土釘支護的設計與應用

苑金秒，張芳芳

（山西大同大學煤炭工程學院，山西大同037003)

土釘支護的設計與應用

苑金秒，張芳芳

（山西大同大學煤炭工程學院，山西大同037003)

土釘墻是常用的基坑支護方法之一。文章對土釘墻的支護特點、適用范圍、設計方法作了論述，并結(jié)合工程實例，對土釘墻的設計方法進行了探討，以供同行參考，進一步揭示其優(yōu)越性。

土釘墻；土壓力；設計；穩(wěn)定性

近些年，隨著城市建設規(guī)模的快速拓展，基坑工程也眾所矚目，規(guī)模之大，深度之深，周邊環(huán)境復雜，成為巖土工程發(fā)展中最為活躍的領(lǐng)域之一[1]。

1 土釘支護簡介

土釘支護(Soil Nailing)是基于新奧法（NATM）原理發(fā)展起來的一種新型原位土體加固技術(shù)[2]，該技術(shù)目前被廣泛應用于開挖支護和邊坡加固工程中。土釘支護由土釘（即：土中置入較密間隔的細長桿體，如鋼筋、鋼管等，周圍再輔以壓力注漿）與加固了的土體作為擋土結(jié)構(gòu)，類似于重力式擋土墻。當土體發(fā)生變形時，土釘全長與土體接觸界面上產(chǎn)生粘結(jié)摩阻力，使土釘被動受拉，加上開挖面上噴射鋼筋混凝土面板的約束，使復合土體的力學性能得以改善，自穩(wěn)能力和整體剛度得到提高，起到制約邊坡土體變形、提高邊坡整體穩(wěn)定性的效果。典型的土釘支護結(jié)構(gòu)包括原土中的土釘、噴射混凝土面層以及被加固的土體，見圖1。

圖1 土釘支護結(jié)構(gòu)構(gòu)造示意圖

2 土釘支護設計參數(shù)選擇

土釘支護結(jié)構(gòu)的設計內(nèi)容，見圖2，可參考工程類比和工程經(jīng)驗進行結(jié)構(gòu)尺寸與材料參數(shù)的選擇。重要工程設計時，宜結(jié)合相關(guān)有限元軟件進行受力分析。

圖2 土釘支護結(jié)構(gòu)的設計

2.1土釘?shù)拈g距

土釘?shù)拈g距大小直接影響到其整體作用效果，選擇的原則是以每個土釘注漿體對周圍土體的影響區(qū)域應與相鄰土釘注漿體的影響區(qū)域相重疊為準。土釘?shù)乃胶拓Q向間距宜為1～2 m，當基坑較深、土體強度較低時，應取小值[3]。土釘?shù)呢Q向間距應與每步開挖深度相對應，沿面層布置的土釘密度不應低于6 m2/根。

2.2土釘?shù)膬A角

土釘與水平線之間的向下的夾角稱為土釘?shù)膬A角，一般宜為5～20°，其值應由土層特性和施工條件綜合確定。研究表明，傾角越小，支護的變形越小，但注漿質(zhì)量較難控制；傾角越大，支護的變形越大，但有利于土釘插入下部較好土層，注漿質(zhì)量也易于保證[4]。當采用壓力注漿且有可靠排氣措施時，傾角宜接近水平。軟弱土層中，可適當加大傾角，以便土釘向下進入強度較高的土層中。若遇到障礙物時，必要時適當調(diào)整鉆孔的位置和方向。

2.3土釘?shù)牟牧?/p>

土釘可采用鋼筋、角鋼和鋼管等。當采用鋼筋時，鋼筋直徑應根據(jù)土釘抗拔承載力設計要求確定，宜取 16～32 mm，鋼筋級別選擇 HRB335或HRB400，成孔直徑宜取70～120 mm，土釘鋼筋保護層厚度不宜小于20 mm；采用角鋼時，一般為L5×50×50角鋼；采用鋼管時，鋼管的外徑不宜小于48 mm，壁厚不宜小于3 mm。

