基于柔性復合材料面層的土釘墻支護應用研究

趙景琳，盧 波，劉東旭

（中冶地勘巖土工程有限責任公司,河北廊坊065200）

我國城市化進程的迅速發展,使得城市建設過程中出現較多的基坑工程。為保證土方開挖安全,支護體系必須滿足相應的剛度與穩定性要求,能夠抵抗地層中產生的主動土壓力,以減少甚至避免坑壁產生變形,從而保證施工安全。

在傳統的基坑邊坡防護工程中,土釘墻支護體系具有廣泛的應用場景[1-2]。土釘支護時一般都會噴射混凝土,故也叫錨噴支護,基本的工序流程包括先逐層開挖基坑土方,再依次安插一定間距的土釘（鋼筋）,以達到土體加筋作用,接著在土坡上綁扎成品鋼筋網,最后噴射混凝土材料形成邊坡面層。對于常規的土釘支護結構而言,其主要由被加固的土體、伸入土體的土釘以及邊坡面層三部分構成,形成能夠起到擋土功能的類似重力墻結構,并具備自穩定性,從而使基坑或邊坡穩定。土釘墻在實際邊坡防護中具有較多的應用優勢,如造價成本低、對環境影響小、結構較為輕便、能充分發揮土體自承能力以及施工占地面積少等[3]。

對于土釘墻支護體系中的面層而言,以往大多采用“灰色”的混凝土材料,而混凝土材料在生產與應用過程中均有大量污染物質產生,不利于環境保護,也不符合綠色施工理念[4-5]。因此,采用綠色的柔性面層材料用于替代傳統混凝土面層的新型土釘墻支護體系具有廣闊的研究與應用前景[6]。本文就柔性復合材料——土工合成材料在新型土釘墻支護體系結構中的應用進行了介紹,闡述了利用土工格柵、土工布以及復合土工布等材料形成柔性面層的土釘墻構成與工作原理,同時依托工程實踐,探討了柔性復合材料面層的支護效果。

1 柔性復合材料概述

復合材料一般由兩種及以上不同性質的物質以特定方式結合而成,屬于新型材料,在應用中也被稱為高性能組合材料。經組合而成的復合材料,除沿襲各組分材料的獨特優點外,還具備單一材料所沒有的綜合性能。在微觀層面,復合材料的各組分材料以某種特定方式實現融合,融合中存在著顯著的界面,且于界面處相互發生作用力,屬于不均勻材料,其特性主要由基體、增強體以及兩者間的復合方式決定。

按照剛性大小不同,復合材料可分為剛性復合材料與柔性復合材料。其中,柔性復合材料的剛度較小,具備一定的彈性與變形延性,其主要是在紡織基布的基礎上,通過涂層等工序而制成,應用中也叫作膜結構復合材料。作為一種增強材料,紡織基布所形成的復合材料性能優異,具有材質柔軟、防水能力強以及強度高等特點。

作為建設工程領域應用較為頻繁的一類柔性復合材料,土工合成材料的產品較為多樣化,可以塑造出各種特定形狀。在生產中,合成橡膠、化學纖維或塑料等均可作為制作原料。土工合成材料可用于土體表面、內部或銜接處,起到加強或保護土體的功能。根據規范,土工合成材料主要分為土工膜、土工織物、土工特種材料及土工復合材料等四種。其中,土工膜的不透水性能優異,彈性大、耐老化好,不同環境下的適應能力強,其突出的防滲與防水特性,使其在蓄水池、水電站等水利工程中應用廣泛[7]；土工織物重量小、抗拉強度高、耐腐蝕性好,且抗微生物侵蝕能力強,常用于加筋墊層或道路防裂措施中[8]；土工特種材料成品種類繁多,如土工膜袋、膨潤土墊、土工格柵以及三維植被網等,可用于土體加筋、護坡加固或地基處理等[9]；土工復合材料種類較廣,如復合土工膜、復合土工織物及塑料排水管等,一般具有成本較低、施工便捷、排水性能優良等特點,可用于排水加固工程,以提高軟基承載力,減少地基沉降[10]。

2 柔性復合材料面層土釘墻

柔性復合材料面層土釘墻區別于傳統土釘墻之處,主要在于其邊坡面層并非為原先的鋼筋網噴混凝土形式,而是柔性復合材料（主要為土工合成材料,見圖1）。柔性復合材料面層土釘墻支護體系能省去傳統鋪設鋼筋網與噴射混凝土等繁雜的工序,提高基坑支護施工效率,加快施工進度。同時,所用材料節能環保,可在有效控制基坑邊坡變形的同時,降低基坑支護造價,是一種新型的邊坡支護體系[11]。

圖1 柔性復合材料面層土釘墻支護體系Fig. 1 Flexible composite surface soil nailing wall support system

