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摘要:本文主要介绍了复合土钉墙的力学机理和稳定计算，阐述了其在工程中的应用。
关键词: 复合土钉墙; 工程应用；预应力
Abstract: this paper mainly introduces the composite soil nailing wall of mechanical mechanism and the stability calculation, expounds its application in engineering.
Keywords: composite soil nailing wall; The engineering application; prestressed
中图分类号：TU528.571文献标识码：A文章编号：
1 概述
复合土钉墙支护具有轻型、安全可靠、机动灵活、造价低、工期短， 针对性强, 适用范围广，支护能力强等技术特点, 是一项技术先进。为了更好地推广应用该支护技术, 笔者根据多年来从事复合土钉墙技术的研究经验, 对其工程应用中的几项主要应用技术谈谈个人体会。
2工程应用技术
2.1 复合土打墙的适用条件
地层条件—普通地层均可应用，厚层淤泥一般不宜或采用特殊设计适当应用。地下水—不需降水，弱透水层可直接应用，富含水地层需采用帷幕截水。基坑深度一坑深小于12 m的基坑己有丰富工程经验，坑深大于12m的基坑可与其他支打型式(如排桩)联合使用。基坑工程安全等级—般用于一、二级基坑，一级基坑经严格分析后选用。
2.2复合土钉墙的基本形式
复合土钉一墙的支护型式比较灵活多样，工程常用的型式概括起来卞要有二种，即加强型，截水型和“截水加强型”，各种型式的结构及适当条件见表1
表1 复合土钉墙的基本型式
2.3 预应力锚杆的设置
预应力锚杆是复合土钉墙重要的组成元素之一，对工程整体稳定起着主导作用。但复合土钉墙的预应力锚杆与桩锚支护体系中的拉锚结构比较从受力特点到布置要求均不相同，工程应用中要特别注意预应力锚杆与土钉的陇调工作。因为预应力锚杆与土钉这一种支打‘措施，前者的特点是卞动受力，后者为被动受力，当一者处于同一工作环境中时，预应力锚杆的预加应力不可太高，在适当控制基坑(边坡)变形的同时，使土钉墙也能产生设计所要求的承载力。根据己有的工程经验，复合土钉墙中预应力锚杆设计承载力一般可取200一300kN，预加应力取设计承载力的0.5~0.8倍即可，一般应稍低于桩锚支护体系中的预加应力。预应力锚杆的长度相对于桩锚体系一般偏短，根据地质条件和使用要求，锚固段可取10~14m。另外，同一排中预应力锚杆可以和土钉间隔布置，在满足受力要求的条件下，可节约工程造价。预应力锚杆的杆体材料根据需要一般用2~3根钢绞线即可。
2.4土钉与微型桩
在复合土钉墙中，常用土钉有二种型式，即钢筋土钉和钢花管土钉。钢筋土钉用于地下水以上的粘性土中，可采用洛阳铲或钻机成孔，钢筋规格一般可采用2.2~2.5螺纹钢筋;在砂土中或地下水以下的环境中，由于成孔困难，可采用钢竹土钊一。用冲击钻机或冲击锤直接打入土中。钢管规格一般为48，厚度3.0 ~4.0mm。管身一般每隔500mm对开双孔用于注浆。
微型桩( 树根桩) 一般用于软弱松散土层的加强支护和限制坡体变形的预支护。微型桩常用规格为直径250~ 300mm, 桩身材料可用压浆碎石混凝土,水泥砂浆或水泥净浆,骨架可采用钢筋笼或工字钢。桩顶一般设小型冠梁, 以加强整体工作性能。桩长一般超过基坑坑底3~4m即可,软弱土层可根据需要适当加深。
要重视基坑深部和底部的稳定
