柔性復合材料面層土釘墻支護在基坑工程中的應用

劉 毅 孫 濤 徐開山 楊寧曄 齊 閣 劉玉峰

1. 青島瑞源工程集團有限公司 山東 青島 266555；2. 山東科技大學 地球科學與工程學院 山東 青島 266590

在以往的邊坡支護工程中，以混凝土面層為代表的“灰色”支護結構被大量采用。但混凝土與鋼材的生產過程對生態環境有著極大的危害。所以，采用柔性的土工合成材料面層來代替混凝土面層契合了目前國家大力倡導的綠色發展理念[1]。本文在對新型支護體系結構進行系統介紹的基礎上，結合青島某基坑支護工程，介紹了柔性面層在工程中的支護效果，希望能為類似工程提供參考。

1 柔性面層土釘墻支護體系

柔性面層土釘墻支護體系（圖1）是一種新型邊坡支護體系，由柔性土工合成材料代替傳統鋼筋混凝土面層，可以大大簡化施工工藝，縮短施工工期，降低工程造價，節能環保并有效控制邊坡變形[2]。

圖1 柔性面層土釘墻支護體系

1.1 體系構成

柔性面層、錨桿（土釘）及柔性面層與錨桿的連接結構[3]共同組成柔性面層土釘墻支護體系。三者協同作用，形成一個整體，共同發揮支撐邊坡穩定的作用。其中的柔性面層可使用土工織物、土工膜、土工特種材料等土工合成材料（圖2）。土工合成材料相比混凝土面層，具有一定的延展性，在施工過程中可對其施加適當的預應力，使其緊密地貼合于邊坡上，有助于邊坡的防護。

圖2 土工合成材料

1.2 工作原理

柔性面層土釘墻支護體系的工作原理與錨噴支護技術類似。如圖3所示，當邊坡發生側向位移時，錨桿產生拉力抵抗邊坡滑動，而柔性面層則抵抗錨桿間的部分土壓力并將土壓力傳遞給滑裂面外的錨桿。柔性面層產生的張力起到了保持坡面局部穩定的作用。

2 工程實例

2.1 工程概況

擬建工程場地位于青島市黃島區。擬建建筑物包括8棟高層住宅樓和6座商業樓及地下車庫。基坑挖深4.5～8.4 m，支護長度約989.6 m。根據鉆探資料，場區的地層分布較均勻，土層共分為7層，依次為：素填土、細砂、粉土、中粗砂、淤泥質土、粉質黏土、中粗砂。

2.2 支護設計方案

根據JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術規程》，本基坑設計安全等級為二級，設計使用期限1年。根據基坑周邊環境、工程地質條件以及開挖深度，劃分為7個支護單元，采用復合土釘墻支護和釘墻支護體系。

場區南側用地紅線外為規劃道路，地下車庫外墻與用地紅線距離為10.6 m，相比場區其他位置，南側更具有放坡條件（圖4）。因此在南側的E-F-G單元區段（以下簡稱EFG邊坡”），使用柔性復合材料面層來代替傳統的噴射混凝土面層。EFG邊坡長約244.6 m。

如圖5所示，EFG邊坡坡頂采用φ20 mm的擊入式土釘，長度為1.0 m，水平間距2.0 m。坡面設有5排長1.5 m的φ20 mm擊入式土釘，垂直間距1.5 m，水平間距1.5 m。土釘墻面層采用復合土工織物柔性面層，由抗拉強度為50 kN/m的雙向塑料土工格柵和面密度為400 g/m2的短纖土工織物熱合而成（圖6），產品的橫、縱向斷裂強度均為50 kN/m，縱向伸長率≤15%，橫向伸長率≤13%，土工織物有效孔徑0.07～0.20 mm。復合土工織物每幅寬6 m，從坡頂向坡底方向鋪設，格柵間使用尼龍繩縫合，坡頂面層外延1.5 m，放坡比例1∶1.2。邊坡面積約3 000 m2。

2.3 支護穩定性驗算

2.3.1 整體穩定性驗算

根據JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術規程》中規定進行整體穩定性驗算：采用圓弧滑動條分法進行驗算，應滿足規程中公式5.1.1-1與5.1.1-2的要求。

圖3 柔性面層邊坡支護體系工作原理

圖4 基坑監測點位布置

圖5 EFG邊坡支護設計剖面

圖6 復合土工織物

以基坑最深深度8.37 m進行支護整體穩定性驗算，共分4步開挖：采用理正深基坑設計軟件進行計算，整體穩定性安全系數分別為Ks,1=1.576，Ks,1=1.847，Ks,1=1.763，Ks,1=1.606，均滿足二級安全等級大于等于1.3的要求，故整體穩定性滿足條件。

2.3.2 平行于坡面抗滑安全性驗算

根據GTC主動加固系統的作用原理進行平行于坡面抗滑安全性驗算[4]，即Sd≤SR/Fs，其中：Sd為錨桿最小抗剪力設計計算值，SR為錨桿極限抗剪能力值，Fs為抗純剪安全系數。由于本工程中采用土釘墻支護，故無錨桿預應力，且處于中粗砂中，故也不考慮黏聚力，即V=0，c=0，經驗算后Sd為13.52 kN，SR/Fs=37.39 kN，同樣滿足平行于坡面抗滑安全性要求。