2.1 體系構成

柔性復合材料面層土釘墻大致由三部分構成,即土釘、柔性復合材料面層以及兩者之間的連接結構。在支護過程中,三者相互制約、協同受力,共同發揮作用,減少邊坡變形。在新型柔性面層土釘墻中,所謂的柔性面層一般是指具有一定張力的柔性復合材料,包括土工織物、土工膜或土工特種材料等各種土工合成材料,均可根據實際情況進行應用,常見的柔性復合材料產品如圖2所示。

圖2 常見的柔性復合材料產品Fig. 2 Common flexible composite products

與以往的鋼筋混凝土面層相比,土工合成材料屬于柔性復合材料,使用過程中的延展性良好,在鋪設過程中可對其預加一定的預應力,使其與坡面緊密貼合,起到保護邊坡的功能。

2.2 工作原理

在工作原理方面,柔性復合材料面層土釘墻與傳統工藝并沒有太大的差異。在工程實踐中,完成土釘墻支護后,隨著土方開挖,坑壁內部的土體有向坑內滑動的趨勢,由此對支護體系產生作用力。其中,錨桿會通過深部穩定土體的錨固作用產生抵抗該種變形的拉力,而柔性復合材料面層則既可起到穩定錨桿間土體的作用,并將所受到的作用力傳遞至滑動范圍以外的錨桿,同時也能依靠自身張力保證局部土坡的穩定,其工作原理如圖3所示。

圖3 柔性復合材料面層邊坡支護體系的工作原理Fig. 3 Working principle of flexible composite surface slope support system

3 基于柔性復合材料面層的土釘墻支護應用

某工程位于我國東部沿海地區,擬建的建筑物包括居民樓、購物大廈以及地下停車庫等。其中地下停車庫的建筑面積約為35000m2。該工程的基坑挖深普遍在4～9 m之間,適合采用土釘墻支護,支護周長約1000m,設計使用期限為一年。項目地質勘察資料顯示,施工現場地層分布較穩定,大致包含7個土層,各土層的物理力學參數詳見表1。

表1 各土層物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of each soil layer

3.1 支護方案設計

根據規范,本基坑安全等級為二級。基坑呈現不規則形狀（如圖4所示）,實際施工時,為兼顧基坑安全與造價成本,將基坑分為7個支護單元,劃分考慮因素主要為附近環境、地質狀況及土方挖深等。本基坑的主要支護方案為土釘墻與復合土釘墻。

圖4 基坑形狀與監測點位示意Fig. 4 Schematic diagram of foundation pit shape and monitoring points

本工程南邊的地下停車庫外墻邊線距離用地紅線較遠,現場施工場地較充裕,具備放坡支護條件。因此,本工程擬在基坑南側的EFG區段采取以柔性復合材料為面層的新型土釘墻支護體系,擯棄傳統的混凝土材料形式。EFG區段邊坡的長度約為244m。EFG區段邊坡的放坡比例為1：1.2,支護設計采取5排坡面土釘與1排坡頂土釘形式,如圖5所示。其中,坡面土釘設計直徑為2cm,土釘長1.5m,水平與垂直間距均為1.5m。坡頂土釘采取擊入式,直徑為2cm,土釘長1.0m,水平間距為2.0m。坡面柔性面層采用復合土工布材料,如圖6所示,自邊坡坡頂向坡底依次展開鋪設。復合土工布每幅寬6m,鋪設時在坡頂處外延1.5m,并采用尼龍繩對坡面的分幅復合土工布格柵進行縫合處理,保證形成整體。本工程所用柔性復合材料由短纖土工布與雙向塑料土工格柵熱合制成。為保證柔性復合材料面層的綜合性能,防止邊坡失穩,選取的短纖土工布規格為400g,雙向塑料土工格柵的抗拉、抗裂強度均為50kN/m,伸長率約為14%。本工程柔性復合材料面層的鋪設面積約為3000m2。

圖5 EFG邊坡支護設計剖面圖 Fig. 5 Design section of EFG slope support

圖6 復合土工布格柵 Fig. 6 Composite geotextile grid

3.2 支護體系穩定性驗算

3.2.1 整體穩定性

對于二級基坑,為保證其整體穩定性,分析時按規范取圓弧滑動整體穩定安全系數為1.3。借助圓弧滑動條分法,通過遍歷各滑動圓弧,從中找出抗滑力矩與滑動力矩的最小比值,判斷其是否滿足規程中相應公式的要求。

以基坑最大挖深8.37m為例,土方開挖共分為四步。通過采用相應軟件進行穩定性計算可知,各土方開挖工況下,抗滑力矩與滑動力矩之比分別為1.546、1.747、1.753、1.596,均大于1.3的安全系數,故整體穩定性滿足要求。

