基坑土釘墻支護穩定性分析中應注意的問題

羅小平

(中鐵隧道勘測設計院有限公司,天津 300133)

在基坑開挖過程中,將土釘置入原狀土體中,并在支護面上噴射鋼筋網混凝土面層,通過土釘、土體和噴射的混凝土面層的共同作用,形成土釘墻支護結構。土釘墻支護適用于地下水位以上或經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。由于其經濟可靠且施工快速簡便,現已成為繼撐式支護、排樁支護、連續墻支護、錨桿支護之后又一項較為成熟的支護技術,在國內外都得到了迅速的推廣和應用。北京莊勝廣場深基坑支護的兩個對邊長度分別達到了130m和270m,深13～16.5m[1]。盡管該技術應用較為廣泛,但其理論研究卻落后于工程實踐。與國外比較,設計計算方法較為粗糙,施工技術水平不高,還缺乏對土釘支護技術的深入的系統研究。本文針對土釘整體穩定性分析所采用的計算方法,提出基坑土釘墻設計施工中應注意的一些問題。

1 土釘墻整體穩定性分析方法

按照《建筑基坑支護技術規程(JGJ120—99)》[2]的規定,土釘墻支護設計中主要包括土釘抗拉承載力計算和土釘墻整體穩定性驗算。通過對土釘失穩及破壞的現場觀察可知,幾乎所有土釘支護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象。土釘支護的整體穩定性分析是評價支護結構是否正常工作的一個重要方面,在土釘的設計中具有極其重要的地位。

1.1 我國規范規定方法

現有設計一般采用《建筑基坑支護技術規程(JGJ120—99)》中給出的方法。規程中方法把土坡的穩定性分析方法引入土釘支護的分析計算中來,即圓弧滑動條分法,同時把土釘的作用考慮進去。土釘墻根據施工期間不同開挖深度及基坑底面以下可能滑動面,采用圓弧滑動簡單條分法按下式進行整體穩定性驗算

式中 γk為整體滑動分項系數(其余符號意義見文獻[2]),規程規定一般可取1.3。對土體強度指標而言,較難準確應用概率統計方法,我國在土坡穩定以及錨桿支護設計中仍沿用總安全系數設計方法。按圓弧滑動條分法,計算時將土釘和土條分開考慮,分析土條所受作用力時不考慮土條側邊力和土釘的影響。(1)式只是在一般素土土坡的穩定性計算公式中迭加了土釘對滑移面上抗剪能力的貢獻。由(1)式或其他方法如簡化的Bishop法[3]、對數螺旋曲線滑移面法等得出的安全系數值,由于忽略了每一土條側邊上的內力影響,一般偏于保守。

1.2 圓弧滑動條分法的缺陷

將圓弧滑動法應用于 φ＞0的黏性土,滑動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作用點離土條左邊的距離,l為該土條對應的圓弧段長度。由靜力平衡原理

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

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

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、假定推力線的位置等[3～5]。但是,這種假定情況下方程(2)得出的內力解不能反映圖1的平衡真解。而從固體力學觀點出發,求解上述超靜定問題的根本方法是引入變形協調條件和土體的本構關系,這也正是現在使用的條分法理論上的根本缺陷所在。

當支護內存在地下水時,必須提供沿滑移面的孔隙水壓力,作為說明支護結構穩定問題的部分數據。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際分布。除了瑞典法之外,實際的孔隙水壓力值與假定值之差增大了滑動面上的平均法向壓力值。該值增大了滑動面上可發揮的剪切力,因此安全系數的計算值增大。條分法計算的發展,迄今還沒有正確考慮會導致百分之幾十誤差的滲流場問題。

