基于破壞形式的復合土釘墻設計計算方法淺析

李長華 錢美亞

復合土釘墻支護是近年來在土釘墻基礎上發展起來的新型支護結構,通過將土釘墻與超前支護結構(深層攪拌樁、旋噴樁、微型樁)等結合起來,根據具體工程條件進行組合,形成復合基坑支護結構。它彌補了一般土釘墻的許多缺陷和使用限制,極大地擴展了土釘墻技術的應用范圍。復合土釘墻技術具有安全可靠、造價低、工期短、使用范圍廣等特點,獲得了越來越廣泛的工程應用。

對于復合土釘墻的設計方法,國家相關規范規程尚無明確計算方法,本文從復合土釘墻的幾種可能破壞模式入手,針對幾種破壞模式分別提出設計計算的方法,從而預防復合土釘墻發生破壞。

1 復合土釘墻的破壞形式與設計方法

1.1 整體穩定性破壞

整體穩定性破壞是指整個支護體系發生整體滑動破壞,圓弧滑動面對于純土釘墻一般通過坑底或者坑底稍低位置,對于剛性圍護體系則是通過圍護結構底部破壞。由于復合土釘墻超前支護體系的剛度差別較大,有的采用水泥土攪拌樁,還有采用高壓旋噴樁,因此圓弧滑裂面會因支護體系的剛度不同而不同,設計時需要予以考慮。

上述破壞形態可采用瑞典條分法按照式(1)進行設計驗算。計算中應根據實際開挖工況過程對每個工況都要驗算,防止發生開挖過程中的滑動破壞。

相關符號意義見JGJ 120-99建筑基坑設計規程。土釘墻整體穩定性的安全系數應大于1.3。

1.2 地基承載力不足破壞

基坑開挖至坑底后,坑內外土體產生較大高差,地基土可能發生隆起。由于復合土釘墻支護體系一般土質均較差,而超前支護體系的剛度差別也較大,因此發生自坑底隆起或者樁底隆起或者繞樁體流動的可能性很大,需要加以驗算。

設計可采用普朗特爾公式計算或者太沙基公式計算。

普朗特爾(Prandtl,1920年)公式:

其中,Nq=eπtgφtg2(45°+φ/2);Nc=(Nq-1)/tgφ;D 為嵌固深度;h0為基坑開挖深度。

當驗算坑底位置地基土的隆起破壞時,可取嵌固深度D=0。普朗特爾公式實際上是地基承載力的極限值,因此其安全系數一般應大于2.0。

1.3 土釘抗拔破壞

這種破壞形式是土釘錨固于穩定破裂面內的長度不足,導致土釘被拔出。由于復合土釘墻一般直立開挖,因此位于破裂面內的滑動土體體積較大,發生拔出可能性遠大于普通放坡土釘墻。

土釘抗拔破壞要求土釘錨固力大于所承擔的土壓力,如式(3)所示:

相關符號意義見JGJ 120-99建筑基坑設計規程。

1.4 土體剪切破壞

對于第一道土釘一般埋設深度都不大,因此上部土體的法向壓力不大。在這種情況下,當土釘的拉力較大時,可能會發生注漿錨固體周圍的土體剪切破壞,導致錨固體整體拔出。這種破壞形式不是土體與注漿錨固體粘結力不足造成的,而是土體自身發生的剪切破壞。

預防這種破壞形式,就要根據土力學原理進行土體的抗剪強度驗算。要求土體的抗剪強度大于土體的摩擦力取值。土體的抗剪強度驗算按式(4)進行:

1.5 墻體傾覆破壞

墻體傾覆破壞指墻體繞坑底或者最下面一道支點發生傾覆破壞。墻體傾覆破壞的原因是外側主動土壓力對支點產生的彎矩大于各道土釘和被動土壓力產生的平衡彎矩。由于在土釘墻設計理論中,每道土釘的水平抗拔承載力均按照水平主動土壓力平衡計算,因此作用于墻體的水平土壓力通過墻體分配至各道土釘,可見,只要土釘工作正常,墻體傾覆破壞的可能性基本不存在。

1.6 墻體剪切破壞

由于墻體強度一般不高,基坑底部坡腳位置土壓力最大,因此易在該位置產生剪切破壞。根據有限元模擬結果來看,當土壓力較大時,在水泥土坡腳位置產生45°斜向剪切破壞面,說明這種破壞是存在的,如圖1所示。

對坡腳進行剪切破壞驗算,計算跨度取最下面一道土釘與坑底距離再加0.5倍墻體寬度。取相應深度的水泥土壓力作為荷載。則抗沖切面積為:A=2×B×1,其中,B為墻體寬度。

水泥土的抗剪強度:Cu0=(0.2～0.3)fcu;Cu0=C0+γ0h0tgφ0。其中,fcu為水泥土無側限抗壓強度,與水泥產量及養護期有關,當摻入量為 12%～13%,養護20 d左右時可取為1 MPa;C0為水泥土的粘聚力,一般取0.1 MPa～0.6 MPa;φ0為水泥土的內摩擦角,一般取 20°～30°;γ0為水泥土重度;h0為驗算截面的深度,則抗沖切承載力為:V=A?Cu0。

外荷載為:Q=e?L。

可見,實際施工中可采取變摻量方法在受剪荷載較大之處增加水泥摻量。

1.7 墻體局部承壓破壞

根據混凝土設計規范按下式進行素混凝土局部承壓驗算:

其中,Al為局部承壓面積,考慮噴錨一般井字架長度400,故其面積取0.16 m2;fcc為素混凝土軸心抗壓強度設計值,按混凝土軸心抗壓強度設計值的0.85計算;其余符號同規范。

如按水泥土強度1 MPa計算,則:

對于土釘,一般長度超過12 m其承載力就增加不大,因此其抗拔承載力一般不會達到408 kN,所以混凝土局部承壓一般不需要驗算。但是應確保水泥土攪拌樁質量和井字架的長度。

2 結論和建議

經過幾年的理論研究和工程實踐,發展了多種組合形式的復合土釘墻技術,大量的工程應用表明,在地質條件較復雜的地方,復合土釘墻具有傳統土釘墻無法比擬的優點。

對于復合土釘墻的設計方法,應該注意到由于超前支護體系的存在,如果按照純粹的土釘墻設計方法則無法考慮超前支護結構的安全性。因此建議設計人員應從破壞模式入手綜合考慮全面預防,以確保基坑工程的安全。

[1] 陳肇元,崔京浩.土釘支護在基坑工程中的應用[M].北京:中國建筑工業出版社,1998.

[2] JGJ 120-99,建筑基坑支護技術規程[S].

[3] CECS 96∶97,基坑土釘支護技術規程[S].

[4] 賴天文.復合土釘支護設計參數敏感性分析[J].蘭州鐵道學院學報,2003(2):31-32.

[5] 李象范,徐水根.復合型土釘擋墻的研究[J].巖土錨固工程,2002(2):15-17.

[6] 陳清華.復合土釘支護在復雜環境軟土地層深基坑支護中的應用[J].防滲技術,2002(3):8.