松软地层基坑工程中的复合型土钉支护技术

松软地层中基坑工程的复合型土钉支护摘要：复合土钉支护作为一种基坑支护型式，由于变形较小、工程造价低廉，近年来在工程实践中得到了广泛应用。本文总结了各种复合土钉支护的型式，并着重阐述了松软土层、高水位地区复合土钉支护的变形机理和稳定分析研究。根据现场观察，复合土钉支护的变形按照裂缝产生的位置、规模和先后次序可以分为3个阶段。本文对每个阶段裂缝的产生机理做了分析，并提出了针对的措施，以确保基坑稳定。同时本文对三个裂缝阶段之后产生的两个破坏阶段亦加以描述和分析。本文提供了两种计算复合土钉支护稳定性的分析方法：双圆弧滑动法和强度折减法。双圆弧滑动法是基于简单条分法的一种改进方法。该方法考虑了复合土钉支护的滑裂面不是一个完整的圆弧，基坑边坡与坑底是两个半径不同的圆弧。这两组圆弧在搅拌桩处光滑连接。该方法经过大量的实践证明是可行的。分析复合土钉整体稳定性的另一种方法引入了边坡稳定性分析中采用的强度折减法，不考虑土钉－土体接触面的强度折减，仅考虑土体强度折减。同时，文中指出按照传统方法计算复合土钉支护的抗倾覆、抗滑移稳定性没有必要。关键词：基坑工程；复合型土钉支护；变形机理；双圆弧滑动法；强度折减法TheApplicationofCompoundSoilNailWallofExcavationsinSoftSoilAbstract：Thecompoundsoilnailingwall(CSNW)isanewstyleofbracingoffoundationpit.Thismethodiswidelyusedintheprojectpracticeinrecentyearsbecauseoftheexcellentbehaviorandcheapcost.ThestylesofdifferentCSNWisintroducedinthispaper.AndtheresearchofthedeformationmechanismandanalysisofglobalsafetyoftheCSNWemployedinsoftsoilisemphasized.AccordingtotheobservationofmanyCSNWproject,itisconcludedinthispaperthattheprocessofcracksdevelopedontheslopcouldbedividedintothreemainphase.Andtheexplanationofcauseofeachcrackphaseisdescribed.Thecountermeasurefordealingwitheachcrackphaseisrecommendedtosecurethestabilityoftheexcavation.TwomethodsforcalculatingtheglobalstabilityoftheCSNWisintroduced.Oneisthe“double-circle”slicemethod,whichisamodifiedmethodbasedonthetraditionalmethod.Thepropositionthatthefailuresurfaceiscomposedoftwocircularsurfaceisintroduced.Thesetwocircularsurfaceconnectsmoothlyinthepositionofdeepmixingpile.Withthisproposition,theanti-slideattributionofthesoftclayinthepassiveregionisconsideredproperly.ThismethodhasalreadybeenemployedtodesignalotofCSNWproject.Anothermethodtocalculatetheglobalsafetyfactorisshearstrengthreductionmethod.Thismethodisbecomingmoreandmorepopularintheregionofslopstabilityanalysis.TointroduceittotheregionofCSNW,thestrengthoftheinterfacebetweenthesoilandnailisnotconsidered.Aprojectcalculatedwithshearstrengthreductionmethodisdescribedinthispaper.ItisalsopointedoutinthepaperthatthemethodemployingravitywallanalysisisnotsuitableofCSNW.Keywords：Excavation；CompoundSoilNailWall；deformationmechanism；double-circleslicemethod；strengthreductionmethod1．