3.2.2 平行于坡面的抗滑安全性

針對平行于坡面的抗滑安全性,主要基于文獻[12]中的GTC主動加固系統,即高強度鋼絲格柵的作用原理進行驗算,即Sd≤SR/Fs,其中,Sd為錨桿最小抗剪力設計值,SR為錨桿極限抗剪能力值,Fs為抗純剪安全系數。

本工程采用土釘墻,且所涉及土層主要為中粗砂。因此,計算時不考慮預應力和粘聚力。經驗算,本工程中的Sd為13.52kN,SR/Fs=37.39kN,表明抗滑安全性滿足要求。

由上述安全性驗算[13]可知,為保證基坑和周邊建（構）筑物的安全,對基坑邊坡采用柔性土工合成材料面層的土釘墻系統具備理論可操作性。

3.3 支護工藝

在工程實踐中,柔性復合材料面層土釘墻支護體系省去了傳統土釘墻中的鋼筋網綁扎與混凝土噴射工序,極大縮短了支護工期,其具體工藝流程為：按坡率開挖土方,形成放坡面→清理坡面雜物,保證平整→坡頂處插打擊入式土釘,自上而下鋪展土工材料→澆灌坡頂處混凝土→插打坡面第1道土釘→攤鋪土工材料→綁扎加強筋→隨土方開挖,依次安插土釘、鋪設柔性土工面層→于坡腳處采用砂袋壓固。

在柔性復合材料面層鋪設時（圖7）,為保證面層施工質量,應重點落實過程控制,具體為：

圖7 柔性復合材料面層鋪設現場Fig. 7 Laying site of flexible composite surface course

（1）在鋪設復合材料時,可預加一定程度的張拉力,使材料面層保持受拉狀態,緊密貼合于邊坡表面,形成局部受力整體。土工復合材料面層的單元幅之間采用尼龍繩接合,搭接長度不得小于25cm。

（2）鋪設土工合成材料前,為避免坡面處的尖銳物劃破面層材料,需先進行平整除雜工作。

3.4 支護效果

本案例工程從基坑土方開挖施工之前至基礎回填完成,在200天的地下室施工期間持續進行了基坑監測。監測點布置在EFG區段邊坡坡頂。由采集獲得的監測數據可知,基坑在起初的土方開挖與支護施工階段,各變形數據有顯著增大,但隨著開挖結束以及結構的回筑,水平位移與豎向沉降曲線趨于平緩,直至保持基本穩定。其中,最大水平位移為8.98mm,最大沉降值為7.8mm。另外,通過基坑現場的巡視觀察,發現基坑周邊無裂縫發生,也沒有流砂、管涌等不良災害,表明基坑處于穩定可控狀態。

4 柔性復合材料面層土釘墻的支護效益

柔性復合材料面層土釘墻支護體系在實踐中施工便捷、綠色環保,能有效縮短施工工期。通過案例基坑工程的監測數據可看出,與傳統鋼筋混凝土面層相比,使用新型的復合材料柔性面層具有明顯的經濟與社會效益。

（1）使用柔性土工合成材料面層代替鋼筋混凝土材料,只需在修整好的坡面上進行鋪設、張緊即可,節省鋼筋綁扎與混凝土噴射工序,避免了混凝土養護等強時間,大幅加快施工進度,提高施工效率。

（2）對于土釘墻而言,采用柔性復合材料面層的支護造價較低。以本工程為例,傳統土釘墻支護中的鋼筋網一般為?6.5mm@200mm,混凝土等級C20,厚度80mm,根據市場價計算,可得綜合造價為85元/m2。而采用柔性土工合成材料面層時,本工程基坑坡面的支護總面積約為3616m2,計算可得綜合造價為40元/m2。由此可知,本工程采用新型土工合成材料柔性面層的土釘墻支護體系可降低造價約53%。

（3）在支護過程中,傳統的鋼筋混凝土面層需要機具或器械來配合現拌、噴射等工序,施工現場不可避免地將產生較大的揚塵與噪音問題,不利于安全文明施工。同時,鋼材的生產帶來大量的能源消耗與污染,混凝土的砂石開采也會破壞自然環境。因此,在綠色節能方面,柔性土工合成材料面層優勢顯著。

5 結束語

本文介紹了柔性復合材料——土工合成材料的概念與應用特性,闡述了其在土釘墻支護體系柔性面層中替代混凝土材料的應用原理。結合我國東部沿海地區某基坑施工案例,對新型柔性復合材料面層土釘墻支護體系的穩定性進行了安全驗算,并通過現場監測數據驗證其有效性和可行性。

（1）在邊坡施工項目中,采用柔性土工合成材料面層土釘墻的支護方案,能實現邊坡變形控制的目的,在實踐中具有可行性。

（2）與以往的噴射混凝土面層相比,柔性土工合成材料面層施工過程污染小、速度快、造價低,值得在工程地質條件允許時推廣應用。

（3）柔性土工合成材料面層土釘墻支護體系施工過程節能環保,在可持續發展方面應用潛力巨大。