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摘要：从挡土墙的基本理论分析着手，结合对多种支护方法的研究，认为在《规范》的“水泥土墙”和“土钉墙”之间，应该建立一种新型的“水泥土(钉)墙”方法，以弥补因为“土钉墙”方法的过于经验性设计而带来的不安全因素。本文以一个典型的实例工程为研究对象，以同一软件、多种方案进行结构验算对比，论证了“水泥土(钉)墙”方法的安全性、实用性、经济性。
关键词：水泥土墙重力墙结构计算墙体刚度拉杆钢筋网喷射混凝土
1、前言
按现代岩土工程概念，关于基坑支护工程可以分为二大类别的课题——土体本构关系的研究和支护结构的研究。本文认为，包括重力墙和悬臂墙、支锚墙在内的所有“支护”体都是阻止土体下滑的“结构”物。所以，作为“结构”课题只研究“支护”体的应力--变形问题而不涉及土体的本构关系。
按经典的土力学原理，作用于墙体的主、被动土压力，源自于墙体“无限刚度”的重力墙假设——(自身不变形的)挡土墙墙体，产生整体性较小量(△/H{≈0.001～0.005)的“旋转”或“平移”变形，于是，墙顶变形量(△)可以成为墙体变形的最大值、代表值。
按以上机理，在有关基坑支护方法的现行《规范》中——排桩、连续墙(支锚)方法；水泥土墙方法；土钉墙方法，只有水泥土墙方法，才具有重力墙特性。如(图1-A)是某工程按水泥土重力墙设计并已获得成功的工程条件；(图1-B)则是该工程结构的验算包络图。抗滑移稳定性：Kh=1.33；抗倾覆稳定性：K S产1.56；直线型墙体变形最大值(墙顶)：△≈40mm；△/H≈0.0047。
图1水泥土(重力墙)特性
但是，具有重力墙特性的水泥土墙方法，并不因为其被称之为“重力墙”而“必然的”具备了“无限刚度”条件，所以，对于水泥土墙，以及任何被称之为重力墙的方法，在设计中除了满足抗倾覆和抗滑移稳定性的规范要求以外，仍必须进行墙体的结构验算和变形控制，否则在理论上是不完善的，在实际应用中是不安全的。
进一步研究(图1)工程的包络图，可以发现在墙体中加一道锚杆可以进一步控制变形和弯矩。但是，按目前的理论条件，任何支、锚方法与重力墙方法之间，尚不能建立“协同工作”的机理，所以，锚杆计算的结果是支座反力较大(等于主被动土压力之差)；与(图2)相比(墙体宽度为1.0m，其它条件相同)锚杆的支座反力和墙体弯矩几乎是一样的。这个现象可以说明，所有支、锚方法均与悬臂墙理论一样，不考虑墙体重力的存在，即“外力”平衡由“支、锚”体承担，内力平衡则由墙体弯矩控制，“墙体”是在非重力条件下控制变形和发挥锚杆水平抗力的必要载体。
图2不同墙宽的水泥土墙叠加支锚方法的验算对比
2水泥土墙的变形控制
通过实际工程的应用和理论分析，本文认为，充分利用水泥土墙的刚度特性，将“水泥土墙”与“土钉墙”方法结合在一起，可以形成一种新型的支锚墙方法，即“水泥土(钉)墙”方法，使得“土钉墙”，方法可以彻底摆脱了似是而非的“重力墙”假设。并且，通过(图3)的比较可以证明，“水泥土(钉)墙”方法，在理论上与钢筋混凝土连续墙是相同的、可行的。
图3水泥土(多支点)墙与(单支点)钢筋混凝土连续墙比较
据上验算，在支锚体系支护方法中，水泥土墙可以在相当程度内替代钢筋混凝土墙，以及比较经济的理论依据是：
(1)水泥土墙与混凝土墙的应力-应变曲线的比例关系类同：
据有关《规范》对于水泥土E=100～120fcu(fcu为水泥土的单轴抗压强度)。据《手册》混凝土强度为R=25MPa时，E=2850MPa：可推算其E=114R。
(2)据以上条件，通过弯曲变形量ω=(1/EI)；I=f(b3)的函数式估算——E为变形模量；I为截面惯心矩;b为墙体宽度；可以证明(1.6MPa)1.0m厚的水泥土墙，与(25MPa)0.4m厚的混凝土墙相比,其刚度(EI)几乎相等，即水泥土墙与混凝土墙的刚度比约为：
1.6×(110)×(1)3/[2850×(0.4)3]≈1