概述土钉作为一种基坑支护型式，由于基坑变形较小，工程造价低廉，近年来在工程实践中得到了广泛应用。虽然我国在土钉的研究和应用方面晚于国外，但应用数量之多，型式之多样，理论研究之深入，都处于领先水平。尤其是自上世纪九十年代发展起来的复合型土钉支护，更是扩展了土钉支护的应用范围；以前被视为土钉应用禁区的高水位、松软土地层中现在广泛采用复合型土钉作为基坑的支护手段。可以说，复合型土钉支护是为了适应不同的地层条件、不同的环境要求和不同的基坑开挖深度而快速发展起来的[1]。工程中应用较多的复合型土钉支护型式概括起来有以下几种：1.1土钉与水泥土搅拌桩或高压旋喷桩组成的复合支护该型式主要用于高水位松软地层中，使用水泥土搅拌桩排形成基坑的隔水帷幕，同时也作为对开挖土体的超前加固，可以明显减少坑底软弱土体的隆起。这种型式在沿海地区，如上海、江苏、浙江、福建、广东等地区的湖、海相沉积地层中应用广泛。该地层地下水位较高且有一定的透水性，土体的抗剪强度指标较低。复合型土钉支护用于开挖7m以内的基坑工程相当成功，已作为一种首选支护型式而被广泛采用。1.2土钉与土层锚杆组成的复合支护为了限制基坑边坡的位移量，在土钉支护中，设置一定数量的预应力锚杆（包括可以施加预应力的自钻式锚杆），通过施加预应力约束土体变形，效果比较显著。1.3土钉与桩-锚（支撑）系统组成的复合支护开挖8～10m的基坑时，为了发挥上层土体自身的强度，而对上层土体采用土钉支护，下层土体采用桩锚结构或桩加支撑的支护体系。这种复合支护型式在上海、北京、杭州、大连、广州及烟台等地均有采用，经济性、安全性各方面效果均比较显著。1.4土钉与微型桩组成的复合支护在有些沿海地区如宁波、台州、温州等地，存在深厚的淤泥地层，土体虽然饱和含水，但渗透性差。这类基坑开挖中的主要问题是解决坑底的隆起变形。为此在基坑开挖面打一排微形桩，微形桩可以是钢管注浆桩、钢板桩，更多的是采用木桩。该形式虽然对减少坑底隆起和防止边坡坍塌有一定作用，但一般边坡位移比较大。综上所述，复合型土钉支护技术是适应不同工程要求发展起来的。由于复合型土钉支护是传统的土钉支护与其它工艺的组合，所以原先对土钉支护的认识和设计计算方法必须更新和深入探讨。为此，全国的岩土锚固工作者针对以上各种新的复合土钉支护型式进行了大量的研究工作。清华大学较早对复合土钉支护进行了有限元分析[2][3]。解放军理工大学采用非线性平面应变有限元方法对软弱土层中复合土钉支护的变形进行了分析。北京工业大学对复合土钉支护进行汇总，并提出7种作用型式[4]。浙江大学针对超前钢管型复合土钉支护进行了计算分析，提出双圆弧分析方法。所有这些分析多建立在某种假定基础之上，虽然得出了一些有益的结论，但对复合土钉支护的机理没有统一认识。更有甚者，很多工程的设计还是建立在桩－锚结构，荷载－结构体系的分析方法上。本文基于复合土钉支护从变形到破坏的全过程的观察和描述，提出复合土钉支护的人工构成边坡属性，并进行了稳定性分析，以此作为主要手段进行复合土钉支护基坑设计的依据。2复合型土钉支护基坑的变形机理变形机理研究可以通过模型试验和计算机模拟，但更直接、有效的方法是对实际工程变形的发展全过程进行跟踪观察。根据上海地区多年来设计和施工的经验，可以总结出复合型土钉支护地表裂缝的发展基本上分为三个阶段，如图1~3所示。而包含以上的裂缝产生过程，复合土钉支护从裂缝的逐条产生、持续发展到最后的破坏可分为五个阶段，如图1~5所示：图1第一条地面裂缝的产生Fig.1Thefirstcrackdevelopedontheslope图2第二条地面裂缝的产生Fig.2Thesecondcrackontheslope图3第三条地面裂缝的产生Fig.3Thethirdcrackontheslope图4第三条裂缝持续发展伴随坑底隆起Fig.4Thethirdcrackkeepdevelopingwithbottomupheave图5伴随搅拌桩剪断复合土钉支护发生整体破坏Fig.5CSNWfailswiththeDeepMixingPilesbroken2.1第一阶段：基坑尚未开挖到底，就在搅拌桩后出现第一组裂缝；通常情况在开挖至1.8m～2.0m深，施作第一排土钉时如果注浆过程压力偏高或注浆量偏大，在水泥土搅拌桩与土的交界处就会产生一条地表裂缝，也可能在施工完第一排土钉开挖第二层土体时产生、裂缝宽度3～5mm，深度50cm左右，不会发展成危险裂缝，但必须及时封堵，不使地表水渗入，从而恶化土钉受力条件。该裂缝通常是由于搅拌桩和桩后土体的刚度相差较大导致的，同时与土钉注浆压力也有关。