范俊奇 楊群曉 郭隧軍 宋紅民 樓夢麟

(1．同濟大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點實驗室，上海200092;2．總參工程兵科研三所，洛陽471023;3．洛陽市河渠管理處，洛陽471000;4．洛陽城市建設(shè)勘察設(shè)計院有限公司，洛陽471000)

1 引言

復(fù)合土釘支護是以土釘支護為主體，根據(jù)不同的土質(zhì)條件和工程環(huán)境，借助于其他諸如水泥土攪拌樁、止水帷幕、超前微樁、加筋土以及預(yù)應(yīng)力錨桿等支護手段，優(yōu)勢互補，以達到穩(wěn)定土體、圍護邊坡穩(wěn)定目的的支護新技術(shù)［1－2］。復(fù)合土釘支護將主動支護和被動支護聯(lián)合應(yīng)用，柔性支護與剛性支護相結(jié)合，根據(jù)具體工程情況靈活運用土釘及其他各種支護構(gòu)件的支護原理，創(chuàng)造性地對基坑進行支護，來控制基坑開挖過程中的變形，提高基坑的穩(wěn)定性，以達到安全、經(jīng)濟、實用的目的。其支護作用可歸納為:分擔(dān)荷載作用，止水抗?jié)B作用，傳遞荷載作用，局部穩(wěn)定作用和超前加固作用。

2 復(fù)合土釘支護的常見組合形式及使用條件

根據(jù)不同的工程條件和要求，復(fù)合土釘支護的組合方式靈活多樣，可以和抗滑樁、攪拌樁等多種樁類，擋墻類、加筋土等形成多種復(fù)合土釘支護方式［2－4］。歸納起來，目前應(yīng)用相對較多的復(fù)合 土釘支護形式及其適用條件如表1所示。

表1 復(fù)合土釘?shù)某Ｒ娊M合形式及適用條件Table 1 Common combinations of form and applicable conditions of CSNT

從表1可知，較之一般的土釘支護技術(shù)，復(fù)合土釘技術(shù)應(yīng)用范圍更廣，適應(yīng)性更強，更具中國特色。因此，在國內(nèi)許多工程中進行過成功應(yīng)用［1，4－8］。許多專家學(xué)者也對其機理進行了研究和分析，提出了若干有價值的分析結(jié)論。但這些成果與結(jié)論大多是針對如淤泥、流沙等不良地質(zhì)條件提出的［4－8］，而對厚填土邊坡的研究與應(yīng)用成果較少。通常認(rèn)為，厚填土是一種松散介質(zhì)，土釘握裹力很弱，并且沿用一般的圓弧破壞模式進行穩(wěn)定性分析和支護參數(shù)設(shè)計計算就可以了。然而，研究表明，厚填土邊坡在夯實條件下，其破壞模式并非簡單的圓弧破壞模式，而是平面－弧面組合的復(fù)雜破壞模式［6］。本文簡要介紹了夯實填土邊坡的破壞模式及其變形破壞特征，并依據(jù)這一模式，采用土釘、改良加筋土、輕型擋墻技術(shù)對因暴雨坍塌的洛陽中州渠某段河堤進行了復(fù)原加固。概述了該工程復(fù)合土釘支護的設(shè)計、施工及其穩(wěn)定性。

3 填土邊坡的復(fù)雜破壞模式相似模型試驗

夯實填土邊坡的成分及堆填過程較為復(fù)雜，用解析法分析其邊坡變形、破壞性能較為困難。為此，根據(jù)相似模型原理，建立并驗證了填土介質(zhì)模型試驗的相似法則為:

式中，t，l為原型的時間和長度;t'，l'為模型的時間和長度。

模型試驗在室內(nèi)試驗箱中進行，試驗箱尺寸為315 cm×250 cm×60 cm(長×寬×高)。據(jù)工程經(jīng)驗，分層開挖的條件下每層土壤變形達到穩(wěn)定(趨向破壞)的時間一般不小于2～3 d。因此試驗時選取原型時間為t=2 d=48 h，由此計算出系列模型的比例系數(shù)如表2所示。

表2 相似模型的比例系數(shù)Table 2 Scale factors of the scale model

模擬分層開挖的大型試驗箱的端部擋板按20 cm/塊設(shè)計，相對于不同的開挖深度，相似模型的比例亦不同，試驗選取的模型縮尺比例列于表3。

表3 模型縮尺比例Table 3 Proportions of reduced scale model

按照表2、表3所示的比例系數(shù)進行了夯實厚填土邊坡土釘支護系列的相似模型與自模擬原型的設(shè)計、制作，在此基礎(chǔ)上進行了非降雨和降雨條件下邊坡破壞模式的相似模型試驗。模型試驗中非降雨條件下開挖過程中邊坡發(fā)生了兩次較大規(guī)模的滑塌，其滑塌面的剖面形狀如圖1所示;降雨條件下原邊坡滑塌及水平地面的變形破壞過程如圖2所示。

