復合土釘技術及在某河堤復原工程中的應用

范俊奇 楊群曉 郭隧軍 宋紅民 樓夢麟

(1．同濟大學土木工程防災國家重點實驗室，上海200092;2．總參工程兵科研三所，洛陽471023;3．洛陽市河渠管理處，洛陽471000;4．洛陽城市建設勘察設計院有限公司，洛陽471000)

1 引言

復合土釘支護是以土釘支護為主體，根據(jù)不同的土質(zhì)條件和工程環(huán)境，借助于其他諸如水泥土攪拌樁、止水帷幕、超前微樁、加筋土以及預應力錨桿等支護手段，優(yōu)勢互補，以達到穩(wěn)定土體、圍護邊坡穩(wěn)定目的的支護新技術［1－2］。復合土釘支護將主動支護和被動支護聯(lián)合應用，柔性支護與剛性支護相結合，根據(jù)具體工程情況靈活運用土釘及其他各種支護構件的支護原理，創(chuàng)造性地對基坑進行支護，來控制基坑開挖過程中的變形，提高基坑的穩(wěn)定性，以達到安全、經(jīng)濟、實用的目的。其支護作用可歸納為:分擔荷載作用，止水抗?jié)B作用，傳遞荷載作用，局部穩(wěn)定作用和超前加固作用。

2 復合土釘支護的常見組合形式及使用條件

根據(jù)不同的工程條件和要求，復合土釘支護的組合方式靈活多樣，可以和抗滑樁、攪拌樁等多種樁類，擋墻類、加筋土等形成多種復合土釘支護方式［2－4］。歸納起來，目前應用相對較多的復合 土釘支護形式及其適用條件如表1所示。

表1 復合土釘?shù)某Ｒ娊M合形式及適用條件Table 1 Common combinations of form and applicable conditions of CSNT

從表1可知，較之一般的土釘支護技術，復合土釘技術應用范圍更廣，適應性更強，更具中國特色。因此，在國內(nèi)許多工程中進行過成功應用［1，4－8］。許多專家學者也對其機理進行了研究和分析，提出了若干有價值的分析結論。但這些成果與結論大多是針對如淤泥、流沙等不良地質(zhì)條件提出的［4－8］，而對厚填土邊坡的研究與應用成果較少。通常認為，厚填土是一種松散介質(zhì)，土釘握裹力很弱，并且沿用一般的圓弧破壞模式進行穩(wěn)定性分析和支護參數(shù)設計計算就可以了。然而，研究表明，厚填土邊坡在夯實條件下，其破壞模式并非簡單的圓弧破壞模式，而是平面－弧面組合的復雜破壞模式［6］。本文簡要介紹了夯實填土邊坡的破壞模式及其變形破壞特征，并依據(jù)這一模式，采用土釘、改良加筋土、輕型擋墻技術對因暴雨坍塌的洛陽中州渠某段河堤進行了復原加固。概述了該工程復合土釘支護的設計、施工及其穩(wěn)定性。

3 填土邊坡的復雜破壞模式相似模型試驗

夯實填土邊坡的成分及堆填過程較為復雜，用解析法分析其邊坡變形、破壞性能較為困難。為此，根據(jù)相似模型原理，建立并驗證了填土介質(zhì)模型試驗的相似法則為:

式中，t，l為原型的時間和長度;t'，l'為模型的時間和長度。

模型試驗在室內(nèi)試驗箱中進行，試驗箱尺寸為315 cm×250 cm×60 cm(長×寬×高)。據(jù)工程經(jīng)驗，分層開挖的條件下每層土壤變形達到穩(wěn)定(趨向破壞)的時間一般不小于2～3 d。因此試驗時選取原型時間為t=2 d=48 h，由此計算出系列模型的比例系數(shù)如表2所示。