2.2第二阶段：基坑边坡土体在沿角度方向的潜在滑裂面与坑外地表面相交位置出现第二组裂缝；第二组裂缝，可以认为是随着基坑开挖深度的增加，土体自身的强度逐渐发挥，并达到了较高的应力水平而产生的裂缝。通常宽度3～30mm，深度500～1000mm。对该阶段滑裂面的推测，如图2所示。对于没有土钉支护的土质边坡，第二阶段显示的滑裂面就是最危险滑裂面。但是由于土钉的加固作用，这条潜在滑裂面以上的土体不会沿该面滑动。该裂缝可能成为地表水灌入地下的通道，增加静水压力，降低土体强度，因此应及时封堵。2.3第三阶段：基本上是在土钉末端位置，地表出现一条竖直的第三组裂缝，且裂缝比较深，同时坑底墙趾前2～3m左右隆起一个“小土包”。如果设计有一定安全度，施工也比较谨慎，该组裂缝不会产生或比较细微。但当设计安全度偏低，或施工中有超挖，地面超载过大等现象，第三组裂缝就会产生且十分明显。裂缝通常在土钉的末端部或靠近端部1～2m处，往往产生于基坑单边长度中部呈弧形分布。第三组裂缝的出现说明土体强度已充分发挥，土钉作用也充分调动，基坑接近极限平衡状态。所以必须尽量避免该裂缝的出现。如果该组裂缝出现则必须及时采取抢救措施。2.4第四阶段：第三组裂缝持续发挥发展，两侧土体产生高差，基坑底部有隆起。坑底土体的岭状隆起通常在距围护水泥桩2.0m处，表明第三组裂缝即最危险滑裂面已接近贯穿全部土体，边坡滑动破坏将在很短时间（可能几分钟）内发生。此时需要立即进行基坑回填。2.5第五阶段：水泥土搅拌桩被剪断，滑裂面完全贯通，土体下滑。边坡破坏后，可观察到明显的滑弧，此时土钉并没有完全拔出，但是土钉注浆体与周围土体的锚固作用已经完全发挥，土钉产生弯折，如图6所示。图6基坑整体破坏后土钉形态Fig.6TheshapeofsoilnailsafterCSNWfails通过以上描述可以得出结论，复合型土钉支护的基坑的失稳是比较典型的边坡破坏，这种边坡为人工加固的边坡——边坡的构成要素为：边坡范围的土体、作为超前支护的水泥土搅拌桩，以及注浆土钉。这三者共同提供了抵御边坡滑动的抵抗力矩。分析计算表明：通常情况下由土体的抗剪能力构成的抵抗力矩约占全部抗滑力矩的50%以上，由水泥土搅拌桩的抗剪能力构成的抵抗力矩约占全部抗滑力矩的20～25%，由土钉的作用产生的抵抗力矩占全部抗滑力矩的25～30%。此外，土钉的一个重要作用是将土体联成整体，促使潜在的滑移面往后转移，使更多的土体参与抗滑。3复合土钉支护的整体稳定性计算既然复合土钉支护具有边坡的属性，那么计算边坡稳定的常用方法，主要是条分法，就可以移植到计算中来。通过工程实践，本文主要推荐两种计算整体稳定性的方法：双圆弧滑动法和强度折减法。前者基于极限平衡理论，是对传统的简单条分法的改进，适用于工程设计；后者是基于弹塑性有限元法（有限差分法）数值分析，适用于理论研究和复杂工程问题的定性分析。3.1双圆弧滑动法双圆弧滑动法作为对简单圆弧滑动法的改进，主要是考虑由于搅拌桩的作用，滑裂面在搅拌桩处的的曲率发生变化（如图7所示），滑裂面在坑底处半径由R0变为R1（R1<=R0）。图7计算边坡稳定的双圆弧法示意图Fig.7Thesketchmapofdouble-circleslicemethod在没有搅拌桩超前支护的土钉支护中，滑弧接近单一的圆弧。但是在复合土钉支护中，搅拌桩（在计算中按土条考虑）的作用除用来增加土的自立性和不透水性外，由于其刚度与周围土体相差较大，会破坏滑裂面圆弧的单一性。对失稳基坑的观察也发现：在坡脚前有限的距离内（2~3m左右）隆起剧烈。因此可以推测，滑裂面以搅拌桩为界限，曲率发生变化，滑裂面不再是同一个圆弧了。采用双圆弧法的优点是将坑底土体对于边坡抗滑的贡献降到一个比较客观的比例，但同时给计算带来一定的困难。根据上海地区软土地层的经验：R1与R0的比例一般为0.3，同时建议搜索区域如图8所示。该方法在的可行性得到了大量工程实例的支持，在对大量成功的复合土钉支护用该方法进行复核后，推荐控制位移整体稳定系数值为1.4，推荐基坑整体稳定系数最小值1.2。但是由于该方法假设比较多，是建立在上海地区典型地层的基础上提出的，故将该方法应用于各种地质条件下还须做进一步研究和验证。图8搜索第三裂缝发展阶段滑裂面和稳定系数的计算模型Fig.8Empiricalmodelemployedtosearchthefailuresurfaceandtheglobalsafetyfactorofthethirdcrackdevelopingphase3.2强度折减法所谓强度折法就是将土体的强度指标C和Φ，用一个折减系数，如式(1)和(2)所示的形式进行折减，然后用折减后的虚拟抗剪强度指标CF和ΦF，取代原来的抗剪强度指标C和Φ，如式（3）所示。CF=C/Fs(1)ΦF=tan-1((tanΦ)/Fs)(2)τF=CF+σtanΦF(3)式中：CF是折减后土体虚拟的粘聚力；ΦF是折减后土体虚拟的内摩擦角；τF是折减后的强度。