采用复合土钉墙支护的基坑, 一般比普通土钉墙要深。众所周知, 随着深度的增加,土压力会迅速增大。某基坑实测曾发现,基坑开挖深度超过10m后其变形迅速增加。分析认为,基坑变形加速的原因,除了土压力的迅速增加外,还和土钉墙及复合土钉墙这种支护形式开挖掌子面支护滞后和支护较弱有关。在这一点上, 复合土钉墙与“桩-锚”支护体系在受力和变形特征上有着明显的区别。根据笔者的经验,可采用以下措施,对复合土钉墙的底部支护进行加强:1)在较深基坑和软弱土层中,尽量采用微型桩进行预支护;2) 支护结构要适当加强中下部,基坑下部(预应力锚杆以下)土钉的排数不宜超过三排,而且应适当加长;3)必要时,可在基坑四周底部布置竖向土钉或深层搅拌桩对底部被动区进行加强。某深度大于14m的基坑,土方和支护完成后,底部变形不能完全稳定,经用二排竖向钢管土钉加固后很快变得稳定( 如图1) 。
1- 100mm厚挂网喷射混凝土面层; 2- 预应力锚杆;3- 冠梁; 4- 土钉; 5- 钢管土钉, 长度6m
图1 坑底土钉加固示意
2．6 要适当加强基坑中部的支护结构
在基坑工程中每侧两端( 四角部位) 由于受到端部效应的影响, 土压力和变形比中间部位有明显减小, 在边长大于60m的大中型基坑中这种现象会明显的显现出来。某基坑边长约170m, 变形监测发现, 中部1/ 2 区段的平均变形约为两端其他部位平均变形的1.41倍~1.52倍。为了控制基坑中部的变形, 支护结构可适当加强, 对于复合土钉墙而言, 这种合理的调整很容易实现。其常用措施有:可适当提高中部预应力锚杆承载力或加密锚杆, 也可以局部增设微型桩。某大型基坑中, 曾分段设置微型桩以形成“加强段”, 既减少了基坑位移, 又控制了支护的工程造价。
3 复合土钉墙的力学机理和稳定计算
3.1 力学机理
复合土钉墙的力学机理与其各组成元素的作用密切相关。在复合土钉墙支护中, 土钉与喷射混凝土对土体起到加固作用和封闭作用;微型桩发挥超前作用和局部稳定作用;截水帷幕的主要作用是截水,但也可同时兼作支挡结构和形成垂直开挖面;预应力锚杆(索)则是将外荷载产生的拉力传递到深部稳定的岩土层中, 利用其潜能达到稳定的目的, 并通过预加应力达到主动加固的效果。简而言之, 复合土钉墙的力学机理可概括为:支护作用与截水作用的结合;浅部土体加固与深部锚拉作用的结合; 开挖后支挡作用与超前支护的结合; 局部稳定与整体稳定的结合。显然, 根据使用目的和支护体系组成的差别, 其作用和受力机理的表现形式是有区别的。
3.2整体稳定计算式
复合土钉墙与普通土钉墙的整体稳定计算公式的最大区别有二点: 一是要考虑帷幕的抗剪作用和预应力锚杆的锚拉作用;二是要考虑各种支护措施之间的协调作用。由于復合土钉墙的各种支护措施,有的是主动受力,有的是被动受力;有的是超前支护,有的是开挖后支护,所以,各种支护措施不可能同步受力,根据已有研究成果,本文推荐用折减系数法来考虑各种构件之间的协调工作。复合土钉墙的整体稳定性计算公式[1] 如下:
+++
式中 Ks ---------整体稳定系数;
[K] ---------整体稳定系数允许值;
Ci---------土体粘聚力,kPa;
---------土体内摩擦角,度;
---------土条滑动面弧长,m;
---------土条重量,kN/m;
---------土钉的抗拔力设计值,kN
---------稳定滑裂面外土钉长度, m;
---------土钉穿越第i 层土土体与锚固体之间极限粘结强度标准值, kPa;
--------预应力锚杆承载力设计值, kN;
--------- 土条滑动面中点切线与水平面夹角,°;
---------搅拌桩、微型桩等间距, m;
--------搅拌桩、微型桩抗剪强度设计值,kPa;
---------预应力锚杆间距, m;