(3)按拉应力σ=f(1/b2：)函数式估算，1.00m宽的水泥土墙与0.4m宽混凝土墙相比，拉应力可减少84％。
(4)水泥土墙的立方造价仅为混凝土墙的1/6～l/10，而工程量(1.00m宽的水泥土墙/0.4m宽混凝土墙)约为2.5/l；所以造价比约为0.40～0.20。
3水泥土(钉)墙的构成
水泥土(钉)墙的基本构成：(1)是超前施工的水泥土墙；(2)(3)为分层同步施工的“喷-锚”工序，其中：(2)为锚固于墙体是“支、锚”体；(3)为高压喷射(配筋)混凝土。
水泥土(钉)墙方法的构成在形式上是(1)“水泥土墙”和(2)(3)“土钉墙”方法的叠加，但是其机理已经完全不同——以水泥土墙为“载体”的支锚方法，所以，其验算的方法是“水泥土墙”加“锚”方法。
其中的要点是：
圆柱型桩体连续搭接施工形成的水泥土墙(1)是本方法的核心部分，没有水泥土墙的存在，(柔性)的支锚杆件将因为失去了对土体进行(侧胀)约束的刚性载体，因而不能发挥水平抗力，以及不能进行变形控制。据理论分析以及实际工程验证，低强度特性的水泥土墙的墙宽应b≥800mm。
布桩的方法应以大直径搅拌桩为首选——比较经济，可以使造价减少30％，
对于水泥土(钉)墙方法，喷射钢筋混凝土面層(3)是必须的，因为它不但可以加强水泥土墙的整体性，而且还可以进行独立计算，以帮助或替代水泥土墙，承担墙体内侧的弯矩；
水泥土(钉)墙的支锚方法，进行加锚计算的结果是主拉杆设计(2a)，该主拉杆位置应在墙体中部，可以是一层也可以是多层；但是，在墙底部位，还必须加设构造性锚杆(2b)；在必须进行墙顶变形控制时，还应设墙顶构造锚杆(2c)。因此，在一般情况下，水泥土(钉)墙方法的支锚体应不小于2～3层。
4工程实例
某综合楼基坑搅拌桩止水帷幕设计基坑开挖面积77.5m~55m，开挖深度5m，基坑周边近邻分布多层建筑，且多为浅基础。依该场地详勘地质剖面图揭露地层显示，场地砂土层厚度大，地下水位高，地下水丰富。该建筑设计单位拟采用水泥土(钉)墙表面喷锚支护结构，水泥搅拌桩作止水帷幕，布桩形式为双排Φ550@400mm，搅拌桩进入残积砂质粘性土层0.5m，3层拉锚杆。鉴于该水泥搅拌桩（止水帷幕）是保证基坑安全及周围建筑安全的关键一环，从控制工程质量、工程造价以及工期方面考虑。经过分析勘察报告，场地砂土层中间有一层较稳定的黏土层，则止水帷幕进入该层即可，无需穿过该黏土层及其下部砂层进入残积层，经计算能满足设计要求。
确定搅拌桩止水帷幕进入稳定的粉质黏土层(②5)即可，居于以下考虑：
(1)从勘察工程地质剖面图显示，基坑开挖深度下部存在稳定的粉质黏土层(②5)，搅拌桩进入该层，在开挖基坑范围即可形式一个隔水帷幕。通过验证可知，基坑底能满足抗隆起稳定要求，及不存在坑底淤泥涌沙现象。
(2)大大降低止水帷幕工程造价，砂层底部平均埋深12.7m，依此，原设计要求搅拌桩进入残积砂质粘性土0.5m，则桩长达13.2m，采用桩径550mm，桩距400mm，双排布桩基坑边长265m，则需施工搅拌桩总桩长17490m，按搅拌桩造价每米35元计，总工程造价为612150元。而依详勘资料，搅拌桩进入稳定的粉质粘土层(②5)0.5m计，平均桩长10.1m，按上述相同平面布桩方式，施工搅拌桩总桩长13382.5m，工程造价为468387元，与前者比节省资金143763元，即工程造价降低23.5％元。
(3)缩短了工期降低施工难度，搅拌桩施工长度减少4107.5m，按规范要求搅拌桩施工每米约4min计，则施工用时节约274h。此外，搅拌桩穿越厚层可塑粉质粘土，有较大的困难，同时容易造成粉质粘土在搅拌头处抱团，影响搅拌桩质量，而粘土层下部存的中密状粗砂，一般搅拌桩机械设备更是难以穿越，如按原设计搅拌桩进入残积层将给搅拌桩施工带来极大的困难，施工工期无疑更长，最终影响基坑工程施工进度。
5总结