当使用某一折减后的强度指标进行复合土钉支护弹塑性有限元（有限差分法）计算，将计算不收敛时对应的作为最后计算所得的稳定系数。虽然目前对强度折减法中“不收敛”的定义比较多，争议也比较大，但是该方法考虑了复合土钉支护的应力应变场和土与结构的相互作用，其优越性是相当明显的。图9为某软土地区的复合土钉支护采用强度折减法计算的剪应变增量云彩图。图中很明显的反映出了复合土钉支护的两条主要裂缝的形态。图9某工程算例的剪应变增量云彩图。Fig.9ContourMapofShearStrainincrementofadesignsample3.3对复合型土钉支护计算方法的再讨论如前文所述，复合型土钉支护的工作性状表明其边坡的属性，因此在实际工程的设计中采用条分法计算支护的整体稳定性（不管是采用单圆弧简单条分、双圆弧条分或其它基于条分法的改进方法），在计算参数合理、安全系数把握正确的条件下足以保证基坑支护的安全度。套用重力式坝体的设计方法计算复合型土钉支护的抗倾覆和抗滑移是不必要的。在在实际工程中，复合土钉支护多应用于软弱地层中，土钉长度一般为开挖深度的1.5～3.0倍，倾覆安全系数均大于10，甚至达到30，抗滑移系数也很大。在工程实践中，也没有发现过类似的破坏型式。此外，套用桩锚结构体系（荷载－结构体系）的设计方法，如果侧重土钉的抗拔验算而忽视边坡整体稳定性的分步计算，极有可能出现工程事故。4存在的问题及研究方向虽然研究者众多，成果颇丰，但复合型土钉支护目前的现状仍然是工程实践领先于理论研究，这主要表现为目前设计人员普遍采用的方法仍然是通过工程类比确定土钉的间距、长度和水泥土搅拌桩的宽度和强度指标。仍然不能将土钉参数、水泥土搅拌桩的参数与土性参数建立联系，接由土性参数、开挖深度及周边边环境要求，通过计算优化土钉间距、长度以及土搅拌桩的强度及宽度。这应该是后一阶段复合土钉支护研究的方向。目前，复合型土钉支护由于造价方面的优势而得以广泛应用，但在有些地层中应用土钉支护是比较勉强的，如深厚的淤泥地层，这种地层中基坑开挖卸载引起的应力变化波及的范围很远、很深，且伴随时间延续，产生的流变过程都会对周边环境及支护边坡的安全有相当大的影响，工程界的任务是针对该类地层发展更有效的复合型式，如竹筋与土钉的复合等。参考文献(References)：李象范，徐水根.复合型土钉挡墙的研究[J].上海地质，1999年第三期：1～11.(LiXiangfan，XuShuigeng.Studyofthecompoundsoilnailedretainingwall[J].ShanghaiGeology，1999(3)：1–11.(inChinese))宋二祥，邱钥.基坑复合土钉支护有限元分析[J].岩石力学，2001，22(3)：241－244.(SongErXiang，QiuYue.Finiteelementanalysisofcompositesoilnailingforexcavationsupport[J].RockandSoilMechanics，2001，22(3)：241–244.(inChinese))张明聚，宋二祥，陈肇元.基坑土钉支护稳定分析方法及其应用[J].工程力学，1998，15(3)：36–43.(ZhangMinju，SongErXiang，ChenZhaoyuan.Astabilityanalysismethodanditsapplicationforsoilnailinginexcavation[J].EngineeringMechanics，1998，15(3)：36–43.(inChinese))张明聚.复合土钉支护及其作用原理分析[J].工业建筑增刊(第三届基坑工程学术讨论会论文集)，2004：60–68(inChinese)尹骥，管飞，许峻峰.复合土钉支护稳定性计算方法与边坡裂缝关系的探讨[J].岩土工程界，2004年4月第4期：50–54.(YinJi，GuanFei，XunJunfeng.DiscussionoftherelationoftheglobalsafetyfactoroftheCompoundSoilNailWallandcracksontheslop[J].GeotechnicalEngineeringWorld，2004，4：50–54.(inChinese))连镇营，韩国城.土钉支护开挖过程的数值模拟分析[J].岩石力学与工程学报，2001，20(增1)：1092–1097.(LianZhenying，HanGuocheng.Numericalsimulationandanalysisonsoil-nailedwall[J].ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering，2001，20(1)：1092–1097.(inChinese))曾宪明，林皋，易平等.土钉支护软土边坡的加固机理实验研究[J].岩石力学与