圖1 條分法計算模型單元

2 土釘支護設計施工中應注意的問題

2.1 強調概念設計

支護結構的滑移的確沿某一滑移面運動,但這僅是最終結果的外在現象,而基坑支護失穩滑移的內在原因在于基坑邊坡開挖過程中產生的次生應力場。對于土釘支護設計來講,目的是要使土釘足以穩定基坑邊坡的運動,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最終次生應力場的分布和土的本構關系,這正是土釘支護的設計根本所在。所以現有土釘支護設計無法正確認識土釘支護對邊坡穩定性的真正作用,也無法對土釘所產生的次生應力場對邊坡失穩趨勢的次生應力場的影響作出正確判斷。

因此,基坑土釘墻支護設計應強調其概念設計,土釘支護設計一定要按承載力、變形和穩定性要求的原則執行,充分認識其復雜性,科學對待其風險性。弄清土釘支護結構的適用條件,注重支護方案的選擇和優化以及周圍環境的影響。由于圓弧滑動條分法的缺陷,設計中應同時采用不同思路的計算方法對支護進行驗算,如應用重力擋土墻極限平衡分析方法或根據經驗直接給出土釘支護內部的側向土壓力等。

2.2 考慮施工階段效應

基坑開挖產生臨空面后,非支護條件下的邊壁土體隨后產生變形直至滑移破壞,條分法假定其破壞模式為圓弧型。試驗研究表明,圓弧滑移面的最終形成有一個萌生—發展—完成的演變過程,它受控于介質物理力學性質,并與掘支方法及效率、基坑空間尺度、水患條件、施工質量和管理水平等密切相關。在某一開挖深度條件下,坑壁產生滑移具有某種隨機性,即可能出現滑移線簇。但最危險和最先產生的滑移線只有一條,稱之為優勢滑移線,相應的滑移面稱為優勢滑移面。基坑優勢滑移線隨基坑下挖而轉移,在不同開挖深度上具有不同的優勢滑移線,利用條分法進行優化設計得到的優勢滑移控制面值得懷疑,因為這種做法必須以分析理論的正確為前提。施工過程對支護性能有顯著影響[6],支護失穩過程中土體滑移面上的各個土釘不一定象假定的那樣能夠同時達到各自的最大抗力,而且土釘的作用使滑移面后移,圓弧滑動條分法也沒有加以考慮。

滑移面的選取對于土釘墻設計是十分重要的,穩定性計算也應充分考慮施工階段效應,根據施工期間不同開挖深度及基坑底面以下可能滑動面進行驗算。

2.3 土釘支護設計參數的選取

土釘支護設計參數包括土釘間距、長度、傾角和坡面傾角,文獻[7]研究了上述參數對穩定性安全系數的影響。基于此和對基坑邊坡開挖次生應力場的認識及現場實踐,土釘墻設計應結合計算分析考慮設計參數的選取原則和采取一定的構造措施。

(1)土釘長度

沿支護高度,土釘內力相差較大,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,而且經常有各種形式的超載存在,所以這一部分的土釘應加密,水平間距最好在1.2m以下,土釘長度應確定為最長。這一原則與條分法所得結果一樣,但依據的原理不同。土釘加密是為了使松散性質的填土強度得以提高,從而提高填土承受基坑超載的能力,起到加固作用。土釘的加長是為了提高土釘支護的抗傾覆能力和減少支護結構水平位移。

在基坑下部,按照條分法的滑移線,該處土釘長度應最短,但是基坑開挖的過程實際是土體應力逐漸釋放的過程,在基坑底部由槽底和邊坡形成的坡角恰好是應力集中區,應力出現峰值,從而可能造成該處土體進入塑性狀態,使其強度降低,而且越接近基坑底部,土體受上部壓力也越大,土體越密實,開挖造成的次生應力也越大,從而導致邊坡潛在滑移面上的剪應力越大,臨近破壞時土釘應力急劇增加。所以土釘的長度要穿過由于開挖造成的應力集中區,不能過短且要盡可能加密土釘。底部土釘對抵抗基底滑動,傾覆或失穩有重要作用,另外當支護結構臨近極限狀態時,底部土釘的作用會明顯加強。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增加。非飽和土底部土釘長度可適當減少,但不宜小于飽和軟土,由于土體抗剪能力很低,土釘內力因水壓作用而增加,設計時取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的定量指標。土釘的水平間距和垂直間距一般宜為1.2～2.0m。垂直間距依土層及計算確定,且與開挖深度相對應。上下插筋交錯排列時,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加密。