水泥土钉墙方法已有多个工程的实施经验，取得了较好的安全和经济效果。实测墙顶变形量△均不超过20mm当然，在施工的过程中进行墙顶变形的监控是很必要的。根据上面的工程实例，说明对于1～3层地下室条件的基坑开挖深度，水泥土(钉)墙方法，均可以达到安全而经济的目的。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：水泥土墙重力墙结构计算墙体刚度拉杆钢筋网喷射混凝土
1、前言
按现代岩土工程概念，关于基坑支护工程可以分为二大类别的课题——土体本构关系的研究和支护结构的研究。本文认为，包括重力墙和悬臂墙、支锚墙在内的所有“支护”体都是阻止土体下滑的“结构”物。所以，作为“结构”课题只研究“支护”体的应力--变形问题而不涉及土体的本构关系。
按经典的土力学原理，作用于墙体的主、被动土压力，源自于墙体“无限刚度”的重力墙假设——(自身不变形的)挡土墙墙体，产生整体性较小量(△/H{≈0.001～0.005)的“旋转”或“平移”变形，于是，墙顶变形量(△)可以成为墙体变形的最大值、代表值。
按以上机理，在有关基坑支护方法的现行《规范》中——排桩、连续墙(支锚)方法；水泥土墙方法；土钉墙方法，只有水泥土墙方法，才具有重力墙特性。如(图1-A)是某工程按水泥土重力墙设计并已获得成功的工程条件；(图1-B)则是该工程结构的验算包络图。抗滑移稳定性：Kh=1.33；抗倾覆稳定性：K S产1.56；直线型墙体变形最大值(墙顶)：△≈40mm；△/H≈0.0047。
图1水泥土(重力墙)特性
但是，具有重力墙特性的水泥土墙方法，并不因为其被称之为“重力墙”而“必然的”具备了“无限刚度”条件，所以，对于水泥土墙，以及任何被称之为重力墙的方法，在设计中除了满足抗倾覆和抗滑移稳定性的规范要求以外，仍必须进行墙体的结构验算和变形控制，否则在理论上是不完善的，在实际应用中是不安全的。
进一步研究(图1)工程的包络图，可以发现在墙体中加一道锚杆可以进一步控制变形和弯矩。但是，按目前的理论条件，任何支、锚方法与重力墙方法之间，尚不能建立“协同工作”的机理，所以，锚杆计算的结果是支座反力较大(等于主被动土压力之差)；与(图2)相比(墙体宽度为1.0m，其它条件相同)锚杆的支座反力和墙体弯矩几乎是一样的。这个现象可以说明，所有支、锚方法均与悬臂墙理论一样，不考虑墙体重力的存在，即“外力”平衡由“支、锚”体承担，内力平衡则由墙体弯矩控制，“墙体”是在非重力条件下控制变形和发挥锚杆水平抗力的必要载体。
图2不同墙宽的水泥土墙叠加支锚方法的验算对比
2水泥土墙的变形控制
通过实际工程的应用和理论分析，本文认为，充分利用水泥土墙的刚度特性，将“水泥土墙”与“土钉墙”方法结合在一起，可以形成一种新型的支锚墙方法，即“水泥土(钉)墙”方法，使得“土钉墙”，方法可以彻底摆脱了似是而非的“重力墙”假设。并且，通过(图3)的比较可以证明，“水泥土(钉)墙”方法，在理论上与钢筋混凝土连续墙是相同的、可行的。
图3水泥土(多支点)墙与(单支点)钢筋混凝土连续墙比较
据上验算，在支锚体系支护方法中，水泥土墙可以在相当程度内替代钢筋混凝土墙，以及比较经济的理论依据是：
(1)水泥土墙与混凝土墙的应力-应变曲线的比例关系类同：
据有关《规范》对于水泥土E=100～120fcu(fcu为水泥土的单轴抗压强度)。据《手册》混凝土强度为R=25MPa时，E=2850MPa：可推算其E=114R。
(2)据以上条件，通过弯曲变形量ω=(1/EI)；I=f(b3)的函数式估算——E为变形模量；I为截面惯心矩;b为墙体宽度；可以证明(1.6MPa)1.0m厚的水泥土墙，与(25MPa)0.4m厚的混凝土墙相比,其刚度(EI)几乎相等，即水泥土墙与混凝土墙的刚度比约为：
1.6×(110)×(1)3/[2850×(0.4)3]≈1
(3)按拉应力σ=f(1/b2：)函数式估算，1.00m宽的水泥土墙与0.4m宽混凝土墙相比，拉应力可减少84％。
(4)水泥土墙的立方造价仅为混凝土墙的1/6～l/10，而工程量(1.00m宽的水泥土墙/0.4m宽混凝土墙)约为2.5/l；所以造价比约为0.40～0.20。
