基坑土钉墙支护稳定性分析中应注意的问题

罗小平

(中铁隧道勘测设计院有限公司,天津 300133)

在基坑开挖过程中,将土钉置入原状土体中,并在支护面上喷射钢筋网混凝土面层,通过土钉、土体和喷射的混凝土面层的共同作用,形成土钉墙支护结构。土钉墙支护适用于地下水位以上或经过人工降水后的黏性土、粉土、杂填土及非松散砂土和卵石土等。由于其经济可靠且施工快速简便,现已成为继撑式支护、排桩支护、连续墙支护、锚杆支护之后又一项较为成熟的支护技术,在国内外都得到了迅速的推广和应用。北京庄胜广场深基坑支护的两个对边长度分别达到了130m和270m,深13～16.5m[1]。尽管该技术应用较为广泛,但其理论研究却落后于工程实践。与国外比较,设计计算方法较为粗糙,施工技术水平不高,还缺乏对土钉支护技术的深入的系统研究。本文针对土钉整体稳定性分析所采用的计算方法,提出基坑土钉墙设计施工中应注意的一些问题。

1 土钉墙整体稳定性分析方法

按照《建筑基坑支护技术规程(JGJ120—99)》[2]的规定,土钉墙支护设计中主要包括土钉抗拉承载力计算和土钉墙整体稳定性验算。通过对土钉失稳及破坏的现场观察可知,几乎所有土钉支护的破坏均为杆体被拉出或地表裂缝,而极少有土钉被拉断的现象。土钉支护的整体稳定性分析是评价支护结构是否正常工作的一个重要方面,在土钉的设计中具有极其重要的地位。

1.1 我国规范规定方法

现有设计一般采用《建筑基坑支护技术规程(JGJ120—99)》中给出的方法。规程中方法把土坡的稳定性分析方法引入土钉支护的分析计算中来,即圆弧滑动条分法,同时把土钉的作用考虑进去。土钉墙根据施工期间不同开挖深度及基坑底面以下可能滑动面,采用圆弧滑动简单条分法按下式进行整体稳定性验算

式中 γk为整体滑动分项系数(其余符号意义见文献[2]),规程规定一般可取1.3。对土体强度指标而言,较难准确应用概率统计方法,我国在土坡稳定以及锚杆支护设计中仍沿用总安全系数设计方法。按圆弧滑动条分法,计算时将土钉和土条分开考虑,分析土条所受作用力时不考虑土条侧边力和土钉的影响。(1)式只是在一般素土土坡的稳定性计算公式中迭加了土钉对滑移面上抗剪能力的贡献。由(1)式或其他方法如简化的Bishop法[3]、对数螺旋曲线滑移面法等得出的安全系数值,由于忽略了每一土条侧边上的内力影响,一般偏于保守。

1.2 圆弧滑动条分法的缺陷

将圆弧滑动法应用于 φ＞0的黏性土,滑动土体竖直分成若干刚性土条,取土条abcd分析,如图1所示。取第i个土条分析,其中 W为土条自重,E、S为条块间法向力和切向力,h为E到滑移面的距离,P、T为滑移面上的法向力和切向摩阻力,x为P作用点离土条左边的距离,l为该土条对应的圆弧段长度。由静力平衡原理

其中 γk为安全系数,φi、ci为圆弧滑移面处土的内摩擦角和黏聚力,从而由第1条土块的边界条件依次推出各土条的内力。

对n个刚性土块,条块间各界面上的未知量共为3(n-1)个,滑移面上的未知量为3n个,加上安全系数FS,总共有6n-2个未知量,而(2)式只提供了4n个平衡方程,故问题是超静定的,还需给出2n-2个方程。当条块宽度较小时,可以认为滑移面上的法向力P作用于该条块滑移面的中点,这样待求未知量仍比所能建立的方程多n-2个。

为了求解,必须作出其他假定。这些假定包括假定土条左右面的剪力互相抵消、假定条块间作用力的方向或条分面上剪力和水平推力的比值为已知函数、假定推力线的位置等[3～5]。但是,这种假定情况下方程(2)得出的内力解不能反映图1的平衡真解。而从固体力学观点出发,求解上述超静定问题的根本方法是引入变形协调条件和土体的本构关系,这也正是现在使用的条分法理论上的根本缺陷所在。

当支护内存在地下水时,必须提供沿滑移面的孔隙水压力,作为说明支护结构稳定问题的部分数据。在瑞典法中,土条孔隙水压力是从简单的物理假定中估算出来的。在Bishop法和Janbu法中,用于估算土条孔隙水压力的假定不能用简单的物理术语来解释。没有任何一种估算的土条孔隙水压力的分布接近于实际分布。除了瑞典法之外,实际的孔隙水压力值与假定值之差增大了滑动面上的平均法向压力值。该值增大了滑动面上可发挥的剪切力,因此安全系数的计算值增大。条分法计算的发展,迄今还没有正确考虑会导致百分之几十误差的渗流场问题。

