趙景琳，盧 波，劉東旭

（中冶地勘巖土工程有限責(zé)任公司,河北廊坊065200）

我國城市化進(jìn)程的迅速發(fā)展,使得城市建設(shè)過程中出現(xiàn)較多的基坑工程。為保證土方開挖安全,支護(hù)體系必須滿足相應(yīng)的剛度與穩(wěn)定性要求,能夠抵抗地層中產(chǎn)生的主動土壓力,以減少甚至避免坑壁產(chǎn)生變形,從而保證施工安全。

在傳統(tǒng)的基坑邊坡防護(hù)工程中,土釘墻支護(hù)體系具有廣泛的應(yīng)用場景[1-2]。土釘支護(hù)時一般都會噴射混凝土,故也叫錨噴支護(hù),基本的工序流程包括先逐層開挖基坑土方,再依次安插一定間距的土釘（鋼筋）,以達(dá)到土體加筋作用,接著在土坡上綁扎成品鋼筋網(wǎng),最后噴射混凝土材料形成邊坡面層。對于常規(guī)的土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)而言,其主要由被加固的土體、伸入土體的土釘以及邊坡面層三部分構(gòu)成,形成能夠起到擋土功能的類似重力墻結(jié)構(gòu),并具備自穩(wěn)定性,從而使基坑或邊坡穩(wěn)定。土釘墻在實(shí)際邊坡防護(hù)中具有較多的應(yīng)用優(yōu)勢,如造價成本低、對環(huán)境影響小、結(jié)構(gòu)較為輕便、能充分發(fā)揮土體自承能力以及施工占地面積少等[3]。

對于土釘墻支護(hù)體系中的面層而言,以往大多采用“灰色”的混凝土材料,而混凝土材料在生產(chǎn)與應(yīng)用過程中均有大量污染物質(zhì)產(chǎn)生,不利于環(huán)境保護(hù),也不符合綠色施工理念[4-5]。因此,采用綠色的柔性面層材料用于替代傳統(tǒng)混凝土面層的新型土釘墻支護(hù)體系具有廣闊的研究與應(yīng)用前景[6]。本文就柔性復(fù)合材料——土工合成材料在新型土釘墻支護(hù)體系結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用進(jìn)行了介紹,闡述了利用土工格柵、土工布以及復(fù)合土工布等材料形成柔性面層的土釘墻構(gòu)成與工作原理,同時依托工程實(shí)踐,探討了柔性復(fù)合材料面層的支護(hù)效果。

1 柔性復(fù)合材料概述

復(fù)合材料一般由兩種及以上不同性質(zhì)的物質(zhì)以特定方式結(jié)合而成,屬于新型材料,在應(yīng)用中也被稱為高性能組合材料。經(jīng)組合而成的復(fù)合材料,除沿襲各組分材料的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)外,還具備單一材料所沒有的綜合性能。在微觀層面,復(fù)合材料的各組分材料以某種特定方式實(shí)現(xiàn)融合,融合中存在著顯著的界面,且于界面處相互發(fā)生作用力,屬于不均勻材料,其特性主要由基體、增強(qiáng)體以及兩者間的復(fù)合方式?jīng)Q定。

按照剛性大小不同,復(fù)合材料可分為剛性復(fù)合材料與柔性復(fù)合材料。其中,柔性復(fù)合材料的剛度較小,具備一定的彈性與變形延性,其主要是在紡織基布的基礎(chǔ)上,通過涂層等工序而制成,應(yīng)用中也叫作膜結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。作為一種增強(qiáng)材料,紡織基布所形成的復(fù)合材料性能優(yōu)異,具有材質(zhì)柔軟、防水能力強(qiáng)以及強(qiáng)度高等特點(diǎn)。

作為建設(shè)工程領(lǐng)域應(yīng)用較為頻繁的一類柔性復(fù)合材料,土工合成材料的產(chǎn)品較為多樣化,可以塑造出各種特定形狀。在生產(chǎn)中,合成橡膠、化學(xué)纖維或塑料等均可作為制作原料。土工合成材料可用于土體表面、內(nèi)部或銜接處,起到加強(qiáng)或保護(hù)土體的功能。根據(jù)規(guī)范,土工合成材料主要分為土工膜、土工織物、土工特種材料及土工復(fù)合材料等四種。其中,土工膜的不透水性能優(yōu)異,彈性大、耐老化好,不同環(huán)境下的適應(yīng)能力強(qiáng),其突出的防滲與防水特性,使其在蓄水池、水電站等水利工程中應(yīng)用廣泛[7]；土工織物重量小、抗拉強(qiáng)度高、耐腐蝕性好,且抗微生物侵蝕能力強(qiáng),常用于加筋墊層或道路防裂措施中[8]；土工特種材料成品種類繁多,如土工膜袋、膨潤土墊、土工格柵以及三維植被網(wǎng)等,可用于土體加筋、護(hù)坡加固或地基處理等[9]；土工復(fù)合材料種類較廣,如復(fù)合土工膜、復(fù)合土工織物及塑料排水管等,一般具有成本較低、施工便捷、排水性能優(yōu)良等特點(diǎn),可用于排水加固工程,以提高軟基承載力,減少地基沉降[10]。