2.4噴射混凝土面層

噴射混凝土面層的厚度一般取80～100 mm，混凝土強度等級不低于C20，三天強度不應低于10 MPa。該面層中應配置鋼筋網(wǎng)和通長的加強鋼筋：鋼筋網(wǎng)宜采用直徑6～10 mm的熱扎光圓鋼筋，間距宜取150～250 mm，鋼筋網(wǎng)間的搭接長度應大于300 mm；加強筋的直徑宜取14～20 mm，當充分利用土釘桿體的抗拉強度時，加強筋的截面面積應大于土釘桿體截面面積的一半。面層厚度大于120 mm時，宜設置雙層鋼筋網(wǎng)。土釘鋼筋與面層噴射混凝土可以通過鋼墊板、螺帽墊圈等方式連接，土釘與面層鋼筋應與加強筋焊接，加強筋連接相鄰的土釘。

3 土釘設計計算

3.1土釘?shù)目拱纬休d力計算

3.1.1單根土釘?shù)臉O限抗拔承載力計算

應符合下式規(guī)定（滿足抗拉拔強度）[5]：

式中：Kt為土釘抗拔安全系數(shù)，安全等級為2級和3級的土釘墻，不應小于1.6和1.4；Nk,j為第 j層土釘?shù)妮S向拉力標準值，kN；Rk,j為第 j層土釘?shù)臉O限抗拔承載力標準值，kN。

3.1.2土釘極限抗拔承載力標準值

可按下式估算：

式中：Rk,j為第 j層土釘?shù)臉O限抗拔承載力標準值，kN；dj為第 j層土釘?shù)腻^固體直徑，成孔注漿時取成孔直徑，打入鋼管取管徑，m；qsik為第 j層土釘在第i層土的極限粘結(jié)強度標準值，kPa；li為第 j層土釘在滑動面外第i土層中的長度，m。

計算單根土釘極限抗拔承載力時，取圖3所示的直線滑動面，直線滑動面與水平面的夾角取(β+φm)/2。

圖3 土釘抗拔承載力計算

3.2土釘?shù)睦τ嬎?/p>

土釘?shù)妮S向拉力標準值：

式中：ζ為墻面傾斜時的主動土壓力折減系數(shù)，墻面傾斜時ζ≤1，墻面垂直時ζ＝1；ηj為第j層土釘軸向拉力調(diào)整系數(shù)，最上層土釘ηj≥1，最下層土釘ηj≤1；pak,j為第j層土釘處的主動土壓力強度標準值，kPa；sxj、szj為土釘?shù)乃胶痛怪遍g距，m；β為墻體坡面與水平面的夾角，(°)；φm為基底面以上各土層的內(nèi)摩擦角按土層厚度加權(quán)平均值，(°)；zj為第j層土釘至基坑頂面的垂直距離，m；h為基坑深度，m；ΔEaj為作用在以邊長為sxj、szj的面積內(nèi)的主動土壓力標準值，kN；ηa為計算系數(shù)，每層土釘?shù)挠嬎阆禂?shù)相同；ηb為經(jīng)驗系數(shù)，可取0.6～1.0；n為土釘層數(shù)。

土釘桿體的受拉承載力（滿足抗拉斷強度）：

Nj≤fyAs

式中：Nj為第j層土釘?shù)妮S向拉力設計值，Nj＝γoγFNk，kN；fy為土釘桿體的抗拉強度設計值，kPa；As為土釘桿體的截面面積，m2。

4 工程算例

某基坑擬采用土釘支護，高度為4 m，地下水水位埋深大于20 m。坡面與水平面夾角70°，地面超載20 kPa，安全等級二級。土層參數(shù)：γ＝20 kN/m3，c＝10 kPa，φ＝20°，土釘與土層的極限粘結(jié)強度標準值qsik＝50 kPa，經(jīng)驗系數(shù)為0.6。場地內(nèi)未見特殊類土層分布，屬于建筑抗震一般地段，非液化場地，且不考慮震陷影響。

