复合土钉技术及在某河堤复原工程中的应用

范俊奇 杨群晓 郭隧军 宋红民 楼梦麟

(1．同济大学土木工程防灾国家重点实验室，上海200092;2．总参工程兵科研三所，洛阳471023;3．洛阳市河渠管理处，洛阳471000;4．洛阳城市建设勘察设计院有限公司，洛阳471000)

1 引言

复合土钉支护是以土钉支护为主体，根据不同的土质条件和工程环境，借助于其他诸如水泥土搅拌桩、止水帷幕、超前微桩、加筋土以及预应力锚杆等支护手段，优势互补，以达到稳定土体、围护边坡稳定目的的支护新技术［1－2］。复合土钉支护将主动支护和被动支护联合应用，柔性支护与刚性支护相结合，根据具体工程情况灵活运用土钉及其他各种支护构件的支护原理，创造性地对基坑进行支护，来控制基坑开挖过程中的变形，提高基坑的稳定性，以达到安全、经济、实用的目的。其支护作用可归纳为:分担荷载作用，止水抗渗作用，传递荷载作用，局部稳定作用和超前加固作用。

2 复合土钉支护的常见组合形式及使用条件

根据不同的工程条件和要求，复合土钉支护的组合方式灵活多样，可以和抗滑桩、搅拌桩等多种桩类，挡墙类、加筋土等形成多种复合土钉支护方式［2－4］。归纳起来，目前应用相对较多的复合 土钉支护形式及其适用条件如表1所示。

表1 复合土钉的常见组合形式及适用条件Table 1 Common combinations of form and applicable conditions of CSNT

从表1可知，较之一般的土钉支护技术，复合土钉技术应用范围更广，适应性更强，更具中国特色。因此，在国内许多工程中进行过成功应用［1，4－8］。许多专家学者也对其机理进行了研究和分析，提出了若干有价值的分析结论。但这些成果与结论大多是针对如淤泥、流沙等不良地质条件提出的［4－8］，而对厚填土边坡的研究与应用成果较少。通常认为，厚填土是一种松散介质，土钉握裹力很弱，并且沿用一般的圆弧破坏模式进行稳定性分析和支护参数设计计算就可以了。然而，研究表明，厚填土边坡在夯实条件下，其破坏模式并非简单的圆弧破坏模式，而是平面－弧面组合的复杂破坏模式［6］。本文简要介绍了夯实填土边坡的破坏模式及其变形破坏特征，并依据这一模式，采用土钉、改良加筋土、轻型挡墙技术对因暴雨坍塌的洛阳中州渠某段河堤进行了复原加固。概述了该工程复合土钉支护的设计、施工及其稳定性。

3 填土边坡的复杂破坏模式相似模型试验

夯实填土边坡的成分及堆填过程较为复杂，用解析法分析其边坡变形、破坏性能较为困难。为此，根据相似模型原理，建立并验证了填土介质模型试验的相似法则为:

式中，t，l为原型的时间和长度;t'，l'为模型的时间和长度。

模型试验在室内试验箱中进行，试验箱尺寸为315 cm×250 cm×60 cm(长×宽×高)。据工程经验，分层开挖的条件下每层土壤变形达到稳定(趋向破坏)的时间一般不小于2～3 d。因此试验时选取原型时间为t=2 d=48 h，由此计算出系列模型的比例系数如表2所示。

表2 相似模型的比例系数Table 2 Scale factors of the scale model

模拟分层开挖的大型试验箱的端部挡板按20 cm/块设计，相对于不同的开挖深度，相似模型的比例亦不同，试验选取的模型缩尺比例列于表3。

表3 模型缩尺比例Table 3 Proportions of reduced scale model

按照表2、表3所示的比例系数进行了夯实厚填土边坡土钉支护系列的相似模型与自模拟原型的设计、制作，在此基础上进行了非降雨和降雨条件下边坡破坏模式的相似模型试验。模型试验中非降雨条件下开挖过程中边坡发生了两次较大规模的滑塌，其滑塌面的剖面形状如图1所示;降雨条件下原边坡滑塌及水平地面的变形破坏过程如图2所示。

图1 降雨前滑塌面形态Fig．1 Slumping surface morphology before rainfall

图2 降雨过程中滑坡面变形破坏演变过程Fig．2 Evolution of surface deformation and failure of landslide during rainfall

对图1、图2的破坏模式进行分析研究后表明:

