基坑支护土钉检测验收试验相关规范要求初探

2019-11-15周瑞国

工程质量 2019年8期

周瑞国，郝峰

（1.潍坊市勘察测绘研究院，山东潍坊 261043；2.山东省第四地质矿产勘查院，山东潍坊 261021）

0 引言

与基坑支护土钉（以下简称土钉）相关的现行规范主要有 JGJ 120－2012《建筑基坑支护技术规程》、GB 50739－2011《复合土钉墙基坑支护技术规范》、DB37/ 5052－2015《建筑岩土工程勘察设计规范》、GJB/ 5055－2006《土钉支护技术规范》、CECS 96∶97《基坑土钉支护技术规程》、FHWA－SA－96－069R《土钉墙设计施工与监测手册》等（以下分别简称“《基坑规程》”“《复合规范》”“《山东规范》”“《军用规范》”“《中建标准》”“《美国手册》”）。这些规范对土钉检测验收试验都做了相关规定要求，但可能存在诸如：采用锚固段的计算值来检验全长粘结的实际成果，从而检验目的可实现性较差；采用全长粘结的计算值来设计杆体配筋，从而杆材绿色节能性较差；基于局部稳定未考虑整体稳定来确定检测值，从而与最终设计结果及实际工况不符，失去了实际检测意义等缺陷。本文拟通过分析比较，提出既能安全可靠实现检测验收的目的，又能达到绿色节能的土钉试验设计新思路建议，以期对土钉试验设计和相应规范修订做出有益的探索。

土钉按其承担的任务，可分为正常工作土钉、验收试验工作土钉、非工作土钉。正常工作土钉是指在没有过大位移的情况下能承受作用在其上的荷载，且在结构正常工作期间内具有足够的安全系数［1］的土钉，其不承担任何试验任务。验收试验工作土钉是指承担检测、验收试验任务的土钉，一般按锚固段所处位置取正常工作土钉总数的一定比例（如 1 %［2］）进行抽检，其主要目的是证明施工质量能否得到保证［3］、兼顾验证设计安全可靠程度，该非破坏性试验完成后须继续安全地承担正常工作。非工作土钉是指基本试验土钉，其主要目的是取得相应施工工艺条件下土层粘结抗拔基本设计参数值［4］，用做设计依据，兼顾证明施工工艺是否合理，多属极限破坏性试验。

当前土钉设计主要有分项系数法、总安全系数法或两者结合法。对于钉筋抗拉各规范多采用分项系数法，对于土层粘结抗拔各规范多采用总安全系数法。

为便于比较，笔者将各规范所涉及到的抗力值均统一换算成抗拉强度标准值和极限抗拔标准值，然后根据检测值与极限抗拔标准值百分比范围值、检测值与抗拉强度标准值百分比范围值，综合考虑作为验收工作土钉其后继工作安全性、试验目的可实现性、材料绿色节能性等因素，初步制定了土钉验收试验抗拔质量检测合理性评估参考标准、土钉验收试验抗拉强度合理性评估参考标准，如表1、表2 所示。考虑到一旦普通钢筋达到屈服，则钢筋杆体内部组织可能出现不可恢复的损伤，从而其综合性能下降，会为其后继安全工作埋下隐患。所以对于普通钢筋［5］而言，以其屈服强度标准值（即抗拉强度标准值）为判定基准。

下文中所称“检测值”即为对应的“最大检测荷载值”，其按不同规范取下限值或上限值或定值；为便于比较，抗拉配筋和抗拔锚固长度均按节能设计分别取相应规范最小值（未考虑钉筋尺寸和锚固长度的跃变模数）。

1 各规范土钉设计方法及验收试验相关要求

1.1 《基坑规程》

1.1.1 设计方法及相关要求

该规程对于土层粘结抗拔设计采用总安全系数法，其抗拔总安全系数根据不同安全等级（二级、三级）分别为 1.6、1.4；对于钉筋抗拉设计从面上看采用分项系数法，因同时受规程 5.2.5-4 条杆土双控条件限制，由规程 5.2.1 式和规程 5.2.5-4 条联立推导知：其实质仍是总安全系数法，其抗拉总安全系数等同为土层粘结抗拔总安全系数。