現有的設計方法都是基于平面應變假設,僅能描述土釘墻橫向剖面效應,無法描述土釘墻縱向連接的效應,所以土釘水平加密的效果在計算中無法反映,設計者只能靠經驗來判斷。單個土釘是不能抗彎和抗剪,但孤立的看待土釘的作用是不全面的,實際上將土釘間距減小,密集的土釘層板呈15o插入邊坡內構成系統,對基坑邊的超載或建筑物有關鍵性的保護作用,尤其對邊坡向坑內的運動有較強的約束作用。

(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等多種因素。研究表明,傾角越小,支護的變形越小,但注漿質量較難控制。傾角越大,支護的變形越大,但傾角大有利于土釘插入下層較好的土層內。注漿材料一般用水泥砂漿或水泥素漿。水泥采用不低于425號的普通硅酸鹽水泥,水灰比為1∶0.4～1∶0.5。

土層參數差別較大時,必須考慮土層的分布情況,計算中取其平均值設計是不合理的,施工中易造成土質軟弱層出現裂縫。對于土質特別差如淤泥質粉質黏土,土釘與土體間摩阻力太小,土釘不能提供有效的抗拉力,應將土釘視作錨桿,加長土釘長度,同時加大角度,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成功的最大保證,如果基坑降水不理想,就會在基坑坡角內聚集有地下水,這將是土釘支護的最大隱患,設計時應引起足夠重視。這就要求在滿足穩定性驗算的基礎上,對基坑下部的土釘還要有構造要求,通過土釘使邊坡與未被擾動的槽底相互連接。對于土的力學性能參數c、φ值,當有地下水作用或工程降水后短期內未能充分固結時,應取直接快剪或三軸不固結不排水剪峰值強度指標。

當地下水位高于基坑底面時,應采取降水和截水措施。土釘墻頂應采用砂漿或混凝土1～2m寬的護面板。坡頂和坡腳應設排水措施,坡面上可根據具體情況設置泄水孔。

2.4 信息化設計施工

土釘技術的一個關鍵的優點是信息化設計施工,可以根據現場開挖發現的土質情況和現場監測的支護位移、地表開裂狀態、附近建筑物和重要管線等設施的變形、基坑滲漏水和基坑內外的地下水位變化等數據,及時修改土釘的設計參數和采取加固措施。施工時進行監控量測(見表1),將現場測量的數據、信息及時反饋,以修改和完善設計,使設計達到優質安全、經濟合理。

表1 監控量測

3 結束語

土釘支護穩定性計算采用的圓弧滑動條分法存在一定的缺陷,工程設計施工應結合具體的地質和環境條件選取適合的支護參數,不能單純的依靠計算解決工程問題。土釘墻穩定性計算關鍵要解決土的本構關系及土釘和土體間的變形協調條件。我們必須將注意力轉移到對松散介質力學方向的研究上,任何計算方法都不能脫離堅實的基礎理論;盡可能的將有限元方法引入到土釘支護設計中,充分應用巖土介質的非線性力學;巖土工程模糊性、不確定性、隨機性的性質決定了工程實踐經驗仍是不可或缺的。

[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,2000

[2]中華人民共和國建設部.建筑基坑支護技術規程(JGJ120—99)[M].北京:中國建筑工業出版社,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.土釘支護設計與施工手冊[M].北京:中國建筑工業出版社,2000

[7]張明聚,等.土釘支護設計的修正條分法[J].工程勘察,1997(6):1-5