圖1 降雨前滑塌面形態(tài)Fig．1 Slumping surface morphology before rainfall

圖2 降雨過程中滑坡面變形破壞演變過程Fig．2 Evolution of surface deformation and failure of landslide during rainfall

對圖1、圖2的破壞模式進行分析研究后表明:

(1)對于人工夯實填土邊坡，無論降雨與否，邊坡滑塌面的空間形態(tài)既不是圓弧面也不是平面，而是平面與凸弧面的組合形式，即上部為直立平面，下部為凸弧面。上部主要為倒塌破壞，下部主要為滑移破壞。

(2)對比非降雨條件下，降雨條件下坡面沉降量較大且沉降極不均勻。由于降雨多次沖刷的影響，使已有的滑塌部位出現(xiàn)一定的淤積現(xiàn)象，并使原有的滑塌面不復(fù)存在。

(3)造成上述破壞形態(tài)的機理為:開挖后，土體側(cè)向約束被解除，產(chǎn)生側(cè)向變形，并在土體內(nèi)部產(chǎn)生側(cè)向拉應(yīng)力。當(dāng)該拉應(yīng)力超過介質(zhì)極限抗拉強度點后，土體產(chǎn)生張裂縫，同時使不穩(wěn)定土體形成相對孤立體。此孤立體連同下部土體的自重荷載形成的剪應(yīng)力超過相對滑移面的抗剪強度時，滑移面即萌生、發(fā)展、形成并發(fā)生滑移。此時相對孤立體即成為完全孤立體，并在滑動過程中伴隨部分倒塌。

以上分析可知，人工夯實填土邊坡的破壞模式可以概括為平面－凸弧面組合破壞模式，即復(fù)雜破壞模式。依據(jù)上述對降雨前后厚填土邊坡破壞模式的研究分析，即可對厚填土邊坡進行方案設(shè)計。

4 工程應(yīng)用

4．1 工程概況

洛陽市中州渠始建于20世紀(jì)50年代，總長度為12．8 km，穿越整個洛陽市區(qū)，受降雨影響該渠有多處大型塌陷區(qū)地段需恢復(fù)原貌，復(fù)原后的路面需長期保證車輛行駛及游人觀光使用，確保坡面長期穩(wěn)定并能抗雨季洪水沖刷。選取其中較為典型的一例進行分析。該塌陷區(qū)總長150 m，垂直高度14．5 m，水平塌陷寬度距邊坡頂邊線11．3 m，下底為4．7 m。殘存塌陷區(qū)表面為混雜磚塊和垃圾的雜填土，局部為淤泥，深度約3 m，且延伸進入坡內(nèi)6～7 m;3 m以下為Ⅱ級濕陷性黃土，含水量為15% ～18%，天然重度為20 kN/m3，液限為4%，內(nèi)摩擦角為 20°，內(nèi)聚力為 20 kPa。塌陷區(qū)上面原有一棟五層住宅樓，受塌方影響已全部坍塌。

4．2 支護參及方案選擇

該工程主要是要構(gòu)造一個高度、寬度和坡度均較大并能長期抵抗一定動載和靜載的填土邊坡。因此支護設(shè)計時需要考慮的主要因素為:

(1)既有邊坡的穩(wěn)定性。既有邊坡呈不規(guī)則狀，上部堆積有含垃圾的雜填土，外表面有受滑塌影響的松散體。

(2)擬造填土邊坡的穩(wěn)定性。擬造邊坡須與原有邊坡結(jié)合為一體，并能保持長期穩(wěn)定。且要同塌陷區(qū)兩側(cè)的現(xiàn)存邊坡保持協(xié)調(diào)和美觀。

(3)邊坡附近的建筑物及設(shè)施的安全。既有邊坡附近存在有多而凌亂的建筑物，內(nèi)部有新建的污水管等管線，均不得因邊坡變形和地面沉降再有所損壞。對變形控制要求較高。

(4)擬造填土邊坡工程竣工后，其坡頂面為市政道路，需考慮車輛附加動載3 t/m2的作用;坡角處為3 m寬的人行道，邊坡穩(wěn)定關(guān)乎游人的安全;人行道下部為渠水，深6 m。邊坡的穩(wěn)定性分析須考慮這一深度的影響。