规程中缺少对验收试验工作土钉的设计、临时无粘结段（以下简称“临时自由段”）设置等要求。

1.1.2 统计分析

对应于该规程，其土钉验收试验抗拔质量检测合理性评估及抗拉强度合理性评估统计结果如表3 所示。

从表3 知，加载至验收试验最大荷载之最小值时，土钉杆体达其屈服强度标准值的 81 %～85 %，锚固段极限抗拔发挥系数为 81 %～86 %［6］。可见，理论上该检测值从土钉杆体强度方面基本合理，从检测土层粘结力方面当安全等级为三级时可能略偏不安全；同时因检测计算参数不符合现场实际参数，实际现场试验时无临时自由段为全长粘结，而检测设计计算时仅考虑滑动面以外的锚固段长度，故该检测值对实际全长粘结极限抗拔发挥程度可能低于或远低于 81 %～86 %，尤其是上部土钉其理论自由段较长时，故该检测值实际意义不大，缺少实操性，可能难以达到检测及验收的目的。

表1 抗拔质量检测合理性评估参考标准

表2 抗拉强度合理性评估参考标准

表3 《基坑规程》土钉验收试验统计分析表

1.2 《复合规范》［7］

1.2.1 设计方法及相关要求

该规范对于土层粘结抗拔设计采用总安全系数法，其抗拔总安全系数不分安全等级为 1.4；规范 5.2.6-1式及 5.2.6-2 式仅是对全长粘结验收试验工作土钉的杆体抗拉设计，采用似分项系数法，若换算成总安全系数法，则抗拉总安全系数不分安全等级为 1.01～1.27，但未明确正常工作土钉的杆体抗拉设计。

1.2.2 统计分析

对应于该规范，其土钉验收试验抗拔质量检测合理性评估及抗拉强度合理性评估统计结果如表4 所示。

从表4 知，加载至验收试验最大荷载时，土钉杆体达其屈服强度标准值的 87 % 左右，全长粘结极限抗拔发挥系数为 88 %～110 %。可见，理论上该检测值从土钉杆体强度方面基本合理，从检测土层粘结力方面可能偏不安全。检测计算参数符合现场实际参数，故该检测值具有实际意义，但由于未从正常工作土钉的理论自由段长度来考虑，故不太完全符合实际工况，且节能效果可能亦有所欠缺，尤其是若所有正常工作土钉均亦按上两式进行杆体抗拉设计或虽仅验收试验工作土钉按上两式进行杆体抗拉设计但土钉总数量大，从而导致验收试验工作土钉数数量亦大，杆体不节能的弊端将愈发明显。

1.3 《山东规范》［8］

1.3.1 设计方法及相关要求

该规范对于土层粘结抗拔设计采用总安全系数法，其抗拔总安全系数根据不同安全等级（一级、二级、三级）分别为 1.8、1.6、1.4，除增加了安全等级一级外，基本与《基坑规程》相同；对于钉筋抗拉设计采用分项系数法，取消了《基坑规程》中 5.2.5－4 条杆体与土层粘结协调控制公式及要求，若换算成总安全系数法，则根据不同安全等级其抗拉总安全系数分别对应 1.51、1.38、1.24。

根据该规范条文说明 13.6.6 条，对于除锚杆基本试验外的其它试验，执行《基坑规程》GB 50007－2011《建筑地基基础设计规范》，因《地基规范》未涉及土钉，故可参照《基坑规程》之相关要求。

1.3.2 统计分析

对应于该规范，其土钉验收试验抗拔质量检测合理性评估及抗拉强度合理性评估统计结果如表5 所示。

表4 《复合规范》土钉验收试验统计分析表

表5 《山东规范》土钉验收试验统计分析表

从表5 知，加载至验收试验最大荷载之最小值时，土钉杆体达其屈服强度标准值的 95 %～97 %，锚固段极限抗拔发挥系数为 81 %～86 %。可见，理论上该检测值从土钉杆体强度方面不甚合理，可能偏不安全；从检测土层粘结力方面当安全等级为三级时可能略偏不安全，同时因检测计算参数不符合现场实际参数，实际现场试验时无临时自由段为全长粘结，而设计计算时仅考虑滑动面以外的锚固段长度，故该检测值对实际全长粘结极限抗拔发挥程度可能低于或远低于 81 %～86 %，尤其是上部土钉其理论自由段较长时［9］，故该检测值实际意义不大，缺少实操性，可能难以达到检测及验收的目的。