4.1設計計算

（1）初設沿坡面垂直方向均勻布置2排土釘，第一層土釘距坡頂1.0 m，第二層土釘距坡頂3.0 m，土釘水平間距2.0 m，土釘傾角15°。

土釘桿體采用鋼筋，直徑16 mm，強度等級HRB400，錨固體直徑120 mm。土釘與土層的極限粘結(jié)強度標準值qsik＝50 kPa，經(jīng)驗系數(shù)0.6。

（2）計算軸向土壓力標準值Nk,j。

Ka=tan2(45°-20°/2)=0.49

第一層土釘：

折減后的軸向土壓力標準值：

（3）以第二層為例計算土釘有效錨固長度。

基坑安全等級二級：

有效錨固長度：

（4）以第二層為例驗算土釘桿體受拉承載力。

N2=γoγFNk=1.0×1.25×56.4=70.5kN＜ fyAs，滿足要求。

同理，驗算第一層土釘?shù)挠行у^固長度和受拉承載力均滿足要求。

4.2電算復核

采用理正深基坑支護結(jié)構(gòu)設計軟件7.0進行驗算。計算時采用有限元法，考慮了土釘墻結(jié)構(gòu)與墻后土體有空間整體協(xié)同作用。選用增量法，也就是按照各施工工況，施加相應的荷載，能比較真實的模擬出基坑開挖的整個過程，同時也可以考慮施工過程中開挖順序?qū)χёo體系的影響。按各施工工況的最不利內(nèi)力組合進行設計，也對基坑穩(wěn)定性、墻身材料的承載力等進行驗算，經(jīng)計算均滿足相當規(guī)范要求。

5 小結(jié)

（1）本文結(jié)合土釘支護的基坑工程實例，合理設計了土釘?shù)拈L度、間距，對土釘?shù)挠行у^固長度和受拉承載力進行驗算。并用軟件進行校核，證明土釘墻支護技術(shù)是切實可行的。

（2）土釘支護的作用機理是通過土釘與土體接觸界面上的黏結(jié)力或摩擦力，使土釘受拉，從而約束土體的變形。土釘一般也不施加預應力。

（3）土釘墻支護結(jié)構(gòu)通常適用于地下水位較低、自立性較好的地層。因其造價低廉、施工便捷等優(yōu)點，近些年在我國得到大力推廣，隨著現(xiàn)代化建設的步伐加快，以后在工程建設中將擁有更為廣闊的前景。但在地下水豐富的軟弱地質(zhì)條件下，如我國沿海地區(qū)，地層通常為疏軟的雜填土或淤泥質(zhì)土下為深厚的淤泥質(zhì)粘土，土體強度偏低，且若深基坑工程位于城市中心，周邊建筑物密集，環(huán)境復雜，土釘支護技術(shù)在該地區(qū)的應用受到很大的挑戰(zhàn)。

[1]張芳芳,李林.水泥土擋墻的設計與應用[J].山西大同大學學報(自然科學版),2014,30(3)：63-65,68.

[2]張艷美,盧玉華,程玉梅,等.基礎(chǔ)工程[M].2版.北京：化學工業(yè)出版社,2011：231-235.

[3]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程：JGJ 120-2012[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2012.

[4]袁聚云,李鏡培,樓曉明.基礎(chǔ)工程設計原理[M].1版.上海：同濟大學出版社,2002：182-191.

[5]曾亮.專業(yè)案例一本通[M].北京：華南巖土出版社,2014.

Design and Application of Soil Nailing Wall

YUAN Jin-miao,ZHANG Fang-fang
(School of Coal Engineering,Shanxi Datong Unversity,Datong Shanxi,037003)

Soil nailing wall is one of supporting methods commonly used in the foundation pit engineering.In this paper,its characteristics,scope of application and design method are introduced.Combined with engineering example,the analysis of design process as follows for the colleague reference,and its superiority can be further revealed.

soil nailin wall；soil pressure；design；stability

TU471

A

〔責任編輯 王東〕

1674-0874(2017)01-0063-03

2016-06-20

苑金秒(1979-)，女，河北衡水人，助教，研究方向：土木工程。