(1)对于人工夯实填土边坡，无论降雨与否，边坡滑塌面的空间形态既不是圆弧面也不是平面，而是平面与凸弧面的组合形式，即上部为直立平面，下部为凸弧面。上部主要为倒塌破坏，下部主要为滑移破坏。

(2)对比非降雨条件下，降雨条件下坡面沉降量较大且沉降极不均匀。由于降雨多次冲刷的影响，使已有的滑塌部位出现一定的淤积现象，并使原有的滑塌面不复存在。

(3)造成上述破坏形态的机理为:开挖后，土体侧向约束被解除，产生侧向变形，并在土体内部产生侧向拉应力。当该拉应力超过介质极限抗拉强度点后，土体产生张裂缝，同时使不稳定土体形成相对孤立体。此孤立体连同下部土体的自重荷载形成的剪应力超过相对滑移面的抗剪强度时，滑移面即萌生、发展、形成并发生滑移。此时相对孤立体即成为完全孤立体，并在滑动过程中伴随部分倒塌。

以上分析可知，人工夯实填土边坡的破坏模式可以概括为平面－凸弧面组合破坏模式，即复杂破坏模式。依据上述对降雨前后厚填土边坡破坏模式的研究分析，即可对厚填土边坡进行方案设计。

4 工程应用

4．1 工程概况

洛阳市中州渠始建于20世纪50年代，总长度为12．8 km，穿越整个洛阳市区，受降雨影响该渠有多处大型塌陷区地段需恢复原貌，复原后的路面需长期保证车辆行驶及游人观光使用，确保坡面长期稳定并能抗雨季洪水冲刷。选取其中较为典型的一例进行分析。该塌陷区总长150 m，垂直高度14．5 m，水平塌陷宽度距边坡顶边线11．3 m，下底为4．7 m。残存塌陷区表面为混杂砖块和垃圾的杂填土，局部为淤泥，深度约3 m，且延伸进入坡内6～7 m;3 m以下为Ⅱ级湿陷性黄土，含水量为15% ～18%，天然重度为20 kN/m3，液限为4%，内摩擦角为 20°，内聚力为 20 kPa。塌陷区上面原有一栋五层住宅楼，受塌方影响已全部坍塌。

4．2 支护参及方案选择

该工程主要是要构造一个高度、宽度和坡度均较大并能长期抵抗一定动载和静载的填土边坡。因此支护设计时需要考虑的主要因素为:

(1)既有边坡的稳定性。既有边坡呈不规则状，上部堆积有含垃圾的杂填土，外表面有受滑塌影响的松散体。

(2)拟造填土边坡的稳定性。拟造边坡须与原有边坡结合为一体，并能保持长期稳定。且要同塌陷区两侧的现存边坡保持协调和美观。

(3)边坡附近的建筑物及设施的安全。既有边坡附近存在有多而凌乱的建筑物，内部有新建的污水管等管线，均不得因边坡变形和地面沉降再有所损坏。对变形控制要求较高。

(4)拟造填土边坡工程竣工后，其坡顶面为市政道路，需考虑车辆附加动载3 t/m2的作用;坡角处为3 m宽的人行道，边坡稳定关乎游人的安全;人行道下部为渠水，深6 m。边坡的稳定性分析须考虑这一深度的影响。

(5)边坡抗雨水冲刷、侵蚀问题。

(6)支护结构材料抗腐蚀问题，即耐久性问题。

(7)支护结构外表面预留伸缩缝问题。

通常，填土边坡的防护预案有包括浆砌块石挡墙等支挡结构、护坡桩、预应力锚索以及土钉支护等几种形式。

若采用挡墙结构，结构需做得很高而厚，由于基础底部距渠水仅3 m，支挡效果欠佳。采用护坡桩，造价高，时间长，由于现场缺乏施工场地，还需在渠水中作围堰，无法满足原坡面的美观和衔接。由于介质软弱，难以提供足够的锚固力，也无法采用预应力锚索。同时由于边坡破碎软弱，成孔质量及拉拔强度难以达到设计要求，更无法采用土钉支护。经各项综合分析研究，最终决定采用土钉支护与加筋土、轻型挡墙相结合的复合土钉支护结构形式。