Si---------土钉水平间距, m;
As---------搅拌桩、微型桩抗剪计算面积,m2 ;
-------- 折减系数, 分别取0.5、0.5、0.8;
[K] ---------允许安全系数, 根据工程性质和安全等级按规范确定。
4工程应用
4.1某广场基坑
该工程位于繁华商业区, 基坑深度11.7m, 根据各侧不同环境条件分别采用桩-锚支护, 复合土钉墙支护和普通土钉墙支护。基坑东侧紧邻商业街, 道路下管网密集, 且有6m厚砾砂层。由于地下室外墙距红线只有500 mm, 经多方案比选, 最后采用截水加强型复合土钉墙。与桩锚支护形式比较, 不仅解决了位置紧张的难题, 而且节约工程造价100余万元。地下室顺利完成后,桩顶水平位移12 mm, 沉降20mm, 业主十分满意。
4.2某花园基坑
该基坑设置三层地下室, 开挖深度11.65 m。地质条件较为复杂, 有人工填土层, 埋藏植物层, 淤泥质黏土, 冲洪积粉质黏土, 粗～砾砂层, 残积土等。地下水为滞水～潜水型。周边环境困难, 西侧为多层建筑, 东、南两侧紧邻道路, 管网密集, 道路下有燃气管、给水、污水等七种管道和排洪箱涵经过。根据地质和环境条件, 基坑北、东、南三侧采用截水型加強复合土钉墙( 深层搅拌桩截水帷幕、土钉、预应力锚索、南侧增加微型桩) , 西侧由于正在施工道路, 所以采用了普通土钉墙。工程实践证明, 该基坑在服务期内安全稳定, 基坑周边实测变形值均在规范允许范围内, 确保了周边建筑、道路和管网安全。复合土钉墙支护比桩- 锚支护节约工程造价约300万元。该基坑支护设计获深圳市优秀岩土工程设计二等奖。
5 结束语
大量的工程应用表明，在地质条件较复杂的地方，复合土钉墙具有传统土钉墙无法比拟的优点。复合土钉墙极大地扩展了土钉墙技术的应用范围，成为基坑开挖支护中一种很有竞争力的技术手段。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词: 复合土钉墙; 工程应用；预应力
Abstract: this paper mainly introduces the composite soil nailing wall of mechanical mechanism and the stability calculation, expounds its application in engineering.
Keywords: composite soil nailing wall; The engineering application; prestressed
中图分类号：TU528.571文献标识码：A文章编号：
1 概述
复合土钉墙支护具有轻型、安全可靠、机动灵活、造价低、工期短， 针对性强, 适用范围广，支护能力强等技术特点, 是一项技术先进。为了更好地推广应用该支护技术, 笔者根据多年来从事复合土钉墙技术的研究经验, 对其工程应用中的几项主要应用技术谈谈个人体会。
2工程应用技术
2.1 复合土打墙的适用条件
地层条件—普通地层均可应用，厚层淤泥一般不宜或采用特殊设计适当应用。地下水—不需降水，弱透水层可直接应用，富含水地层需采用帷幕截水。基坑深度一坑深小于12 m的基坑己有丰富工程经验，坑深大于12m的基坑可与其他支打型式(如排桩)联合使用。基坑工程安全等级—般用于一、二级基坑，一级基坑经严格分析后选用。
2.2复合土钉墙的基本形式
复合土钉一墙的支护型式比较灵活多样，工程常用的型式概括起来卞要有二种，即加强型，截水型和“截水加强型”，各种型式的结构及适当条件见表1
表1 复合土钉墙的基本型式
2.3 预应力锚杆的设置
