仰斜超前微桩复合土钉墙支护机理分析

刘学会，王 辉，徐孟龙

(河南理工大学 土木工程学院，河南 焦作，454000)

复合型土钉墙支护体系克服了很多土钉墙的使用局限性，近年来在我国得到了很大的发展。同时微型桩的超前支护技术由于在基坑开挖时能有效改善开挖面土体自立性，且对于基坑变形能进行较好地控制，近年来也得到了较广泛的应用[1]。但在砂土、碎石土及松散填土的复合土钉墙支护中，以往的研究一直都是微型桩与土钉墙面层贴合的垂直墙面，但是垂直墙面又较仰斜墙面土压力增大，所以既能减小土体土压力而又能结合前两者优点的支护技术有待更多探讨。

采用仰斜式微桩复合土钉支护明显有助于减小主动土压力，从而控制局部失稳现象发生。仰斜超前微桩复合土钉支护体系有效地改善了普通土钉支护结构的缺点，并对支护技术应用范围的拓展起到了重要作用。另外将仰斜微桩与复合土钉支护相结合同时运用超前加固技术可以较好地改善基坑局部土体的稳定性。因此对仰斜超前微型桩复合土钉支护结构进行深入系统的研究具有重要的理论意义和工程实用价值。

1 仰斜超前微桩复合土钉墙支护介绍

仰斜超前微桩复合土钉支护技术采用仰斜式微桩结合复合土钉支护，同时运用超前加固技术形成仰斜式超前微桩复合土钉支护体系。不同于普通微桩复合土钉支护的地方在于该支护体系具有微桩仰斜、超前支撑以及微桩与复合面板相结合等特性。由工程实践表明，在土钉支护体系基础上加上微型桩可以提高支护结构的整体性[2]。采用仰斜式的微桩设计可以减小土体主动土压力。再者将仰斜微桩与复合土钉支护相结合同时运用超前加固技术可以较好地改善基坑局部土体的稳定性[3]。

以黄泛区某基坑开挖与支护方案设计为例，结合现场实际情况，该工程基坑开挖设计深度为9.5m，基坑放坡系数取为1∶0.2。该基坑开挖与支护方案示意如图1。

图1 基坑开挖与支护方案示意图Fig.1 Schematic diagram of foundation pit excavation and support scheme

1)基坑开挖方案

基坑开挖按照支撑设置情况从上至下分层进行[4]，严格遵循“开槽支撑、先撑后挖、分层开挖、严禁超挖”的原则，制定基坑开挖步骤如下：

第一步：开挖土体至-2.0m；

第二步：进行第一排土钉及钢筋网片喷射混凝土的施工，养护7天；

第三步：开挖土体至-3.5m；

第四步：进行第二排土钉及钢筋网片喷射混凝土的施工，养护7天；

第五步：开挖土体至-5.0m；

第六步：进行第三排土钉及钢筋网片喷射混凝土的施工，养护7天；

第七步：开挖土体至-6.5m；

第八步：进行第四排土钉及钢筋网片喷射混凝土的施工，养护7天；

第九步：开挖土体至-8m；

第十步：进行第五排土钉及钢筋网片喷射混凝土的施工，养护7天；

第十一步：开挖土体至-9.3m；

第十二步：进行第六排土钉及钢筋网片喷射混凝土的施工，养护7天；

第十三步：人工开挖土体至-9.5m。

2)基坑支护方案

具体支护方案如图2。

图2 仰斜超前微桩支护示意图Fig.2 A schematic diagram of the support of tilt leading micro pile

基坑的支护方式为仰斜超前微桩复合土钉进行支护，即在基坑开挖前，先沿着基坑开挖面(1∶0.2)钻出直径为90mm的孔，钻孔孔底标高-10.5m，即超过基坑坑底设计高程1m，钻孔完成后安装镀锌钢花管[5]。在钢花管中灌注水泥浆，并且使浆液通过出浆孔流入孔洞内，使钢管与水泥浆粘接形成一个整体，从而增强钢管桩的抗弯能力，初次灌浆压力设定为0.1MPa，二次灌浆压力设定为2.0MPa。养护7天后按照基坑开挖方案进行开挖和支护。

2 放坡卸载机理

图3 挡土墙与三角滑动土体Fig.3 Retaining wall and triangular sliding soil

库伦土压力理论是根据挡土墙后的静力平衡条件进行分析。假设挡土墙体属于刚性的，当土体在挡土墙的支挡下达到极限平衡时，墙后的土体以三角楔体的形式沿着滑动面或者墙背向下滑动[6]，如图3所示。根据挡土墙后三角状楔体的力学平衡条件，可得出墙背所受到的库伦主动土压力。