1.4 《军用规范》［10］及《中建标准》［11］

1.4.1 设计方法及相关要求

因两规范主要设计理论、公式、验收要求等均基本一致，且前者新于后者近 10 年，故以前者为例进行统计分析。

该规范对于土层粘结抗拔设计及钉筋抗拉设计均采用相同的总安全系数法（Fs，d根据基坑深度取1.2～1.4），考虑τ值本身的安全系数后，其土层粘结抗拔总安全系数实为1.5～1.75；同时考虑到受拉屈服破坏与拔出破坏可靠度不同，规范将钉筋抗拉公式右侧采用了1.1的系数，换算后其抗拉总安全系数为1.09～1.27。

规范虽主要规定了非工作土钉现场测试，但 10.6 条同时规定“上述试验也可不进行至破坏状态，但此时所加的最大试验荷载值应使土钉界面黏结应力的计算值超出设计计算所用标准值的 1.25 倍”，这实际上相当于对验收试验工作土钉做出的规定。

1.4.2 统计分析

对应于该规范，其土钉验收试验抗拔质量检测合理性评估及抗拉强度合理性评估统计结果如表6 所示。

从表6 知，加载至验收试验最大荷载之最小值时，土钉杆体达其屈服强度标准值的 98 %～115 %，近似全长粘结（≥ 1 m 长的非黏结段）极限抗拔发挥系数为 71 %～83 % 左右。可见，理论上该检测值从土钉杆体强度方面不甚合理，可能偏不安全，或 10.2 条规定与 10.6 条规定不甚匹配，从检测土层粘结力方面可能稍欠合理。检测计算参数符合现场实际参数，故该检测值具有实际意义，但由于仅规定≥ 1 m 长的非黏结段，未从正常工作土钉的理论自由段长度来考虑，故不太完全符合实际工况，且节能性可能亦有所欠缺，尤其是验收试验工作土钉按近似全长进行杆体安全抗拉设计但土钉工程数量大从而导致验收试验工作土钉数量亦大时，杆体不节能的弊端将愈发明显。

表6 《军用规范》土钉验收试验统计分析表

1.5 《美国手册》

1.5.1 设计方法及相关要求

该手册对土钉允许采用工作荷载设计法（即总安全系数法）和荷载与抗力系数设计法（即分项系数法），且不必同时使用两种方法进行设计，但对钉筋抗拉和土层粘结抗拔该手册推荐同时采用了同种设计方法。

该手册对于土层粘结抗拔设计、钉筋抗拉设计同时采用总安全系数法或分项系数法。对于总安全系数法，土层粘结抗拔总安全系数为 2.0，钉筋抗拉总安全系数为 1.82；对于分项系数法，若换算总安全系数法，则其土层粘结抗拔总安全系数对应为 1.93，钉筋抗拉总安全系数对应为 1.5。须要注意的是，该手册主要适应于永久性土钉。

1.5.2 统计分析

对应于该手册，其土钉验收试验抗拔质量检测合理性评估及抗拉强度合理性评估统计结果如表7 所示。

从表7 知，加载至验收试验最大荷载时，土钉杆体达其屈服强度标准值的 90 % 左右，近似全长粘结（≥ 1 m 长的临时未粘结长度）极限抗拔发挥系数为 75 % 左右。可见，理论上该检测值从土钉杆体强度方面及检测土层粘结力方面均基本合理。检测计算参数符合现场实际参数，故该检测值具有实际意义，但由于仅规定临时未粘结长度至少需有 1 m，未从正常工作土钉的理论自由段长度来考虑，故不太完全符合实际工况，且节能性可能亦有所欠缺，尤其是验收试验工作土钉按近似全长粘结进行杆体安全抗拉设计，但土钉工程数量大从而导致验收试验工作土钉数量亦大时，杆体不节能的弊端将愈发明显。