綜合以上監測結果及安全性驗算，說明采用柔性面層邊坡支護技術進行基坑支護以保證基坑和周邊建（構）筑物的安全，為后續地下結構的施工奠定了良好的基礎。

2.4 施工工藝

基坑工程柔性復合材料面層邊坡支護施工工藝為：開挖、修整坡面→施工坡頂豎向錨桿，鋪設坡頂柔性面層→施工坡頂混凝土→施工第1道土釘→鋪設柔性面層→水平方向、豎直方向設置加強筋→分層開挖、分層支護至基底→砂袋壓住坡腳。

在施工過程中應當注意以下幾點：在鋪設面層的過程中可適當施加預應力，使面層張緊，更加緊密地覆蓋在邊坡表面，使每個單元成為一個緊密的整體，面層縫合搭接處的搭接長度≥250 mm；鋪設面層之前應當修整坡面，避免鋒利的塊石割破面層；設置加強筋可采用綁扎固定，鋼筋連接采用搭接焊，焊接長度不應小于鋼筋直徑的10倍。

2.5 監測數據分析

該工程自2月8日開工，監測工作自進場開始取初始值，基礎回填完成結束，先后進行了61期共200 d的監測。監測數據表明，基坑各單元最大水平位移為9.08 mm，最大沉降變化為7.80 mm。從基坑周邊巡查結果看，周邊無裂縫出現，且無流砂、管涌、塌方現象，處于穩定可控狀態。

在EFG邊坡坡頂選取4個典型水平位移監測點（HV1、HV2、HV3、HV4）和4個典型沉降監測點（VB1，VB2，VB3，VB4），參見圖4。坡頂位移-時間曲線如圖7（a）所示，坡頂沉降-時間曲線如圖7（b）所示。

圖7 坡頂水平位移、坡頂沉降與時間關系曲線

由圖7（a）可以看出，HV1和HV2曲線變化相對平緩，HV3和HV4曲線變化速率波動相對較大。但2月到5月初所有監測點均有明顯的位移變化，這是因為該階段正在進行基坑的開挖及支護施工，對土體造成了擾動。但隨著開挖工程逐步完成，坡頂水平位移變化趨于穩定，基坑達到穩定狀態，在后一階段時間里，位移量基本沒有增加。

圖7（b）表明了坡頂沉降與時間的關系曲線，與坡頂水平位移類似，4個監測點的沉降位移變化相近，均主要發生在2月到5月底。3月底，VB3曲線變化速率相比其他3條曲線明顯變大，最終沉降量也大于另外3條曲線，可能是監測點的相對位置造成的空間效應和開挖強度不同造成的。隨著開挖工程逐步完成，沉降位移也逐漸趨于穩定。

同時，為了對比柔性面層和混凝土面層的支護效果，將使用柔性面層支護結構體系的EFG邊坡的水平位移變化〔圖8（a）〕和沉降變化〔圖8（b）〕與基坑其他兩側使用混凝土面層支護的邊坡進行對比，發現兩者的水平位移和沉降變形數據相差不大，并無明顯差異。

3 效益分析

通過柔性面層土釘墻支護體系在本工程中的應用，以及對監測數據的分析，可以看出：使用柔性面層與傳統混凝土面層相比，具有明顯的社會效益與經濟效益。

首先，使用柔性面層代替混凝土面層，大大縮短了施工時間，由于使用混凝土面層需要噴射而成，而且還需要一定的養護時間才可進行下一步工序，而柔性面層只需在開挖好的坡面進行鋪設、張緊即可，省去了養護的時間，故可以提高整體的施工效率，節省更多的時間成本。

圖8 坡頂水平位移、沉降時間關系曲線

其次，使用混凝土面層成本要高于柔性面層，以本工程為例，使用柔性面層的支護單元長約244 m，坡面長約14 m，總面積約3 616 m2。傳統鋼筋混凝土面層以φ6.5 mm@200 mm 200 mm鋼筋網、厚80 mm的C20混凝土面層核算造價約85元/m2；以柔性面層為例，核算造價約40元/m2。故采用新技術本工程可降低造價53%。

同時，由于混凝土面層在施工過程中需要現拌、噴射，產生很大的噪聲和揚塵問題，會對周圍環境產生嚴重的影響，而使用柔性面層不會產生大量的揚塵和噪聲；混凝土拌制過程中大量砂石的使用也會對自然資源造成破壞，故在自然環境的保護方面，柔性面層相比于混凝土面層有著巨大的優勢。

4 結語

1）使用柔性面層土釘墻對邊坡進行加固可有效地控制邊坡的變形速率，且基坑的水平和垂直變形量均小于預警值，因此使用柔性面層土釘墻進行支護是可行的。

2）與傳統的噴射混凝土面層相比，柔性面層在施工期間污染小、施工快、價格低，有效地節約了資金成本和時間成本，可在工程地質條件允許的地區大規模使用。

3）柔性面層土釘墻支護體系在可持續發展方面具有更廣闊的發展空間。