预应力锚杆是复合土钉墙重要的组成元素之一，对工程整体稳定起着主导作用。但复合土钉墙的预应力锚杆与桩锚支护体系中的拉锚结构比较从受力特点到布置要求均不相同，工程应用中要特别注意预应力锚杆与土钉的陇调工作。因为预应力锚杆与土钉这一种支打‘措施，前者的特点是卞动受力，后者为被动受力，当一者处于同一工作环境中时，预应力锚杆的预加应力不可太高，在适当控制基坑(边坡)变形的同时，使土钉墙也能产生设计所要求的承载力。根据己有的工程经验，复合土钉墙中预应力锚杆设计承载力一般可取200一300kN，预加应力取设计承载力的0.5~0.8倍即可，一般应稍低于桩锚支护体系中的预加应力。预应力锚杆的长度相对于桩锚体系一般偏短，根据地质条件和使用要求，锚固段可取10~14m。另外，同一排中预应力锚杆可以和土钉间隔布置，在满足受力要求的条件下，可节约工程造价。预应力锚杆的杆体材料根据需要一般用2~3根钢绞线即可。
2.4土钉与微型桩
在复合土钉墙中，常用土钉有二种型式，即钢筋土钉和钢花管土钉。钢筋土钉用于地下水以上的粘性土中，可采用洛阳铲或钻机成孔，钢筋规格一般可采用2.2~2.5螺纹钢筋;在砂土中或地下水以下的环境中，由于成孔困难，可采用钢竹土钊一。用冲击钻机或冲击锤直接打入土中。钢管规格一般为48，厚度3.0 ~4.0mm。管身一般每隔500mm对开双孔用于注浆。
微型桩( 树根桩) 一般用于软弱松散土层的加强支护和限制坡体变形的预支护。微型桩常用规格为直径250~ 300mm, 桩身材料可用压浆碎石混凝土,水泥砂浆或水泥净浆,骨架可采用钢筋笼或工字钢。桩顶一般设小型冠梁, 以加强整体工作性能。桩长一般超过基坑坑底3~4m即可,软弱土层可根据需要适当加深。
要重视基坑深部和底部的稳定
采用复合土钉墙支护的基坑, 一般比普通土钉墙要深。众所周知, 随着深度的增加,土压力会迅速增大。某基坑实测曾发现,基坑开挖深度超过10m后其变形迅速增加。分析认为,基坑变形加速的原因,除了土压力的迅速增加外,还和土钉墙及复合土钉墙这种支护形式开挖掌子面支护滞后和支护较弱有关。在这一点上, 复合土钉墙与“桩-锚”支护体系在受力和变形特征上有着明显的区别。根据笔者的经验,可采用以下措施,对复合土钉墙的底部支护进行加强:1)在较深基坑和软弱土层中,尽量采用微型桩进行预支护;2) 支护结构要适当加强中下部,基坑下部(预应力锚杆以下)土钉的排数不宜超过三排,而且应适当加长;3)必要时,可在基坑四周底部布置竖向土钉或深层搅拌桩对底部被动区进行加强。某深度大于14m的基坑,土方和支护完成后,底部变形不能完全稳定,经用二排竖向钢管土钉加固后很快变得稳定( 如图1) 。
1- 100mm厚挂网喷射混凝土面层; 2- 预应力锚杆;3- 冠梁; 4- 土钉; 5- 钢管土钉, 长度6m
图1 坑底土钉加固示意
2．6 要适当加强基坑中部的支护结构
在基坑工程中每侧两端( 四角部位) 由于受到端部效应的影响, 土压力和变形比中间部位有明显减小, 在边长大于60m的大中型基坑中这种现象会明显的显现出来。某基坑边长约170m, 变形监测发现, 中部1/ 2 区段的平均变形约为两端其他部位平均变形的1.41倍~1.52倍。为了控制基坑中部的变形, 支护结构可适当加强, 对于复合土钉墙而言, 这种合理的调整很容易实现。其常用措施有:可适当提高中部预应力锚杆承载力或加密锚杆, 也可以局部增设微型桩。某大型基坑中, 曾分段设置微型桩以形成“加强段”, 既减少了基坑位移, 又控制了支护的工程造价。
3 复合土钉墙的力学机理和稳定计算
3.1 力学机理
