土钉墙外部稳定分析的必要性探讨

吴佳霖

(中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031)

1 问题的提出

土钉墙支护结构在基坑工程及道路工程中承担挡土、稳固土体等重要作用，其作用机理及计算方法是岩土工程中的重要研究课题。设计土钉墙时的验算内容，特别是对于是否需要进行外部稳定验算，不同规范规定有所不同。外部稳定性验算是指将土钉加固土体看作重力式挡墙，根据相关规范进行重力式挡墙的相关验算[1]，包括抗滑稳定性验算、抗倾覆稳定性验算、地基承载力验算。

应用最为广泛的建筑基坑支护技术规程(JGJ120-2012)[2]没有要求验算外部稳定，该规程规定需要验算的内容为：①稳定性验算，包括整体滑动稳定性验算(见图1)、基坑坑底软弱土层的坑底隆起稳定性验算(见图2)；②土钉承载力验算，包括极限抗拔承载力验算和土钉杆体受拉承载力验算(见图3)。

而基坑土钉技术规程[3]以及铁路路基支挡结构设计规范[4]除以上验算要求外，对土钉墙外部稳定验算有明确的要求。基坑土钉技术规程验算简图见图4A、B、C。

图1 整体滑动稳定性验算示意

图2 土钉墙坑底隆起稳定性验算示意

图3 土钉承载力验算示意

(A)

(B)

(C)

综上所述，对于是否需要验算土钉墙外部稳定性，不同规范有不同的看法，认为不需要验算的原因，是土钉墙在满足整体稳定及土钉承载力的情况下，外部稳定一般是满足的，因而不必验算。本文通过算例讨论土钉墙是否有必要进行外部稳定性验算以及什么情况下需要验算，为工程设计提供参考依据。

2 算例分析

为简便起见，计算时假定土钉墙符合朗肯条件，土压力按照朗肯主动土压力计算。

根据规范[1]，抗滑稳定性按下面公式验算：

(1)

式中：G1、G2为每延米土钉墙的重力(见图5)；

G3为加固土体(重力式挡墙)顶部荷载，G3=q1b2；

μ为土对墙底的摩擦系数，由试验测定或查表；

Ea为土钉墙所受主动土压力。

图5 重力式挡墙验算简图

抗倾覆稳定性按下面公式验算：

(2)

式中：a1、a2、a3分别为G1、G2、G3至墙趾的水平距离；

ha为Ea至墙趾的竖向距离。

由于地基承载力涉及参数较多，本文不讨论地基承载力的验算。

首先对规范[1]规定的抗滑稳定性验算予以讨论。土钉墙形成的重力式挡墙，滑动时是土体之间的滑动，规范[1]规定的抗滑力的计算方法是不合适的。本文推荐了以抗剪强度为基础的抗滑力计算方法，即：

T=c(b1+b2)+(0.5γmHb1+q1b2+γmHb2)tanφ

(3)

本文抗滑安全系数计算中抗滑力取T，安全系数暂取1.3。

按照以上方法对下面两个有代表性的算例进行分析，下面的算例，均满足现行规程[2]的规定(安全等级按二级考虑)，并且在经济合理的范围内。

2.1 算例1：土的抗剪强度较低、坑深较小的情况

基坑深度：6.0m；开挖坡度：1∶0.5；坡顶超载q=20kPa；土钉倾角10°，孔径130mm；4道土钉，从上至下长度分别为9m、9m、11m、11m；钢筋HRB400直径20mm；土钉水平间距1.0m；竖向间距1.4m；土层c=10kPa，φ=15°，γ=18kN/m3；极限摩阻力60kPa。

根据规程[2]计算，该土钉墙最后一道工况整体滑动安全系数为1.34，满足要求，其他各项也满足要求，具体数据略。

对该土钉墙进行外部稳定验算，重力式挡墙指标如下：

H=6m；b1=3m；b2=6m；q1=q2=20kPa

计算结果如下：

Ea=169.8kN/m；ha=1.89m；

G1=162kN/m；a1=2m；

G2=648kN/m；a2=6m；

G3=120kN/m；a3=6m；

利用公式(3)算得抗滑力T=339kN/m。

抗滑安全系数Ks=2.0>1.3满足要求。

抗倾覆安全系数Kt=13.7>1.6满足要求。

土钉超载20kPa为常规的考虑荷载，工程中在距离坑边较远处，常有比较大的荷载，比如堆放材料、车辆等，因此讨论如果将q2由20kPa提高到40kPa的情况，经计算，结果如下：

抗滑安全系数Ks=1.4>1.3满足要求。

抗倾覆安全系数Kt=8.3>1.6满足要求。

算例1小结：在土的抗剪强度较低、坑深较小的情况下，土钉墙外部稳定容易满足要求，且即使增大q2后安全系数虽然减小，但仍然可能满足要求。

2.2 算例2：土的抗剪强度较高、坑深较大的情况

基坑深度：9.0m；开挖坡度：1∶0.2；坡顶超载q=20kPa；土钉倾角10°，孔径130mm；6道土钉，长度均为4.5m；钢筋HRB400直径20mm；土钉水平间距1.0m；竖向间距1.4m；土层c=20kPa，φ=28°，γ=18kN/m3；极限摩阻力60kPa。

根据规程[2]计算，该土钉墙最后一道工况整体滑动安全系数为1.32，满足要求，其他各项也满足要求，具体数据略。

对该土钉墙进行外部稳定验算，重力式挡墙指标如下：

H=9m；b1=1.8m；b2=2.7m；q1=q2=20kPa

计算结果如下：

Ea=490kN/m；ha=2.80m；

G1=145.8kN/m；a1=1.2m；

G2=437.4kN/m；a2=3.15m；

G3=54kN/m；a3=3.15m；

利用公式(3)算得抗滑力T=429kN/m。

抗滑安全系数Ks=0.88<1.3不满足要求。

抗倾覆安全系数Kt=1.26<1.6不满足要求。

算例2小结：土的抗剪强度较高、坑深较大的情况下，土钉墙外部稳定不容易满足要求。

从以上两个算例可以看出，算例1在常规荷载的情况下外部稳定满足要求，增加远处荷载后仍然满足，但安全系数明显减小。算例2在常规荷载下抗滑及抗倾覆均不满足要求，不难理解还有一种中间情况，即常规荷载下满足，增加远处荷载后不满足要求，限于篇幅，不再列举这类算例。

3 结论

当土的抗剪强度较低、基坑较浅时，按现行规程[2]设计的土钉墙，等效重力式挡墙宽度较大，高度较小，外部稳定一般能满足要求。当土的抗剪强度较高，基坑较深时，等效重力式挡墙的宽度较小，高度较大，外部稳定不容易满足要求，这时不验算外部稳定是有安全隐患的。对于一个具体的工程设计，事先很难判断是否验算的标准，因此，笔者认为，对于土钉墙，有必要验算其外部稳定。

由于土钉墙形成的重力式挡墙，滑动时是土之间的剪切破坏，因此本文提出的基于抗剪强度的抗滑力计算方法，理论上更加合理。采用这一方法时，应对抗滑安全系数的合理取值进行探讨。