2 综合分析

对于正常工作土钉，钉筋抗拉各规范虽然多以分项系数法设计，且若按总安全系数法换算成对应的总安全系数后，其抗拉总安全系数一般低于土体粘结的抗拔总安全系数，但因钉筋受拉屈服破坏与拔出破坏可靠度不同（前者可靠度较高），且从笔者搜集的已有竣工经验及土钉事故来看，未发现因土钉杆体拉断或屈服破坏的现象，故基于绿色节能考虑按分项系数法进行钉筋抗拉设计是有足够保证率的；土体粘结抗拔各规范多以总安全系数法设计，考虑到土层剖面与边界的不确定性、现场与实验室岩土指标的不确定性、现场应力与孔隙水压力的不确定性、荷载及其分布的不确定性、计算理论方法的不确定性、应力变形机理的不确定性等等诸多不确定性［12］，目前采用以可靠度概率理论［13］为基础的分项系数法难度较大，故采用总安全系数法设计是基本适合现状的。综上所述，正常工作土钉设计建议参考《基坑规程》，但宜去掉 5.2.5-4 条限制要求，否则可能将发生杆体材料较大浪费。

上述仅是对土钉局部稳定抗拉拔设计与分析，各规范同时要求尚须进行整体滑动稳定验算［14］，并取两者计算结果大值。根据理论及实践，最终计算结果（如土钉总长度）往往大多受整体滑动稳定控制，尤其是具有一定黏聚力的黏性土，所以凡是基于局部拉拔稳定来确定检测值的均可能更加偏离检测目的，失去实际检测意义。

为安全、合理地达到试验目的，基于绿色节能且最大限度与实际正常工作土钉工况相符考虑，宜按下述思路进行验收试验工作土钉设计：计算正常工作土钉总长度（取局部拉拔稳定和整体滑动稳定计算结果的大值）→确定临时自由段长度（取各工况下局部拉拔稳定和整体稳定计算结果之最小值且≥ 1 m）及所余锚固段长度（且≥ 3 m）→根据所余锚固段长度计算极限抗拔标准值→根据极限抗拔标准值计算检测荷载控制值范围→根据检测荷载控制值范围确定检测荷载设计值→根据检测荷载设计值计算杆体配筋→复核确定最终配筋。

表7 《美国手册》土钉验收试验统计分析表

3 相关建议

3.1 设计方法及公式

正常工作土钉设计，建议参照《基坑规程》，但去掉 5.2.5-4 条限制要求；同时须进行整体滑动稳定验算，并取两者计算结果之大值。

验收试验工作土钉设计，建议均采用总安全系数法，如式（1）～（2）所示。

检测荷载控制值范围：

杆体的受拉配筋：

式中：为第j层土钉检测荷载控制值范围；KB，F为检测抗拔安全系数，取 0.75～0.85；li，F为第j层土钉在各工况下局部拉拔稳定和整体滑动稳定所确定的自由段之最小值且≥ 1 m 以外的部分在第i土层中的长度且≥ 3 m（该值≥局部拉拔稳定和整体滑动稳定锚固长度计算结果）；Fj为第j层土钉检测荷载设计值，由设计工程师根据实际情况和设计需要在该层土钉检测荷载控制值范围内确定；KL，F为检测抗拉安全系数，取 0.8～0.9（当受钢筋尺寸模数影响，此范围内无合适配筋时，应高配；复核最终配筋，须同时满足不小于正常工作土钉配筋）；其他参见《基坑规程》。

3.2 相关要求

对每一典型验收试验工作土钉，设计文件中应明确其检测荷载设计值、临时自由段长度、杆体配筋。最终实施时由监理工程师现场根据锚固段所处不同典型地层位置随机指定试验土钉位置，施工单位按设计及规范要求设置临时自由段，临时自由段可采用非粘结注浆或临时不注浆方式设置，建议优先采用临时不注浆方式，且应在试验后全面灌浆。