图1 条分法计算模型单元

2 土钉支护设计施工中应注意的问题

2.1 强调概念设计

支护结构的滑移的确沿某一滑移面运动,但这仅是最终结果的外在现象,而基坑支护失稳滑移的内在原因在于基坑边坡开挖过程中产生的次生应力场。对于土钉支护设计来讲,目的是要使土钉足以稳定基坑边坡的运动,而条分法过多的考虑滑移面的位置和形状,且其忽略了开挖过程中和开挖后土体内最终次生应力场的分布和土的本构关系,这正是土钉支护的设计根本所在。所以现有土钉支护设计无法正确认识土钉支护对边坡稳定性的真正作用,也无法对土钉所产生的次生应力场对边坡失稳趋势的次生应力场的影响作出正确判断。

因此,基坑土钉墙支护设计应强调其概念设计,土钉支护设计一定要按承载力、变形和稳定性要求的原则执行,充分认识其复杂性,科学对待其风险性。弄清土钉支护结构的适用条件,注重支护方案的选择和优化以及周围环境的影响。由于圆弧滑动条分法的缺陷,设计中应同时采用不同思路的计算方法对支护进行验算,如应用重力挡土墙极限平衡分析方法或根据经验直接给出土钉支护内部的侧向土压力等。

2.2 考虑施工阶段效应

基坑开挖产生临空面后,非支护条件下的边壁土体随后产生变形直至滑移破坏,条分法假定其破坏模式为圆弧型。试验研究表明,圆弧滑移面的最终形成有一个萌生—发展—完成的演变过程,它受控于介质物理力学性质,并与掘支方法及效率、基坑空间尺度、水患条件、施工质量和管理水平等密切相关。在某一开挖深度条件下,坑壁产生滑移具有某种随机性,即可能出现滑移线簇。但最危险和最先产生的滑移线只有一条,称之为优势滑移线,相应的滑移面称为优势滑移面。基坑优势滑移线随基坑下挖而转移,在不同开挖深度上具有不同的优势滑移线,利用条分法进行优化设计得到的优势滑移控制面值得怀疑,因为这种做法必须以分析理论的正确为前提。施工过程对支护性能有显著影响[6],支护失稳过程中土体滑移面上的各个土钉不一定象假定的那样能够同时达到各自的最大抗力,而且土钉的作用使滑移面后移,圆弧滑动条分法也没有加以考虑。

滑移面的选取对于土钉墙设计是十分重要的,稳定性计算也应充分考虑施工阶段效应,根据施工期间不同开挖深度及基坑底面以下可能滑动面进行验算。

2.3 土钉支护设计参数的选取

土钉支护设计参数包括土钉间距、长度、倾角和坡面倾角,文献[7]研究了上述参数对稳定性安全系数的影响。基于此和对基坑边坡开挖次生应力场的认识及现场实践,土钉墙设计应结合计算分析考虑设计参数的选取原则和采取一定的构造措施。

(1)土钉长度

沿支护高度,土钉内力相差较大,一般为中部大,上部和底部小,中部土钉起的作用大。在基坑上部的土体往往是填土,而且经常有各种形式的超载存在,所以这一部分的土钉应加密,水平间距最好在1.2m以下,土钉长度应确定为最长。这一原则与条分法所得结果一样,但依据的原理不同。土钉加密是为了使松散性质的填土强度得以提高,从而提高填土承受基坑超载的能力,起到加固作用。土钉的加长是为了提高土钉支护的抗倾覆能力和减少支护结构水平位移。

在基坑下部,按照条分法的滑移线,该处土钉长度应最短,但是基坑开挖的过程实际是土体应力逐渐释放的过程,在基坑底部由槽底和边坡形成的坡角恰好是应力集中区,应力出现峰值,从而可能造成该处土体进入塑性状态,使其强度降低,而且越接近基坑底部,土体受上部压力也越大,土体越密实,开挖造成的次生应力也越大,从而导致边坡潜在滑移面上的剪应力越大,临近破坏时土钉应力急剧增加。所以土钉的长度要穿过由于开挖造成的应力集中区,不能过短且要尽可能加密土钉。底部土钉对抵抗基底滑动,倾覆或失稳有重要作用,另外当支护结构临近极限状态时,底部土钉的作用会明显加强。因此将上下土钉取成等长,或顶部土钉稍长,底部土钉稍短是合适的。