3水泥土(钉)墙的构成
水泥土(钉)墙的基本构成：(1)是超前施工的水泥土墙；(2)(3)为分层同步施工的“喷-锚”工序，其中：(2)为锚固于墙体是“支、锚”体；(3)为高压喷射(配筋)混凝土。
水泥土(钉)墙方法的构成在形式上是(1)“水泥土墙”和(2)(3)“土钉墙”方法的叠加，但是其机理已经完全不同——以水泥土墙为“载体”的支锚方法，所以，其验算的方法是“水泥土墙”加“锚”方法。
其中的要点是：
圆柱型桩体连续搭接施工形成的水泥土墙(1)是本方法的核心部分，没有水泥土墙的存在，(柔性)的支锚杆件将因为失去了对土体进行(侧胀)约束的刚性载体，因而不能发挥水平抗力，以及不能进行变形控制。据理论分析以及实际工程验证，低强度特性的水泥土墙的墙宽应b≥800mm。
布桩的方法应以大直径搅拌桩为首选——比较经济，可以使造价减少30％，
对于水泥土(钉)墙方法，喷射钢筋混凝土面層(3)是必须的，因为它不但可以加强水泥土墙的整体性，而且还可以进行独立计算，以帮助或替代水泥土墙，承担墙体内侧的弯矩；
水泥土(钉)墙的支锚方法，进行加锚计算的结果是主拉杆设计(2a)，该主拉杆位置应在墙体中部，可以是一层也可以是多层；但是，在墙底部位，还必须加设构造性锚杆(2b)；在必须进行墙顶变形控制时，还应设墙顶构造锚杆(2c)。因此，在一般情况下，水泥土(钉)墙方法的支锚体应不小于2～3层。
4工程实例
某综合楼基坑搅拌桩止水帷幕设计基坑开挖面积77.5m~55m，开挖深度5m，基坑周边近邻分布多层建筑，且多为浅基础。依该场地详勘地质剖面图揭露地层显示，场地砂土层厚度大，地下水位高，地下水丰富。该建筑设计单位拟采用水泥土(钉)墙表面喷锚支护结构，水泥搅拌桩作止水帷幕，布桩形式为双排Φ550@400mm，搅拌桩进入残积砂质粘性土层0.5m，3层拉锚杆。鉴于该水泥搅拌桩（止水帷幕）是保证基坑安全及周围建筑安全的关键一环，从控制工程质量、工程造价以及工期方面考虑。经过分析勘察报告，场地砂土层中间有一层较稳定的黏土层，则止水帷幕进入该层即可，无需穿过该黏土层及其下部砂层进入残积层，经计算能满足设计要求。
确定搅拌桩止水帷幕进入稳定的粉质黏土层(②5)即可，居于以下考虑：
(1)从勘察工程地质剖面图显示，基坑开挖深度下部存在稳定的粉质黏土层(②5)，搅拌桩进入该层，在开挖基坑范围即可形式一个隔水帷幕。通过验证可知，基坑底能满足抗隆起稳定要求，及不存在坑底淤泥涌沙现象。
(2)大大降低止水帷幕工程造价，砂层底部平均埋深12.7m，依此，原设计要求搅拌桩进入残积砂质粘性土0.5m，则桩长达13.2m，采用桩径550mm，桩距400mm，双排布桩基坑边长265m，则需施工搅拌桩总桩长17490m，按搅拌桩造价每米35元计，总工程造价为612150元。而依详勘资料，搅拌桩进入稳定的粉质粘土层(②5)0.5m计，平均桩长10.1m，按上述相同平面布桩方式，施工搅拌桩总桩长13382.5m，工程造价为468387元，与前者比节省资金143763元，即工程造价降低23.5％元。
(3)缩短了工期降低施工难度，搅拌桩施工长度减少4107.5m，按规范要求搅拌桩施工每米约4min计，则施工用时节约274h。此外，搅拌桩穿越厚层可塑粉质粘土，有较大的困难，同时容易造成粉质粘土在搅拌头处抱团，影响搅拌桩质量，而粘土层下部存的中密状粗砂，一般搅拌桩机械设备更是难以穿越，如按原设计搅拌桩进入残积层将给搅拌桩施工带来极大的困难，施工工期无疑更长，最终影响基坑工程施工进度。
5总结
水泥土钉墙方法已有多个工程的实施经验，取得了较好的安全和经济效果。实测墙顶变形量△均不超过20mm当然，在施工的过程中进行墙顶变形的监控是很必要的。根据上面的工程实例，说明对于1～3层地下室条件的基坑开挖深度，水泥土(钉)墙方法，均可以达到安全而经济的目的。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。