角越小,支護(hù)的變形越小,但注漿質(zhì)量較難控制。傾角越大,支護(hù)的變形越大,但傾角大有利于土釘插入下層較好的土層內(nèi)。注漿材料一般用水泥砂漿或水泥素漿。水泥采用不低于425號(hào)的普通硅酸鹽水泥,水灰比為1∶0.4～1∶0.5。

土層參數(shù)差別較大時(shí),必須考慮土層的分布情況,計(jì)算中取其平均值設(shè)計(jì)是不合理的,施工中易造成土質(zhì)軟弱層出現(xiàn)裂縫。對(duì)于土質(zhì)特別差如淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土,土釘與土體間摩阻力太小,土釘不能提供有效的抗拉力,應(yīng)將土釘視作錨桿,加長土釘長度,同時(shí)加大角度,充分利用下層土的摩阻力來提供抗撥力。

(4)地下水影響

在深基坑工程中降水是土釘支護(hù)成功的最大保證,如果基坑降水不理想,就會(huì)在基坑坡角內(nèi)聚集有地下水,這將是土釘支護(hù)的最大隱患,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)引起足夠重視。這就要求在滿足穩(wěn)定性驗(yàn)算的基礎(chǔ)上,對(duì)基坑下部的土釘還要有構(gòu)造要求,通過土釘使邊坡與未被擾動(dòng)的槽底相互連接。對(duì)于土的力學(xué)性能參數(shù)c、φ值,當(dāng)有地下水作用或工程降水后短期內(nèi)未能充分固結(jié)時(shí),應(yīng)取直接快剪或三軸不固結(jié)不排水剪峰值強(qiáng)度指標(biāo)。

當(dāng)?shù)叵滤桓哂诨拥酌鏁r(shí),應(yīng)采取降水和截水措施。土釘墻頂應(yīng)采用砂漿或混凝土1～2m寬的護(hù)面板。坡頂和坡腳應(yīng)設(shè)排水措施,坡面上可根據(jù)具體情況設(shè)置泄水孔。

2.4 信息化設(shè)計(jì)施工

土釘技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵的優(yōu)點(diǎn)是信息化設(shè)計(jì)施工,可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)開挖發(fā)現(xiàn)的土質(zhì)情況和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的支護(hù)位移、地表開裂狀態(tài)、附近建筑物和重要管線等設(shè)施的變形、基坑滲漏水和基坑內(nèi)外的地下水位變化等數(shù)據(jù),及時(shí)修改土釘?shù)脑O(shè)計(jì)參數(shù)和采取加固措施。施工時(shí)進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)(見表1),將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的數(shù)據(jù)、信息及時(shí)反饋,以修改和完善設(shè)計(jì),使設(shè)計(jì)達(dá)到優(yōu)質(zhì)安全、經(jīng)濟(jì)合理。

表1 監(jiān)控量測(cè)

3 結(jié)束語

土釘支護(hù)穩(wěn)定性計(jì)算采用的圓弧滑動(dòng)條分法存在一定的缺陷,工程設(shè)計(jì)施工應(yīng)結(jié)合具體的地質(zhì)和環(huán)境條件選取適合的支護(hù)參數(shù),不能單純的依靠計(jì)算解決工程問題。土釘墻穩(wěn)定性計(jì)算關(guān)鍵要解決土的本構(gòu)關(guān)系及土釘和土體間的變形協(xié)調(diào)條件。我們必須將注意力轉(zhuǎn)移到對(duì)松散介質(zhì)力學(xué)方向的研究上,任何計(jì)算方法都不能脫離堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)理論;盡可能的將有限元方法引入到土釘支護(hù)設(shè)計(jì)中,充分應(yīng)用巖土介質(zhì)的非線性力學(xué);巖土工程模糊性、不確定性、隨機(jī)性的性質(zhì)決定了工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)仍是不可或缺的。

[1]陳肇元,崔京浩.土釘支護(hù)在基坑工程中的應(yīng)用[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2000

[2]中華人民共和國建設(shè)部.建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程(JGJ120—99)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1999

[3]Bishop A W.The Use of the Slip Circle in the Stability Analysis of Slopes[J].Geotechnique,1995(5):7-17

[4]Morgenstern NR,Price V E.The Analysis of the Stability of Generalised Slip Surfaces[J].Geotechnique,1965,15:79-93

[5]Janbu N.Slope Stability Computations[J].Embankment Dam Engineering,Casagrand Volume,1973:47-86

[6]曾憲明,等.土釘支護(hù)設(shè)計(jì)與施工手冊(cè)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2000

[7]張明聚,等.土釘支護(hù)設(shè)計(jì)的修正條分法[J].工程勘察,1997(6):1-5