一般对非饱和土,土钉长度L与开挖深度H之比L/H=0.6～1.2,密实砂土及干硬性黏土取小值。为减少变形,顶部土钉长度宜适当增加。非饱和土底部土钉长度可适当减少,但不宜小于饱和软土,由于土体抗剪能力很低,土钉内力因水压作用而增加,设计时取L/H＞1为宜。

(2)土钉间距

土钉间距的大小影响土体的整体作用效果,目前尚不能给出有足够理论依据的定量指标。土钉的水平间距和垂直间距一般宜为1.2～2.0m。垂直间距依土层及计算确定,且与开挖深度相对应。上下插筋交错排列时,遇局部软弱土层的情况下间距可小于1.0 m。基坑顶部和底部宜按前述原则适当加密。

现有的设计方法都是基于平面应变假设,仅能描述土钉墙横向剖面效应,无法描述土钉墙纵向连接的效应,所以土钉水平加密的效果在计算中无法反映,设计者只能靠经验来判断。单个土钉是不能抗弯和抗剪,但孤立的看待土钉的作用是不全面的,实际上将土钉间距减小,密集的土钉层板呈15o插入边坡内构成系统,对基坑边的超载或建筑物有关键性的保护作用,尤其对边坡向坑内的运动有较强的约束作用。

(3)土钉倾角

土钉水平倾角一般为0°～20°,倾角大小取决于注浆钻孔工艺与土体分层特点等多种因素。研究表明,倾角越小,支护的变形越小,但注浆质量较难控制。倾角越大,支护的变形越大,但倾角大有利于土钉插入下层较好的土层内。注浆材料一般用水泥砂浆或水泥素浆。水泥采用不低于425号的普通硅酸盐水泥,水灰比为1∶0.4～1∶0.5。

土层参数差别较大时,必须考虑土层的分布情况,计算中取其平均值设计是不合理的,施工中易造成土质软弱层出现裂缝。对于土质特别差如淤泥质粉质黏土,土钉与土体间摩阻力太小,土钉不能提供有效的抗拉力,应将土钉视作锚杆,加长土钉长度,同时加大角度,充分利用下层土的摩阻力来提供抗拨力。

(4)地下水影响

在深基坑工程中降水是土钉支护成功的最大保证,如果基坑降水不理想,就会在基坑坡角内聚集有地下水,这将是土钉支护的最大隐患,设计时应引起足够重视。这就要求在满足稳定性验算的基础上,对基坑下部的土钉还要有构造要求,通过土钉使边坡与未被扰动的槽底相互连接。对于土的力学性能参数c、φ值,当有地下水作用或工程降水后短期内未能充分固结时,应取直接快剪或三轴不固结不排水剪峰值强度指标。

当地下水位高于基坑底面时,应采取降水和截水措施。土钉墙顶应采用砂浆或混凝土1～2m宽的护面板。坡顶和坡脚应设排水措施,坡面上可根据具体情况设置泄水孔。

2.4 信息化设计施工

土钉技术的一个关键的优点是信息化设计施工,可以根据现场开挖发现的土质情况和现场监测的支护位移、地表开裂状态、附近建筑物和重要管线等设施的变形、基坑渗漏水和基坑内外的地下水位变化等数据,及时修改土钉的设计参数和采取加固措施。施工时进行监控量测(见表1),将现场测量的数据、信息及时反馈,以修改和完善设计,使设计达到优质安全、经济合理。

表1 监控量测

3 结束语

土钉支护稳定性计算采用的圆弧滑动条分法存在一定的缺陷,工程设计施工应结合具体的地质和环境条件选取适合的支护参数,不能单纯的依靠计算解决工程问题。土钉墙稳定性计算关键要解决土的本构关系及土钉和土体间的变形协调条件。我们必须将注意力转移到对松散介质力学方向的研究上,任何计算方法都不能脱离坚实的基础理论;尽可能的将有限元方法引入到土钉支护设计中,充分应用岩土介质的非线性力学;岩土工程模糊性、不确定性、随机性的性质决定了工程实践经验仍是不可或缺的。

[1]陈肇元,崔京浩.土钉支护在基坑工程中的应用[M].北京:中国建筑工业出版社,2000

[2]中华人民共和国建设部.建筑基坑支护技术规程(JGJ120—99)[M].北京:中国建筑工业出版社,1999

[3]Bishop A W.The Use of the Slip Circle in the Stability Analysis of Slopes[J].Geotechnique,1995(5):7-17

[4]Morgenstern NR,Price V E.The Analysis of the Stability of Generalised Slip Surfaces[J].Geotechnique,1965,15:79-93

[5]Janbu N.Slope Stability Computations[J].Embankment Dam Engineering,Casagrand Volume,1973:47-86

[6]曾宪明,等.土钉支护设计与施工手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2000

[7]张明聚,等.土钉支护设计的修正条分法[J].工程勘察,1997(6):1-5