库伦主动土压力公式Ea：

γ为墙后填土的重度，kN/m3；H为挡土墙高度，m；Φ为墙后填土的内摩擦角，(°)；ε为墙背的倾斜角，(°)；β为墙后填土面的倾斜角，(°)；δ为墙背与填料间的摩擦角，(°)；Ka为库伦主动土压力系数。

由库伦主动土压力公式可以得出，主动土压力主要与土体重度、挡土墙高度以及库伦主动土压力系数有关。在前两个参数保持一定时，库伦主动土压力又主要与库伦主动土压力系数有关。另外，在土体内摩擦角和墙背与土体的摩擦角一定的情况下，支挡墙体所受到的库伦主动土压力就仅仅与墙背与垂线的夹角ε相关。经过代入具体参数验算以及查表容易得出，在其他参数一定时，墙背与垂线夹角ε为负值时的主动土压力系数均比ε为正值或零时小(ε自垂线起，顺时针为负，逆时针为正)。具体数据见表1所示。也就是说采用仰斜式支挡结构要比垂直式支挡结构的支挡体所受到的库伦主动土压力小[7]。这也是超前微桩复合土钉支护要采用仰斜式的主要原因。

表1 主动土压力系数Ka取值表Table 1 The active earth pressure coefficient Kavalue table

墙背与垂线的夹角ε土体内摩擦角φ20°25°30°20°0.6480.5690.49810°0.5600.4780.4070°0.4900.4060.333-10°0.4330.3440.270-20°0.3800.2870.212

注：表中数据为土体表面与水平面夹角为零，墙背与土体的摩擦角为零时得出。

3 超前加固机理

3.1 超前支撑机理

超前微桩指的是在基坑还未开挖时，沿开挖边线的位置先设置一排微型桩，微型桩布设距离视工程情况而定，待微型桩成桩稳定以后，再沿边线进行开挖。在开挖的过程中进行土钉的布设和钢筋混凝土面板的浇筑，这样就完全不同于原来传统的土钉墙支护方式。传统土钉墙支护方式都是先进行完整的基坑开挖，开挖以后再进行土钉设置与混凝土面板的浇筑。但是这种支护方式有着明显的缺点，当开挖完成但还未进行支护时，基坑上部不稳定土体很容易出现局部失稳现象。而超前支撑是先进行微桩的设置，即在基坑未开挖时就开始基坑边坡的支撑[8]。这样超前支撑的变形机理也就完全不同于传统的先挖后撑的变形机理了。在基坑浅层土体开挖过程中，由于微型桩嵌入土体的深度比较大，且微型桩自身强度刚度都较大。这时进行浅层土体的开挖，由于微型桩的支护作用几乎不会出现较大的变形。与此同时进行土钉的设置，以及钢筋混凝土复合面板的浇筑，浇筑完成后便形成了浅层复合土钉墙的完整支护。这样一层层的向下边开挖边支护，待开挖到基坑底部时，虽然此时微型桩在坑底的嵌固端变小，且土体产生了向较大变形发展的趋势。但由于上部已经进行了较完整的支护，土钉与复合面板上部支护段也开始了协同受力，这样便较好地阻止了土体的局部变形。直到土钉与复合面板一直布置到基坑底部，则完成了整个超前支撑的过程[9]。所以超前微型桩复合土钉支护相比传统支护的基坑边坡土体变形要小。

3.2 预注浆加固机理

把浆液通过压送注入到岩土体中，浆液可以通过挤密压实使得岩土体密度增大，岩土体中空隙相应减少，较好地改善了土体的力学参数，这就是预注浆工法。仰斜超前微型桩便应用到了这一工法。对于砂层而言，主要是渗透注浆为主，基本符合球形扩散理论(Maag理论)。

图4 球形渗透注浆示意图Fig.4 Spherical osmotic grouting diagram

在砂层地基注浆中，渗透理论以Maag扩散公式和柱形扩散公式运用最广，其扩散公式如下：

式中：R为扩散半径，cm；r0为注浆头半径，cm；p为注浆压力，厘米水头；k为砂土渗透系数，cm/s；t为注浆时间，s；n为砂土孔隙率；β为浆液粘度对水的粘度比。

浆液以钢花管上的小孔作球形扩散，通过加压，挤密渗透进周围的土体，充满岩土体中的裂隙。事实上钢花管周围的土体通过浆液的挤密发生了塑性变形，浆液与土体共同作用形成了“水泥土”。而钢花管较远处的土体则通过压实发生了弹性变形。也使得土体进一步进行了压实，土体孔隙比减小，密度增大。待到浆液凝固以后与土体共同作用，拥有一定的强度以及较大的密度，这样便可共同抵抗变形以及应对雨水的冲刷。