(5)邊坡抗雨水沖刷、侵蝕問題。

(6)支護結(jié)構(gòu)材料抗腐蝕問題，即耐久性問題。

(7)支護結(jié)構(gòu)外表面預(yù)留伸縮縫問題。

通常，填土邊坡的防護預(yù)案有包括漿砌塊石擋墻等支擋結(jié)構(gòu)、護坡樁、預(yù)應(yīng)力錨索以及土釘支護等幾種形式。

若采用擋墻結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)需做得很高而厚，由于基礎(chǔ)底部距渠水僅3 m，支擋效果欠佳。采用護坡樁，造價高，時間長，由于現(xiàn)場缺乏施工場地，還需在渠水中作圍堰，無法滿足原坡面的美觀和銜接。由于介質(zhì)軟弱，難以提供足夠的錨固力，也無法采用預(yù)應(yīng)力錨索。同時由于邊坡破碎軟弱，成孔質(zhì)量及拉拔強度難以達到設(shè)計要求，更無法采用土釘支護。經(jīng)各項綜合分析研究，最終決定采用土釘支護與加筋土、輕型擋墻相結(jié)合的復(fù)合土釘支護結(jié)構(gòu)形式。

復(fù)合土釘支護參數(shù)的設(shè)計采用疊加原理，對于填土邊坡的土壓力一部分由土釘承擔(dān)，而另一部分由加筋承擔(dān)。另外土釘支護還須對既有邊坡改性和提供支護力。輕型擋墻具有平衡支護力和安全儲備的作用。由于既有邊坡及其穩(wěn)定問題的存在，加之工期較緊，加筋靠既有邊坡一側(cè)傳統(tǒng)的預(yù)制擋板用垂直向下或傾斜向下的灌漿錨拴替代?？科旅嬉粋?cè)的預(yù)制擋板，用加入鋼管的噴射鋼筋混凝土替代，因而它是一種全新意義的改良加筋土結(jié)構(gòu)形式。輕型擋墻還需考慮抗沖刷和抗侵蝕等永久性支護問題。

基于以上考慮，且為了簡化計算，對土釘抗拔力和加筋土抗側(cè)向壓力分別計算后疊加，預(yù)設(shè)穩(wěn)定性系數(shù)為2．2，經(jīng)過多次重復(fù)性計算后得到的相應(yīng)的支護參數(shù)如圖3所示。

圖3 復(fù)合圖釘支護設(shè)計方案/mmFig．3 Design scheme of the soil nail support

4．3 復(fù)合土釘支護的施工

(1)回填:回填土采用洛陽黃土，該土質(zhì)可塑性好、濕陷性大。在回填過程中采用填土→適量撒水→夯實的循環(huán)施工方法。填筑高度每增加50 cm為一個循環(huán)，以增加回填土的密實度，減少施工過程及竣工后邊坡的垂直沉降和水平位移。外表面碼放的土袋在交錯疊放后也需作夯實處理。

(2)土釘?shù)闹谱?、成孔與注漿:對于既有邊坡上部的雜填土段，采用錨管代替土釘，以解決既有邊坡中難以成孔問題，并將其外端露出面層，與填土邊坡中的鋼筋焊接。錨管采用擴大頭的方式，以減少設(shè)置過程中的摩阻力并使孔壁與管外壁有一定的保護層厚度。注漿前須先用清水沖洗掉管內(nèi)的土渣。注漿采用間歇式多次注漿加壓法，以確保漿液飽滿。此外，回填土中的錨管及與錨管相連接的土釘(鋼筋)采用土中挑槽的方法，使其沒入槽中的水泥漿中。待水泥漿有一定的強度時填土夯實。對于既有邊坡雜填土段下部的黃土層，仍用一般的土釘，以節(jié)省造價和縮短工期。

(3)加筋土(改良)結(jié)構(gòu)的施工:加筋里端的預(yù)制混凝土擋板，用垂直向下或傾斜向下的灌漿錨拴替代，灌漿孔徑為 150，錨拴用長度為1．0 m的 20的螺紋鋼制做而成。加筋用現(xiàn)澆混凝土(截面尺寸為300 mm×300 mm)包裹，加筋外端的擋板用噴射鋼筋混凝土面層替代。

(4)面層施工:土袋每碼高2 m，即在外表面初噴3cm厚的混凝土，然后鋪設(shè) 6．5雙向間距為200 mm×200 mm鋼筋網(wǎng)片，在網(wǎng)片上水平方向設(shè) 18的加強筋，豎向為 48的優(yōu)質(zhì)鋼管。將加強筋牢固焊接在釘頭上。再復(fù)噴9 cm厚的混凝土形成最終的輕型面板擋墻。