复合土钉墙的力学机理与其各组成元素的作用密切相关。在复合土钉墙支护中, 土钉与喷射混凝土对土体起到加固作用和封闭作用;微型桩发挥超前作用和局部稳定作用;截水帷幕的主要作用是截水,但也可同时兼作支挡结构和形成垂直开挖面;预应力锚杆(索)则是将外荷载产生的拉力传递到深部稳定的岩土层中, 利用其潜能达到稳定的目的, 并通过预加应力达到主动加固的效果。简而言之, 复合土钉墙的力学机理可概括为:支护作用与截水作用的结合;浅部土体加固与深部锚拉作用的结合; 开挖后支挡作用与超前支护的结合; 局部稳定与整体稳定的结合。显然, 根据使用目的和支护体系组成的差别, 其作用和受力机理的表现形式是有区别的。
3.2整体稳定计算式
复合土钉墙与普通土钉墙的整体稳定计算公式的最大区别有二点: 一是要考虑帷幕的抗剪作用和预应力锚杆的锚拉作用;二是要考虑各种支护措施之间的协调作用。由于復合土钉墙的各种支护措施,有的是主动受力,有的是被动受力;有的是超前支护,有的是开挖后支护,所以,各种支护措施不可能同步受力,根据已有研究成果,本文推荐用折减系数法来考虑各种构件之间的协调工作。复合土钉墙的整体稳定性计算公式[1] 如下:
+++
式中 Ks ---------整体稳定系数;
[K] ---------整体稳定系数允许值;
Ci---------土体粘聚力,kPa;
---------土体内摩擦角,度;
---------土条滑动面弧长,m;
---------土条重量,kN/m;
---------土钉的抗拔力设计值,kN
---------稳定滑裂面外土钉长度, m;
---------土钉穿越第i 层土土体与锚固体之间极限粘结强度标准值, kPa;
--------预应力锚杆承载力设计值, kN;
--------- 土条滑动面中点切线与水平面夹角,°;
---------搅拌桩、微型桩等间距, m;
--------搅拌桩、微型桩抗剪强度设计值,kPa;
---------预应力锚杆间距, m;
Si---------土钉水平间距, m;
As---------搅拌桩、微型桩抗剪计算面积,m2 ;
-------- 折减系数, 分别取0.5、0.5、0.8;
[K] ---------允许安全系数, 根据工程性质和安全等级按规范确定。
4工程应用
4.1某广场基坑
该工程位于繁华商业区, 基坑深度11.7m, 根据各侧不同环境条件分别采用桩-锚支护, 复合土钉墙支护和普通土钉墙支护。基坑东侧紧邻商业街, 道路下管网密集, 且有6m厚砾砂层。由于地下室外墙距红线只有500 mm, 经多方案比选, 最后采用截水加强型复合土钉墙。与桩锚支护形式比较, 不仅解决了位置紧张的难题, 而且节约工程造价100余万元。地下室顺利完成后,桩顶水平位移12 mm, 沉降20mm, 业主十分满意。
4.2某花园基坑
该基坑设置三层地下室, 开挖深度11.65 m。地质条件较为复杂, 有人工填土层, 埋藏植物层, 淤泥质黏土, 冲洪积粉质黏土, 粗～砾砂层, 残积土等。地下水为滞水～潜水型。周边环境困难, 西侧为多层建筑, 东、南两侧紧邻道路, 管网密集, 道路下有燃气管、给水、污水等七种管道和排洪箱涵经过。根据地质和环境条件, 基坑北、东、南三侧采用截水型加強复合土钉墙( 深层搅拌桩截水帷幕、土钉、预应力锚索、南侧增加微型桩) , 西侧由于正在施工道路, 所以采用了普通土钉墙。工程实践证明, 该基坑在服务期内安全稳定, 基坑周边实测变形值均在规范允许范围内, 确保了周边建筑、道路和管网安全。复合土钉墙支护比桩- 锚支护节约工程造价约300万元。该基坑支护设计获深圳市优秀岩土工程设计二等奖。
5 结束语
大量的工程应用表明，在地质条件较复杂的地方，复合土钉墙具有传统土钉墙无法比拟的优点。复合土钉墙极大地扩展了土钉墙技术的应用范围，成为基坑开挖支护中一种很有竞争力的技术手段。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。