总结来看预注浆主要通过以下两个方面进行加固：

1)浆液利用钢花管壁上的圆形钻孔，通过球形扩散对钢花管周围岩土体进行挤密，压实。使得岩土体孔隙减少，密度增大，土体的性质得到较大的改善。较好的改善了滑面处土体的抗滑性。

2)由于水泥浆充填岩土体使其密度增大，孔隙减少，其渗透系数也相应减小，便能够较好地起到抵抗地表水渗入的作用。

3.3 注浆体与微桩共同作用机理

微型桩的注浆除了浇筑在钢花管内以及钢花管形成钢管混凝土外，还渗透到管外土体中，在桩身周围形成“水泥土”结构。管外的注浆体不仅与钢管一道使其强度增加，还增加了土体的强度，同时注浆体与钢管桩共同作用产生连接效应。微型钢管桩与桩间土连接形成了一个体系，可称之为微型钢管桩与桩间土的复合结构。同时荷载也由整个体系共同承担，这种承载状态可类比于钢筋混凝土结构。微型钢管桩相当于混凝土结构中的钢筋，而注浆体相当于混凝土。这种注浆体与微桩的组合结构可以很有效地共同抵抗桩后土体的主动土压力。事实上在微型桩形成的支挡体系中微型桩主要承担应力的传递作用，桩后土体压力通过直接作用以及土钉的间接传力传递到面板，微型桩与注浆体起到应力的传递和分散作用[10]。将上部不稳定岩土体产生的应力传递到下部稳定的岩土体中，减小应力集中效应，以此达到了稳定基坑边坡的效果。

另外由于浆液向土体的渗透作用，滑坡中的一部分滑动体也被加固成了抗滑体，与注浆体以及密布的微型桩一道共同受力。同时由于浆液的吸水以及黏聚性质，土体使得滑土体的性质得到改善，减少了水的渗入，也有效地提高了支护体的稳定性。

4 复合面板机理和面板自承重机理

4.1 复合面板机理

传统的复合面板是由钢筋网喷射混凝土组成，是复合土钉墙支护不可或缺的组成部分。在基坑支护中复合面板起着重要的作用，复合面板与土钉全部连接在一起。面板除本身承受一部分应力以外，还主要起着分散土钉应力的作用。当有个别的土钉达到应力极限状态时，面板可以有效的减小土钉应力集中效应，起到重要的调节作用。

仰斜超前微桩复合土钉墙支护的复合面板除传统组成外，还将微型桩与面板衔接在一起。这样复合面板除起到原有复合面板应有作用外，其强度也得到很大提高。基坑边坡产生的侧向应力通过土钉传到复合面板，同时应力将均匀分散在复合面板上。而由于微型桩与复合面板是连接到一起的，微型桩同时在复合面板中相当于强度与刚度较大的加强筋。应力会沿着微型桩进一步传导，直到到达微型桩底端。

4.2 面板自承重机理

仰斜式土钉墙支护面板由于面向土体有一定的倾角，则面板的自重亦会有部分直接作用于土体[11]。在深基坑支护中，挡土墙后土体本身就属于滑动体。在一般的挡土支护中，土体在支挡结构中下部会出现有隆起的现象，这种倾斜的挡土墙由于部分自重直接作用于土体，则加重了土体隆起的程度。

仰斜超前微桩复合土钉墙支护由于把复合面板与微型桩共同浇筑在一起，微型桩底端嵌固在基坑底部土体中。当混凝土面板固结完成后，面板与微型桩形成了一个整体，支护面板的一部分自重通过浇筑一体的微型桩传到了基坑底部。这样便可以较好地减轻基坑可能发生的下部隆起现象。

5 结论

将微型桩超前支护技术与传统仰斜式土钉墙相结合，构造了仰斜式超前微桩复合土钉墙支护体系。并基于国内外土钉墙及复合土钉墙支护技术研究，探究了仰斜超前微桩复合土钉墙支护体系的放坡卸载机理、超前加固机理、复合面板机理和面板自承重机理，得出了以下3点结论：

1)仰斜超前微桩复合土钉墙支护体系通过采用仰斜设计，相比垂直式支挡结构可以有效地减少支挡体所受到的土压力。

2)采用超前支撑，预注浆加固技术，由于 “边支撑边开挖”可以较好地阻止土体局部变形，且预注浆加固通过凝固的浆液与土体的协同作用可以共同抵抗变形。

3)仰斜超前微桩复合土钉支护将微型桩与面板衔接在一起。这样复合面板除起到原应有作用外，由于有微型桩的加入，其强度也得到较大提高。