2 柔性復(fù)合材料面層土釘墻

柔性復(fù)合材料面層土釘墻區(qū)別于傳統(tǒng)土釘墻之處,主要在于其邊坡面層并非為原先的鋼筋網(wǎng)噴混凝土形式,而是柔性復(fù)合材料（主要為土工合成材料,見圖1）。柔性復(fù)合材料面層土釘墻支護(hù)體系能省去傳統(tǒng)鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)與噴射混凝土等繁雜的工序,提高基坑支護(hù)施工效率,加快施工進(jìn)度。同時,所用材料節(jié)能環(huán)保,可在有效控制基坑邊坡變形的同時,降低基坑支護(hù)造價,是一種新型的邊坡支護(hù)體系[11]。

圖1 柔性復(fù)合材料面層土釘墻支護(hù)體系Fig. 1 Flexible composite surface soil nailing wall support system

2.1 體系構(gòu)成

柔性復(fù)合材料面層土釘墻大致由三部分構(gòu)成,即土釘、柔性復(fù)合材料面層以及兩者之間的連接結(jié)構(gòu)。在支護(hù)過程中,三者相互制約、協(xié)同受力,共同發(fā)揮作用,減少邊坡變形。在新型柔性面層土釘墻中,所謂的柔性面層一般是指具有一定張力的柔性復(fù)合材料,包括土工織物、土工膜或土工特種材料等各種土工合成材料,均可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行應(yīng)用,常見的柔性復(fù)合材料產(chǎn)品如圖2所示。

圖2 常見的柔性復(fù)合材料產(chǎn)品Fig. 2 Common flexible composite products

與以往的鋼筋混凝土面層相比,土工合成材料屬于柔性復(fù)合材料,使用過程中的延展性良好,在鋪設(shè)過程中可對其預(yù)加一定的預(yù)應(yīng)力,使其與坡面緊密貼合,起到保護(hù)邊坡的功能。

2.2 工作原理

在工作原理方面,柔性復(fù)合材料面層土釘墻與傳統(tǒng)工藝并沒有太大的差異。在工程實(shí)踐中,完成土釘墻支護(hù)后,隨著土方開挖,坑壁內(nèi)部的土體有向坑內(nèi)滑動的趨勢,由此對支護(hù)體系產(chǎn)生作用力。其中,錨桿會通過深部穩(wěn)定土體的錨固作用產(chǎn)生抵抗該種變形的拉力,而柔性復(fù)合材料面層則既可起到穩(wěn)定錨桿間土體的作用,并將所受到的作用力傳遞至滑動范圍以外的錨桿,同時也能依靠自身張力保證局部土坡的穩(wěn)定,其工作原理如圖3所示。

圖3 柔性復(fù)合材料面層邊坡支護(hù)體系的工作原理Fig. 3 Working principle of flexible composite surface slope support system

3 基于柔性復(fù)合材料面層的土釘墻支護(hù)應(yīng)用

某工程位于我國東部沿海地區(qū),擬建的建筑物包括居民樓、購物大廈以及地下停車庫等。其中地下停車庫的建筑面積約為35000m2。該工程的基坑挖深普遍在4～9 m之間,適合采用土釘墻支護(hù),支護(hù)周長約1000m,設(shè)計(jì)使用期限為一年。項(xiàng)目地質(zhì)勘察資料顯示,施工現(xiàn)場地層分布較穩(wěn)定,大致包含7個土層,各土層的物理力學(xué)參數(shù)詳見表1。

表1 各土層物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of each soil layer

3.1 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)規(guī)范,本基坑安全等級為二級?；映尸F(xiàn)不規(guī)則形狀（如圖4所示）,實(shí)際施工時,為兼顧基坑安全與造價成本,將基坑分為7個支護(hù)單元,劃分考慮因素主要為附近環(huán)境、地質(zhì)狀況及土方挖深等。本基坑的主要支護(hù)方案為土釘墻與復(fù)合土釘墻。

圖4 基坑形狀與監(jiān)測點(diǎn)位示意Fig. 4 Schematic diagram of foundation pit shape and monitoring points

