土钉墙技术与微型桩联合土钉墙支护机理探析

2015-11-27钟炎傅勤安

安徽建筑 2015年6期

钟炎，傅勤安

(安徽建筑大学土木工程学院，安徽合肥 230022）

1 概述

土钉墙技术是基坑工程常用的支护类型，合肥地区土质较好适合用土钉支护，土钉技术因快速、简单、经济等优点而得到青眯。该支护先用小型钻机开凿与坑壁接近垂直的深孔，然后向孔内放入带有支撑架的钢筋体，再向孔内高压灌入水泥砂浆包裹住筋体渗入周围土体孔隙中，在坡面铺上钢筋网，钢筋网与土钉接触处通过焊接或螺栓联接紧密形成整体，最后在坡面喷射80mm以上厚度的混凝土面层。土钉的类型有击入式、注浆击入式、高压喷射注浆土钉、钻孔注浆钉等。钉体可以是螺纹钢筋，较软的土层可以击入带孔的角钢、圆钢、刚管等。

1990年美国召开国际挡土学术会议正式将土钉墙作为独立专题并列于土层锚杆，成为独立的一门加固技术。随着科技进步，相应工程软件也在开发中，进入21世纪后人们普遍采用工程软件计算和模拟预测，许多基坑工程软件开发了出来并且在原来基础上改进，例如Ansys、Flac、plaxis、理正深基坑、同济启明星软件等等。土钉墙技术由理论、试验、加之计算机辅助软件的辅助，其具有广阔的应用空间。

2 土钉墙的工作机理及特点

土体的抗剪、抗拉强度很低，但是土体具有一定的整体稳定性，基坑开挖在一定范围内土体能保持自立能力，当超过临界高度或地面超载时会发生破坏。土钉具有较高的抗拉抗剪强度，较大的弹性模量，在土体内埋设密集的土钉，土钉与土体全长紧密结合共同工作形成复合土体。由于土体和土钉形成复合土体共同受力，钉-土的相互作用使得土体受力性质发生改变，被土钉加固的土体类似重力式挡土墙承受土体侧向压力，限制土体位移提高土体的刚度，弥补了土体抵抗荷载自身刚度、抗剪强度的不足，显著增强了基坑边坡整体稳定性。

土钉墙不是靠自身结构抵挡土压力，土钉与周围土体紧密结合形成复合加固土体。在图示边坡上取一小块微元体，该微元体受到重力作用，重力沿坡面分解为滑动力，沿垂直坡面分解为正压力,正压力乘内摩擦角正切值等于摩擦力,摩擦力加上粘聚力就是抗滑力。当作用于土体的摩擦力和粘聚力产生的抗滑力小于重力作用下的滑动力后土体沿着坡面滑移。

当土体进入塑性状态后，向周围传递应力使塑性变形区域扩大，滑裂面进一步扩大为假想的圆弧形。滑动区内的土体，在重力作用下产生绕圆心的力矩发生转动，当土体的粘聚力产生的抗滑力矩和摩擦力产生的抗滑力小于重力力矩时，力矩不平衡造成土体下滑发生整体性破坏。在即将产生滑动面土体中插入土钉,则滑动面附近的土体抗剪强度得到了提高,摩尔库伦包络线向上平移使原本与摩尔应力圆相交变为远离不相交,土体从临界破坏状态转为弹性状态,延缓了土体塑性变形区进一步扩大,阻止土体继续开裂,使土体潜在的滑动面向边坡深层缓慢发展。

3 土钉的作用

①土钉提供拉力Tk增强了土体的抗剪强度，土钉提供的拉力在沿滑动面法线方向上增加了正压力,正压力与土体内摩擦角正切值相乘便是抗滑动力，因此拉力增大了土体抗剪强度。

②土钉的剪力Fs对土体抗剪强度起到补强作用，土钉的抗弯抗剪强度较高，土钉剪力分量一方面会沿滑动面切向上增加抗滑动力，一方面向其法线方向分量减小土体沿滑动面正压力，综合考虑土钉的剪力对抗剪强度起到补强作用的，土钉埋设方向越是靠近沿滑动面外法线方向，抗剪强度就越大。如图2所示在滑动面两侧分布着土体剪切力使土钉受弯，土钉靠自身刚度产生反力矩M。

③土钉与土的相互作用：在同样的素土边坡坡顶施加荷载土体很快发滑裂、塌落。在素土上施加土钉后发现土钉的边坡承载力明显提高，说明加入土钉后的边坡整体抗剪强度和刚度得到提高。

④土钉水泥浆固化土体：通过高压注浆会让土钉中的水泥浆液充填周围土体缝隙中，注入土体中的水泥矿物和水发生的水化反应生成含钙离子与黏土颗粒表面的钠、钾离子交换作用形成团粒结构使土体强度提高。

