深基坑土釘支護研究綜述

雷楊崑

(重慶交通大學土木工程學院 重慶 400074)

深基坑土釘支護研究綜述

雷楊崑

(重慶交通大學土木工程學院 重慶 400074)

土釘支護成為了現(xiàn)代深基坑支護措施中強有力的手段，在國內基坑支護中己經成為繼支撐式支護、板式支護后又一成熟技術。本文介紹了土釘支護的概念及其發(fā)展過程指出了土釘支護的優(yōu)點及其局限性，總結當下土釘支護技術的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展前景。

深基坑；土釘支護；穩(wěn)定性

一、引言

隨著我國工業(yè)化和城市化加速發(fā)展，高層、超高層建筑及地下建筑不斷涌現(xiàn)，工程人員致力于尋求“安全穩(wěn)妥、技術先進、經濟合理、施工方便、工期保證、業(yè)主滿意”的基坑支護方式。土釘支護技術以其工期短、施工便捷、經濟節(jié)能、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點迅速發(fā)展并取得顯著技術經濟效益。

二、土釘支護概述

土釘支護采用現(xiàn)場原位土體的細長桿件(土釘)作為受力構件，與被加固的原位土體、噴射混凝土面層組成的支護體系。

土釘支護技術具有如下優(yōu)點：工程數(shù)量少，施工快；施工設備輕便，易操作；場地適應性強；結構輕巧，柔性大，延性好；施工所需的場地較小；可逐次分段作業(yè)，施工噪聲和振動小。

三、土釘支護發(fā)展及現(xiàn)狀

土釘支護是從70年代出現(xiàn)的。它在很多方面與隧道新奧法施工類似，可視為是新奧法概念的延伸。此外，60年代發(fā)展起來的加筋土技術對土釘支護技術的萌芽也有一定的推動作用。

1972年法國首先在工程中應用土釘墻技術。該工程為凡爾塞市鐵路路塹邊坡開挖工程。Bouygues使用了25000根鉆孔注漿錨桿，加固了高14m，坡角70°，總加固面積為12000m2的邊坡。1974年，他又將該技術第一次用于城區(qū)內鄰近高層建筑和繁華街道的地鐵車站工程，他首次采用不注漿的擊入釘。此后，土釘技術得到普及，到了80年代后期，開展了模型試驗和有限元分析等基礎性研究。

1979年,德國Stuttgart建造的第一個高14m的永久性土釘工程開始了連續(xù)測量。美國的土釘研究主要以加州大學為代表，進行了上釘支護現(xiàn)場試驗，量測不同開挖深度時地表水平位移分布和土釘?shù)睦Α?985年，日本對可出現(xiàn)小規(guī)模破壞的邊坡采用經驗數(shù)據(jù)進行設計。

1979年在巴黎召開了一次關于土體加固的國際會議，使土釘支護技術得到迅速發(fā)展和廣泛應用，受到了各國土木工程界的極大重視。1990年在美國召開的擋土結構國際學術會議上，土釘支護已作為一個獨立的專題與錨桿擋墻并列，使它成為一個獨立的土體加固學科分支。

我國應用土釘?shù)氖桌こ淌?980年將土釘用于山西柳灣煤礦的邊坡穩(wěn)定。1987年，總參工程兵科研三所任輝啟、劉玉堂等在洛陽王城公園高達30m、長200余米的高坡護岸工程中，首次在國內采用了注漿式土釘墻與鋼筋混凝土梁板護壁結構相結合的辦法，實現(xiàn)了高陡邊坡的永久型支護。在基坑深度上，北京民源大廈西塔樓工程基坑深度17.7m，通港大廈基坑深度17m，邊坡為直立的土釘支護。此外，土釘支護還與其他支護技術結合，產生了新的支護方法，現(xiàn)己在我國應用并取得了顯著效益，還編制了土釘墻穩(wěn)定性分析及設計計算程序。其中，陳肇元對復合土釘支護結構形式和適用條件進行了系統(tǒng)研究，指出不同形式的復合土釘支護的工作機理不盡相同，應針對不同的形式建立不同的分析方法。李象范總結了近年來對流砂地層中攪拌樁復合土釘支護的變形性狀、土釘受力變形機理、噴層作用進行了測試研究，改進了攪拌樁復合土釘擋墻的設計方法。吳銘炳總結了福州地區(qū)軟土基坑采用土釘支護的進展與經驗，分析了軟土基坑土釘支護機理并提出了相應的計算方法。經過大量計算指出，只要滿足外部滑動穩(wěn)定，就能滿足抗滑移安全，只要滿足承載力驗算，就能滿足抗隆起穩(wěn)定。龔曉南分析了土釘支護定義、計算模型、地下水處理、土釘支護適用范圍、環(huán)境效應、設計中應注意的幾個問題、復合土釘支護概念等問題，指出應加強土釘支護和復合土釘支護機理研究，加強土釘支護和復合土釘支護位移計算和預估的研究。