本工程南邊的地下停車庫外墻邊線距離用地紅線較遠(yuǎn),現(xiàn)場施工場地較充裕,具備放坡支護(hù)條件。因此,本工程擬在基坑南側(cè)的EFG區(qū)段采取以柔性復(fù)合材料為面層的新型土釘墻支護(hù)體系,擯棄傳統(tǒng)的混凝土材料形式。EFG區(qū)段邊坡的長度約為244m。EFG區(qū)段邊坡的放坡比例為1：1.2,支護(hù)設(shè)計(jì)采取5排坡面土釘與1排坡頂土釘形式,如圖5所示。其中,坡面土釘設(shè)計(jì)直徑為2cm,土釘長1.5m,水平與垂直間距均為1.5m。坡頂土釘采取擊入式,直徑為2cm,土釘長1.0m,水平間距為2.0m。坡面柔性面層采用復(fù)合土工布材料,如圖6所示,自邊坡坡頂向坡底依次展開鋪設(shè)。復(fù)合土工布每幅寬6m,鋪設(shè)時在坡頂處外延1.5m,并采用尼龍繩對坡面的分幅復(fù)合土工布格柵進(jìn)行縫合處理,保證形成整體。本工程所用柔性復(fù)合材料由短纖土工布與雙向塑料土工格柵熱合制成。為保證柔性復(fù)合材料面層的綜合性能,防止邊坡失穩(wěn),選取的短纖土工布規(guī)格為400g,雙向塑料土工格柵的抗拉、抗裂強(qiáng)度均為50kN/m,伸長率約為14%。本工程柔性復(fù)合材料面層的鋪設(shè)面積約為3000m2。

圖5 EFG邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)剖面圖 Fig. 5 Design section of EFG slope support

圖6 復(fù)合土工布格柵 Fig. 6 Composite geotextile grid

3.2 支護(hù)體系穩(wěn)定性驗(yàn)算

3.2.1 整體穩(wěn)定性

對于二級基坑,為保證其整體穩(wěn)定性,分析時按規(guī)范取圓弧滑動整體穩(wěn)定安全系數(shù)為1.3。借助圓弧滑動條分法,通過遍歷各滑動圓弧,從中找出抗滑力矩與滑動力矩的最小比值,判斷其是否滿足規(guī)程中相應(yīng)公式的要求。

以基坑最大挖深8.37m為例,土方開挖共分為四步。通過采用相應(yīng)軟件進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算可知,各土方開挖工況下,抗滑力矩與滑動力矩之比分別為1.546、1.747、1.753、1.596,均大于1.3的安全系數(shù),故整體穩(wěn)定性滿足要求。

3.2.2 平行于坡面的抗滑安全性

針對平行于坡面的抗滑安全性,主要基于文獻(xiàn)[12]中的GTC主動加固系統(tǒng),即高強(qiáng)度鋼絲格柵的作用原理進(jìn)行驗(yàn)算,即Sd≤SR/Fs,其中,Sd為錨桿最小抗剪力設(shè)計(jì)值,SR為錨桿極限抗剪能力值,Fs為抗純剪安全系數(shù)。

本工程采用土釘墻,且所涉及土層主要為中粗砂。因此,計(jì)算時不考慮預(yù)應(yīng)力和粘聚力。經(jīng)驗(yàn)算,本工程中的Sd為13.52kN,SR/Fs=37.39kN,表明抗滑安全性滿足要求。

由上述安全性驗(yàn)算[13]可知,為保證基坑和周邊建（構(gòu)）筑物的安全,對基坑邊坡采用柔性土工合成材料面層的土釘墻系統(tǒng)具備理論可操作性。

3.3 支護(hù)工藝

在工程實(shí)踐中,柔性復(fù)合材料面層土釘墻支護(hù)體系省去了傳統(tǒng)土釘墻中的鋼筋網(wǎng)綁扎與混凝土噴射工序,極大縮短了支護(hù)工期,其具體工藝流程為：按坡率開挖土方,形成放坡面→清理坡面雜物,保證平整→坡頂處插打擊入式土釘,自上而下鋪展土工材料→澆灌坡頂處混凝土→插打坡面第1道土釘→攤鋪土工材料→綁扎加強(qiáng)筋→隨土方開挖,依次安插土釘、鋪設(shè)柔性土工面層→于坡腳處采用砂袋壓固。

在柔性復(fù)合材料面層鋪設(shè)時（圖7）,為保證面層施工質(zhì)量,應(yīng)重點(diǎn)落實(shí)過程控制,具體為：

圖7 柔性復(fù)合材料面層鋪設(shè)現(xiàn)場Fig. 7 Laying site of flexible composite surface course