复合土钉支护参数的设计采用叠加原理，对于填土边坡的土压力一部分由土钉承担，而另一部分由加筋承担。另外土钉支护还须对既有边坡改性和提供支护力。轻型挡墙具有平衡支护力和安全储备的作用。由于既有边坡及其稳定问题的存在，加之工期较紧，加筋靠既有边坡一侧传统的预制挡板用垂直向下或倾斜向下的灌浆锚拴替代。靠坡面一侧的预制挡板，用加入钢管的喷射钢筋混凝土替代，因而它是一种全新意义的改良加筋土结构形式。轻型挡墙还需考虑抗冲刷和抗侵蚀等永久性支护问题。

基于以上考虑，且为了简化计算，对土钉抗拔力和加筋土抗侧向压力分别计算后叠加，预设稳定性系数为2．2，经过多次重复性计算后得到的相应的支护参数如图3所示。

图3 复合图钉支护设计方案/mmFig．3 Design scheme of the soil nail support

4．3 复合土钉支护的施工

(1)回填:回填土采用洛阳黄土，该土质可塑性好、湿陷性大。在回填过程中采用填土→适量撒水→夯实的循环施工方法。填筑高度每增加50 cm为一个循环，以增加回填土的密实度，减少施工过程及竣工后边坡的垂直沉降和水平位移。外表面码放的土袋在交错叠放后也需作夯实处理。

(2)土钉的制作、成孔与注浆:对于既有边坡上部的杂填土段，采用锚管代替土钉，以解决既有边坡中难以成孔问题，并将其外端露出面层，与填土边坡中的钢筋焊接。锚管采用扩大头的方式，以减少设置过程中的摩阻力并使孔壁与管外壁有一定的保护层厚度。注浆前须先用清水冲洗掉管内的土渣。注浆采用间歇式多次注浆加压法，以确保浆液饱满。此外，回填土中的锚管及与锚管相连接的土钉(钢筋)采用土中挑槽的方法，使其没入槽中的水泥浆中。待水泥浆有一定的强度时填土夯实。对于既有边坡杂填土段下部的黄土层，仍用一般的土钉，以节省造价和缩短工期。

(3)加筋土(改良)结构的施工:加筋里端的预制混凝土挡板，用垂直向下或倾斜向下的灌浆锚拴替代，灌浆孔径为 150，锚拴用长度为1．0 m的 20的螺纹钢制做而成。加筋用现浇混凝土(截面尺寸为300 mm×300 mm)包裹，加筋外端的挡板用喷射钢筋混凝土面层替代。

(4)面层施工:土袋每码高2 m，即在外表面初喷3cm厚的混凝土，然后铺设 6．5双向间距为200 mm×200 mm钢筋网片，在网片上水平方向设 18的加强筋，竖向为 48的优质钢管。将加强筋牢固焊接在钉头上。再复喷9 cm厚的混凝土形成最终的轻型面板挡墙。

4．4 工程稳定性测试结果及评价

在施工过程中，每填筑、支护一层(层厚2．0 m)，均设点进行位移及沉降观测，结果如图4所示。观测结果表明，地面无明显的沉降，边壁位移较小，均在允许的范围内。工程完工后几年来经历了多次特大暴雨的考验，沿岸有些路段出现了滑坡和塌方现象，很多路面设施出现了不同程度的损毁和破坏。但采用复合土钉支护的该工程段面层无开裂，地表完好无损，整体稳定性良好。该工程是采用复合土钉支护厚层夯实填土、进行土体复原的一个成功应用实例。

图4 边坡位移和沉降测试曲线Fig．4 Horizontal displacement and settlement curves

5 结语

(1)边坡破坏模式的正确选取是其稳定性分析和支护参数设计的基本依据。本文用模型试验方法确定了厚填土边坡的破坏模式，并依据该模式对洛阳014中心中州渠水毁厚填土边坡进行了复合图钉加固复原。实践表明:对该工程采用夯实填土的复杂破坏模式进行分析是科学合理的，可以推广应用于类似地质条件下边坡稳定性分析和设计。

(2)在加筋土的施工过程中，适量撒水和加强夯实有助于减少后期不均匀沉降，可提高其密实度和工程稳定性。

(3)水是工程稳定的大忌，对填土边坡更是如此。工程实践表明:做好全方位的防、排水措施对该类工程非常必要。该工程成功表明:复合土钉支护方法对于夯实回填土边坡的加固支护是合适的，其受力均匀、合理，支护快捷，安全经济，具有良好的应用前景。

(4)在使用中应注意，软土基坑工程应用时，必须增设其他辅助结构使其具有超前支护功能，不能简单地沿用常规支护形式。在淤泥层与砂层互层的情况下，施工中应同时解决地下水控制问题。

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