關于土釘墻作用機理及工作性能的探討

一、前 言

在眾多基坑支護方法中，土釘支護方法以其工藝簡單、施工方便、快速及時、安全經濟等特點受到廣大工程技術人員的青睞，在工程實踐中已經創造了巨大的社會經濟效益，但是其也存在自身的弊端，因此，為了把土釘墻支護結構技術更好地應用到工程中，筆者特對土釘墻的作用機理及工作性能作下深入的探討和研究，謹供大家作參考之用。

二、土釘墻的基本性質及支護原理

2.1 土釘墻支護原理

土體的抗剪強度較低，抗拉強度幾乎可以忽略，但土體具有一定的結構整體性，當開挖基坑時，土體存在使邊坡保持直立的臨界高度，當超過這一高度或者在地面超載及其它作用下，將發生突發性整體破壞。所采用的傳統支擋結構均基于被動制約機制，即以支擋結構自身的強度和剛度，承受其后的側向土壓力，防止土體整體穩定性破壞。

土釘墻則是在土體中放置一定長度和密度的土釘構成的。土釘與土共同工作，形成了能大大提高原狀土強度和剛度的復合土體，土釘的作用是基于這種主動加固的機制。土釘與土的相互作用，還能改變土坡的變形與破壞形態，顯著提高了土坡的整體穩定性。

試驗表明:直立的土釘墻在坡頂的承載能力約是素土墻的一倍以上。更為重要的是，土釘墻在受荷載過程中不會發生象素土邊坡那樣的突發性的滑塌。它不僅推遲了塑性變形發展階段，而且明顯的呈現出漸進變形與與開裂破壞并存且逐步擴展的現象，直至喪失承受更大荷載的能力，仍然不會發生整體性滑塌。

土釘支護原理可用“優勢滑移面”的理論加以分析。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。

優勢滑移線隨基坑下挖而轉移，因而在不同開挖深度上具有不同的優勢

滑移線，從而形成優勢滑移線簇。但任一確定深度的基坑邊壁之最先產生、

也是最危險的優勢滑移線只有一條，稱之為優勢滑移控制線，相應的滑移

面稱為優勢滑移控制面(圖3)。

滑移體實際下滑以優勢滑移控制面的最終形成為前提。優勢滑移控制面產生初期，以地面出現滑移性裂縫或區間高變形速率為先導，并以一定的變形速率發展變化。采用具有足夠“縫合強度”的土釘(管、索、檢)逐次超前“縫合”優勢滑移控制面，則此滑移面將不會萌生，或不致發展和形成(圖4)。

在優勢滑移面產生后，維持坑壁穩定的因素是:

(1)被土釘及面層加固的滑動土體自重在滑移面上的摩擦力;

(2)土釘力在滑移面上產生的摩阻力。

通過對土釘支護工作機理的分析，可以總結出土釘支護與傳統支擋結構工作機理的不同之處，即土釘支護方法以盡可能保持顯著提高，最大限度利用基坑邊壁土體固有力學強度，提高主動支護土體變土體荷載為支護結構體系—部分，與土體共同工作的基本特性。

2.2 土與土釘間相互作用

類似地加筋土擋墻內拉筋與土的相互作用。土釘與土間的摩阻力的發揮，主要是由于土釘與土間的相對位移而產生的。在土釘加筋的邊坡內，同樣存在著主動區和被動區。主動區和被動區內土體與土釘的摩阻力發揮方向正好相反，而被動區內土釘可起到錨固作用

土釘與周圍土體間的極限界面摩阻力取決于土的類型、上覆壓力和土釘的設置技術。美國ELias和Juran(1988)在試驗室做了在密砂中土釘的抗拔試驗，認為“加筋土擋墻內拉筋與土釘的設置方法不同，它的極限界面摩阻力也不相同。因此，加筋土擋墻的設計原則不能完全用來設計土釘結構。應對土釘作抗拔試驗為最后設計提供可靠數據”。目前，土釘的極限界面摩阻力問題尚有待進行深入的理論和試驗研究。

土釘在復合土體中的作用可以概括為以下幾點:

(1)約束骨架作用:該作用是由土釘本身的剛度和強度以及它在土體內的分布空間所決定的。它具有制約土體變形的作用，并使復合土體構成一個整體。

(2)分擔作用:在復合土體內，土釘與土體共同承擔外部荷載和土體自重應力。由于土釘有較高的抗拉、抗剪強度以及土體無法比擬的抗彎剛度，所以當土體進入塑性狀態后，應力逐漸向土釘轉移。當土體開裂時.土釘分擔作用更為突出，這時，土釘內出現彎、拉剪等復合應力，從而導致土釘內部漿體破裂，鋼筋屈服。復合土體塑性變形延遲及漸進性開裂變形的出現與土釘分擔作用密切相關。

(3)應力傳遞與擴散作用:在同等荷載作用下，由土釘加固的土體內的應變水平比素土邊坡土體內的應變水平大大降低，從而推遲了開裂的形成與發展。

(4)坡面變形的約束作用:在坡面上設置的與土釘連成一體的鋼筋混泥土面板是發揮土釘有效作用的重要組成部分。坡面膨脹變形是開挖卸荷、土體側向變位以及塑性變形和開裂發展的必然結果，限制坡面膨脹能起到削弱內部塑性變形，加強邊界約束作用。這對土體開裂變形階段尤為重要。

三、土釘墻的工作性能

通過對現有國內外實際土釘墻工程的測試資料及大型模擬工程的試驗結果的分析，可以將土釘墻的工作性能歸納為以下幾點:

(1)土釘墻的變形較小。最大水平位移發生在墻體頂部，越往下越小。最大水平位移與開挖高度之比一般不大干3%。這種位移值不會影響工程的適用性和長期穩定性，它對整個土釘墻工程來說，不構成控制設計的主要因素。土釘墻體內的水平位移隨離開墻面距離增大而減小。

(2)土釘內的拉力分布是不均勻的，一般呈現中間大，兩邊小的規律，即最大拉力出現在臨近破裂面處。土體產生微小變位才能使土釘受力，在面板附近土釘受力不大，這表明土釘已將其所受的大部分的力傳遞到土體當中去了。土釘墻位置越往下，土釘最大受力點越往面板處移。

(3)土釘最大拉力出現在基坑的中部。上部、下部土釘的受力均較小。在施工階段，下層土體開挖對已設置的所有上層土釘受力均有較大影響，各層土釘拉力均有突變增量，即土釘受力具有開挖效應。

(4)采用密集土釘加固的土釘墻性能類似重力式擋墻。破壞時明顯地帶有平移和轉動的性質，故設計時除驗算土釘墻的內部穩定性，以保證它們有足夠的釘長、頂徑及合理的間距外，還必須驗算其整體的穩定性，即驗算土釘墻的抗滑及抗傾覆安全性。

結 語

本文詳細討論了土釘墻的支護原理及作用機理。得出了土釘墻工作性能及與其它支護結構工作性能的不同之處。因此，分析得出土釘支護的應用范圍甚廣，可作為土體開挖的臨時支護，用于高層建筑、地下結構等深基坑開挖，土坡開挖等;可作為永久性擋土結構，一般與施工開挖時的臨時支護相結合。以及現有擋土墻的修理加固和各類臨時支護發生失穩時的搶險加固。