⑤钉间土体成拱效应：在一定水平间距的两土体在侧压力作用下会发生变形趋势，当土质条件较好时土体会把受到的侧压力传递给两边的土钉体，钉土间的相互作用会发生“土拱效应”，“土拱效应”影响因素主要包括土质、土的刚度、土钉间的间距。

4 土钉墙技术的局限性

土钉墙的优点很多：安全可靠，施工工艺简单，缩短工期、经济效益好等，但是土钉墙技术也具有一定的局限性，具体表现为如下几点。

①土钉位置必须避开周围建筑基础、地下管道限制。场地周围建筑和地下管网密集地区，土钉杆体容易超出红线范围对周边地基会产生干扰。

②结构刚度越大就越不容易变形，土钉墙的刚度比其他支护结构差且变形较难控制，深基坑中为控制变形可以增加土钉长度、密度，但是克服不了土钉蠕变、渐进性变形，并且造价会提高。

③在地下水位高的场地采用排水措施不可避免的会造成水土流失，可能引发建筑物下沉。若使用止水帷幕加以辅助也并不能完全隔水，止水帷幕起到减小地下水渗流速度、阻止地下水自由渗流、改变线流轨迹等作用，但是不能完全隔水。在高水位地区采取降水措施会导致周边地基沉降，因而限制了单一土钉墙发展。

④土钉墙随基坑开挖分层分段施工，每开挖一层坡面后在土钉墙未施工好前，坑壁土体需保持一定自立能力，因而土钉主要适用于地下水位低于开挖层或经过降水处理使地下水位低于开挖面处的情况，对于无粘结性的砂土和杂填土以及没有临时自稳能力的淤泥土层不宜适用。

5 微型桩复合土钉墙技术的加固机理

5.1 新型土钉墙复合支护类型

土钉墙属于柔性支护，其控制基坑变形能力不强。合肥地区虽然土质较好但是单一用土钉墙深度不应超过12m。再者土钉没有止水功能，地下水位较高或地表渗水量较大时不宜用土钉支护。土钉含水量增加使土体内摩擦角减小、抗剪强度减弱，而且地下水的存在使土钉成孔困难。为了满足工程需要出现了复合土钉支护，常见复合土钉墙有3种形式：一是搅拌桩复合土钉墙；二是预应力锚杆复合土钉墙；三是微型桩复合土钉墙。

5.2 微型桩复合土钉墙技术

合肥地区地下水位较低，加之土质较好一般不需要做止水帷幕辅助措施。在深基坑工程中常用到微型桩复合土钉墙支护，这种方法是在基坑开挖前沿开挖线按一定间距布置垂直打入钢管，向钢管内注浆形成微型桩，基坑开挖时按设计要求挖土方并与土钉配合流水施工，分层分段开挖与土钉支护，微型桩在基坑开挖过程中起到抵挡边坡土体变形与分担部分土压力，对土体保持自稳能力起到关键作用。

微型桩复合土钉墙加固机理有两部分：一是土钉墙加固作用，二是微型桩对土钉对土体的加固作用。微型桩作为联合支护体系中主要受力构件之一，不同情况下微型桩可能受剪、受压、受拉作用。微型桩作用机理可以分以下探讨。

①改善边坡初始土应力场：微型桩与土体材料强度上差异，对周围土体强度起到增强作用，约束土体的变形。由于微型桩是在土钉墙施工前置入的，对土钉在放置前裸坡位移变化增强土体自立性，对施工有利。

②保证基坑变形量控制在安全范围：土钉墙允许土体产生一定的变形，微型桩包裹在土体中开挖过程中有效减小变形，特别是在深基坑工程中对边坡不会产生大的位移，而且由于土体应力释放边坡产生水平侧向土压力，微型桩抵挡住一部分土压力使边坡变形不至于过大。

③微型桩土拱效应：基坑开挖过程中基坑会产生侧向位移，相邻微型桩间土体有向外排出的趋势，但桩与土体间存在摩阻力导致产生土拱效应。桩间土体挤压周围土体，周围土体形成水平方向主应力作用于桩间土，地基土侧压力传递给桩，从而桩承担了很大部分受力，保证了桩间土体的稳定，其大小受桩间距、土质等因素影响。

④微型桩可以提高坑底稳定性：微型桩有效提高开挖中土体保持自立能力，当基坑底部存在较软的土层时，往往需要解决坑底承载力及抗隆起稳定问题。秦会来、周同和等人在对微型桩复合土钉墙坑底稳定性分析时用有限元分析软件plaxis建立三维有限元模型：桩径200mm嵌固深度分别为1m、6m；桩径600mm嵌固深度1m、6m模型软件模拟试验。分析结果显示微型桩嵌固于下层较好土层中通过桩间摩擦力能有效控制桩水平滑移，嵌固深度深度越深桩体刚度增大，有效阻止软弱土层向坑底滑动隆起；其次桩径的增大也提高了桩体的刚度、强度。