四、土釘支護存在的問題以及未來展望方向

在理論研究方面，首先，土釘中的鋼筋通過水泥漿與周圍土體的握裹力和相互摩擦作用把荷載向土中擴散、傳播，而整個墻體向坑內也發(fā)生一定的位移使土釘被動受力，而土釘墻位移計算還缺乏比較理想的計算方法。目前常用數(shù)值計算方法結合可靠的經驗進行驗算確定，有限元分析中如果采用二維有限元模型，把土釘支護邊坡簡化為平面應變問題，土釘按剛度相等的原則等效為單位寬度的薄層。這樣夸大了土釘與土釘之間的聯(lián)結。如果等效薄層的剛度較大，阻止剪應力在土中的傳遞，就更不能正確反映實際的受力狀態(tài)。同時由于土釘?shù)某叽巛^小，需要在土釘與土體之間加入過渡單元，如果考慮土釘與土體的粘接，還要加入三維界面單元，計算模型又變得十分復雜。所以必須通過合理假設，探索符合土釘實際受力狀況的有限元計算方法是研究土釘受力機制的重要途徑。

其次，土釘墻后土壓力一些基坑規(guī)程計算土壓力仍采用傳統(tǒng)上的三角形土壓力分布模式來計算，有的則采用經驗土壓力，而實測的土壓力并非如此。土釘墻后土壓力是隨著基坑開挖而不斷變化著，每個階段土壓力的大小和分布決定了土釘墻的位移、穩(wěn)定程度。而經驗土壓力的分布并不是真正的土壓力分布形式，因此研究土釘墻后土壓力的大小、分布形式，土釘力沿釘身和深度上的分布，弄清楚土釘力與土壓力的關系具有非常重要的指導意義。

在工程設計方面，由于國內沒有統(tǒng)一的土釘支護設計方法，地下工程巖土體又極其復雜，設計單位均以自身有限的工程經驗或借鑒國外的工程實例進行設計。因而,其設計的準確性或可靠性受到一定的限制。尤其受投標價格影響，支護體系的安全系數(shù)取值偏小，表現(xiàn)在土釘?shù)拈g距過大、長度不足或面層厚度不夠。另一方面，由于未能充分而全面地考慮工程的特殊性和復雜性而導致工程事故時有發(fā)生。實測數(shù)據(jù)表明，面層土壓力與面層的剛度有關，面層的設計極為懸殊。有些臨時支護的面層往往不做計算，僅按構造規(guī)定掛網(wǎng)并噴射一定厚度的混凝土。雖然不做計算僅作為構造處理使工程偏于安全，但面層土壓力的存在對基坑變形和其中的應力分布存在著很大的影響。因此考慮面層土壓力的大小分布和對位移、基坑穩(wěn)定影響是以后土釘墻研究中的另一個重要內容。

此外，在內部穩(wěn)定性分析中，土釘體與土體的摩阻粘結強度值，主要以經驗和簡化計算選取，沒有預先經過現(xiàn)場拉拔試驗驗證，因而也存在一定的盲目性，而摩阻粘結強度值對內部穩(wěn)定性分析中的安全系數(shù)是極為敏感的。

五、結論

本文介紹了土釘支護的概念及其發(fā)展過程指出了土釘支護的優(yōu)點及其局限性，總結當下土釘支護技術的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展前景。

從土釘支護結構的概念入手，對土釘支護的結構形式、構造特點、作用機理、常用的設計計算理論和方法等方面進行了詳細的闡述。然后選取鉆孔注漿型土釘為研究對象分析不同土釘長度、土釘間距、土釘傾角、基坑坡度及不同規(guī)章和方法對土釘支護設計的影響，總結規(guī)律。通過綜述深基坑土釘支護發(fā)展現(xiàn)狀及國內外研究現(xiàn)狀，結合其工程應用及理論研究中存在的問題，可為后續(xù)理論研究及工程實踐提供參考依據(jù)。

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[2]郭院成.基坑支護[M].黃河水利出版社，2012，第一版.

[3]黃希來.土釘支護技術的工作機理和工程應用研究[D].同濟大學，2007.

[4]Anon，Construetion problem solved with soil naizing.Public works，Jan 1998.

雷楊崑(1990-)，男，漢，陜西漢中，碩士研究生，重慶交通大學土木工程學院，橋梁損傷機理及安全監(jiān)測。