4．4 工程穩(wěn)定性測試結(jié)果及評價

在施工過程中，每填筑、支護一層(層厚2．0 m)，均設(shè)點進行位移及沉降觀測，結(jié)果如圖4所示。觀測結(jié)果表明，地面無明顯的沉降，邊壁位移較小，均在允許的范圍內(nèi)。工程完工后幾年來經(jīng)歷了多次特大暴雨的考驗，沿岸有些路段出現(xiàn)了滑坡和塌方現(xiàn)象，很多路面設(shè)施出現(xiàn)了不同程度的損毀和破壞。但采用復(fù)合土釘支護的該工程段面層無開裂，地表完好無損，整體穩(wěn)定性良好。該工程是采用復(fù)合土釘支護厚層夯實填土、進行土體復(fù)原的一個成功應(yīng)用實例。

圖4 邊坡位移和沉降測試曲線Fig．4 Horizontal displacement and settlement curves

5 結(jié)語

(1)邊坡破壞模式的正確選取是其穩(wěn)定性分析和支護參數(shù)設(shè)計的基本依據(jù)。本文用模型試驗方法確定了厚填土邊坡的破壞模式，并依據(jù)該模式對洛陽014中心中州渠水毀厚填土邊坡進行了復(fù)合圖釘加固復(fù)原。實踐表明:對該工程采用夯實填土的復(fù)雜破壞模式進行分析是科學(xué)合理的，可以推廣應(yīng)用于類似地質(zhì)條件下邊坡穩(wěn)定性分析和設(shè)計。

(2)在加筋土的施工過程中，適量撒水和加強夯實有助于減少后期不均勻沉降，可提高其密實度和工程穩(wěn)定性。

(3)水是工程穩(wěn)定的大忌，對填土邊坡更是如此。工程實踐表明:做好全方位的防、排水措施對該類工程非常必要。該工程成功表明:復(fù)合土釘支護方法對于夯實回填土邊坡的加固支護是合適的，其受力均勻、合理，支護快捷，安全經(jīng)濟，具有良好的應(yīng)用前景。

(4)在使用中應(yīng)注意，軟土基坑工程應(yīng)用時，必須增設(shè)其他輔助結(jié)構(gòu)使其具有超前支護功能，不能簡單地沿用常規(guī)支護形式。在淤泥層與砂層互層的情況下，施工中應(yīng)同時解決地下水控制問題。

［1］ 中國建筑科學(xué)研究院．JGJ 120—99建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，1999．Chinese Construction Scientific Institute．JGJ120-99 Technical specification for construction foundation ditch support［S］．Beijing:China Architecture and Building Press，1999．(in Chinese)

［2］ 范俊奇，董宏曉，李燃．基坑復(fù)合土釘支護模板墻工法關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用［J］．建筑技術(shù)，2013，44(2):118-121．Fan Junqi，Dong Hongxiao，Li Ran．Key points and application of method for compound soil nail support formwork wall technique in foundation pit［J］．Architecture Technology，2013，44(2):118-121(in Chinese)

［3］ 左魁，曾憲明．土釘支護模板墻技術(shù)在在萬福大廈工程中的應(yīng)用［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2002，21(9):1421-1423 Zuo Kui，Zeng Xianming．Application of soil nail support formwork wall technique in Wanfu mansion engineering［J］．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2002，21(9):1421-1423(in Chinese)

［4］ 程良奎，范景倫，等．巖土錨固［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2003．Cheng Liangkui，F(xiàn)an Jinglun，et al．Geological reinforcement［M］．Beijing:China Architecture and Building press，2003．(in Chinese)

［5］ 宋紅民，李清獻．復(fù)合土釘支護在厚填土邊坡工程中的應(yīng)用［J］．巖土錨固工程，2004，9(1):10-13 Song Hongmin，Li Qingxian．Application of compound soil nail support in a side slope thick filled soil［J］．Yantu Maogu Gongcheng，2004，9(1):10-13．(in Chinese)

［6］ 汪劍輝，閆順，曾憲明，等．復(fù)合土釘支護在我國的研究與應(yīng)用［J］．施工技術(shù)，2006，35(1):15-18．Wang Jianhui，Yan Shun，Zeng Xianming，et al．Study and application of compound soil nail support in China［J］．Construction Technology，2006，35(1):15-18．(in Chinese)

［7］ 程良奎．巖土錨固現(xiàn)狀與發(fā)展［J］．土木工程學(xué)報，2001，34(3):7-12．Cheng Liangkui．Present status and development of ground anchorages［J］．China Civil Engineering Journal，2001，34(3):7-12．(in Chinese)

［8］ 劉輝東，羅興成，彭明祥．復(fù)合土釘支護在軟土地基中的應(yīng)用［J］．施工技術(shù)，2004，33(10):53-57．Liu Huidong，Luo Xingcheng，Peng Mingxiang．Application of the compound soil nail support in soft soil foundation［J］．Construction Technology，2004，33(10):53-57．(in Chinese)