（1）在鋪設(shè)復(fù)合材料時,可預(yù)加一定程度的張拉力,使材料面層保持受拉狀態(tài),緊密貼合于邊坡表面,形成局部受力整體。土工復(fù)合材料面層的單元幅之間采用尼龍繩接合,搭接長度不得小于25cm。

（2）鋪設(shè)土工合成材料前,為避免坡面處的尖銳物劃破面層材料,需先進(jìn)行平整除雜工作。

3.4 支護(hù)效果

本案例工程從基坑土方開挖施工之前至基礎(chǔ)回填完成,在200天的地下室施工期間持續(xù)進(jìn)行了基坑監(jiān)測。監(jiān)測點(diǎn)布置在EFG區(qū)段邊坡坡頂。由采集獲得的監(jiān)測數(shù)據(jù)可知,基坑在起初的土方開挖與支護(hù)施工階段,各變形數(shù)據(jù)有顯著增大,但隨著開挖結(jié)束以及結(jié)構(gòu)的回筑,水平位移與豎向沉降曲線趨于平緩,直至保持基本穩(wěn)定。其中,最大水平位移為8.98mm,最大沉降值為7.8mm。另外,通過基坑現(xiàn)場的巡視觀察,發(fā)現(xiàn)基坑周邊無裂縫發(fā)生,也沒有流砂、管涌等不良災(zāi)害,表明基坑處于穩(wěn)定可控狀態(tài)。

4 柔性復(fù)合材料面層土釘墻的支護(hù)效益

柔性復(fù)合材料面層土釘墻支護(hù)體系在實(shí)踐中施工便捷、綠色環(huán)保,能有效縮短施工工期。通過案例基坑工程的監(jiān)測數(shù)據(jù)可看出,與傳統(tǒng)鋼筋混凝土面層相比,使用新型的復(fù)合材料柔性面層具有明顯的經(jīng)濟(jì)與社會效益。

（1）使用柔性土工合成材料面層代替鋼筋混凝土材料,只需在修整好的坡面上進(jìn)行鋪設(shè)、張緊即可,節(jié)省鋼筋綁扎與混凝土噴射工序,避免了混凝土養(yǎng)護(hù)等強(qiáng)時間,大幅加快施工進(jìn)度,提高施工效率。

（2）對于土釘墻而言,采用柔性復(fù)合材料面層的支護(hù)造價較低。以本工程為例,傳統(tǒng)土釘墻支護(hù)中的鋼筋網(wǎng)一般為?6.5mm@200mm,混凝土等級C20,厚度80mm,根據(jù)市場價計(jì)算,可得綜合造價為85元/m2。而采用柔性土工合成材料面層時,本工程基坑坡面的支護(hù)總面積約為3616m2,計(jì)算可得綜合造價為40元/m2。由此可知,本工程采用新型土工合成材料柔性面層的土釘墻支護(hù)體系可降低造價約53%。

（3）在支護(hù)過程中,傳統(tǒng)的鋼筋混凝土面層需要機(jī)具或器械來配合現(xiàn)拌、噴射等工序,施工現(xiàn)場不可避免地將產(chǎn)生較大的揚(yáng)塵與噪音問題,不利于安全文明施工。同時,鋼材的生產(chǎn)帶來大量的能源消耗與污染,混凝土的砂石開采也會破壞自然環(huán)境。因此,在綠色節(jié)能方面,柔性土工合成材料面層優(yōu)勢顯著。

5 結(jié)束語

本文介紹了柔性復(fù)合材料——土工合成材料的概念與應(yīng)用特性,闡述了其在土釘墻支護(hù)體系柔性面層中替代混凝土材料的應(yīng)用原理。結(jié)合我國東部沿海地區(qū)某基坑施工案例,對新型柔性復(fù)合材料面層土釘墻支護(hù)體系的穩(wěn)定性進(jìn)行了安全驗(yàn)算,并通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證其有效性和可行性。

（1）在邊坡施工項(xiàng)目中,采用柔性土工合成材料面層土釘墻的支護(hù)方案,能實(shí)現(xiàn)邊坡變形控制的目的,在實(shí)踐中具有可行性。

（2）與以往的噴射混凝土面層相比,柔性土工合成材料面層施工過程污染小、速度快、造價低,值得在工程地質(zhì)條件允許時推廣應(yīng)用。

（3）柔性土工合成材料面層土釘墻支護(hù)體系施工過程節(jié)能環(huán)保,在可持續(xù)發(fā)展方面應(yīng)用潛力巨大。