表2 相似模型的比例系數(shù)Table 2 Scale factors of the scale model

模擬分層開挖的大型試驗箱的端部擋板按20 cm/塊設計，相對于不同的開挖深度，相似模型的比例亦不同，試驗選取的模型縮尺比例列于表3。

表3 模型縮尺比例Table 3 Proportions of reduced scale model

按照表2、表3所示的比例系數(shù)進行了夯實厚填土邊坡土釘支護系列的相似模型與自模擬原型的設計、制作，在此基礎上進行了非降雨和降雨條件下邊坡破壞模式的相似模型試驗。模型試驗中非降雨條件下開挖過程中邊坡發(fā)生了兩次較大規(guī)模的滑塌，其滑塌面的剖面形狀如圖1所示;降雨條件下原邊坡滑塌及水平地面的變形破壞過程如圖2所示。

圖1 降雨前滑塌面形態(tài)Fig．1 Slumping surface morphology before rainfall

圖2 降雨過程中滑坡面變形破壞演變過程Fig．2 Evolution of surface deformation and failure of landslide during rainfall

對圖1、圖2的破壞模式進行分析研究后表明:

(1)對于人工夯實填土邊坡，無論降雨與否，邊坡滑塌面的空間形態(tài)既不是圓弧面也不是平面，而是平面與凸弧面的組合形式，即上部為直立平面，下部為凸弧面。上部主要為倒塌破壞，下部主要為滑移破壞。

(2)對比非降雨條件下，降雨條件下坡面沉降量較大且沉降極不均勻。由于降雨多次沖刷的影響，使已有的滑塌部位出現(xiàn)一定的淤積現(xiàn)象，并使原有的滑塌面不復存在。

(3)造成上述破壞形態(tài)的機理為:開挖后，土體側向約束被解除，產(chǎn)生側向變形，并在土體內(nèi)部產(chǎn)生側向拉應力。當該拉應力超過介質(zhì)極限抗拉強度點后，土體產(chǎn)生張裂縫，同時使不穩(wěn)定土體形成相對孤立體。此孤立體連同下部土體的自重荷載形成的剪應力超過相對滑移面的抗剪強度時，滑移面即萌生、發(fā)展、形成并發(fā)生滑移。此時相對孤立體即成為完全孤立體，并在滑動過程中伴隨部分倒塌。

以上分析可知，人工夯實填土邊坡的破壞模式可以概括為平面－凸弧面組合破壞模式，即復雜破壞模式。依據(jù)上述對降雨前后厚填土邊坡破壞模式的研究分析，即可對厚填土邊坡進行方案設計。

4 工程應用

4．1 工程概況

洛陽市中州渠始建于20世紀50年代，總長度為12．8 km，穿越整個洛陽市區(qū)，受降雨影響該渠有多處大型塌陷區(qū)地段需恢復原貌，復原后的路面需長期保證車輛行駛及游人觀光使用，確保坡面長期穩(wěn)定并能抗雨季洪水沖刷。選取其中較為典型的一例進行分析。該塌陷區(qū)總長150 m，垂直高度14．5 m，水平塌陷寬度距邊坡頂邊線11．3 m，下底為4．7 m。殘存塌陷區(qū)表面為混雜磚塊和垃圾的雜填土，局部為淤泥，深度約3 m，且延伸進入坡內(nèi)6～7 m;3 m以下為Ⅱ級濕陷性黃土，含水量為15% ～18%，天然重度為20 kN/m3，液限為4%，內(nèi)摩擦角為 20°，內(nèi)聚力為 20 kPa。塌陷區(qū)上面原有一棟五層住宅樓，受塌方影響已全部坍塌。

4．2 支護參及方案選擇

該工程主要是要構造一個高度、寬度和坡度均較大并能長期抵抗一定動載和靜載的填土邊坡。因此支護設計時需要考慮的主要因素為:

(1)既有邊坡的穩(wěn)定性。既有邊坡呈不規(guī)則狀，上部堆積有含垃圾的雜填土，外表面有受滑塌影響的松散體。

(2)擬造填土邊坡的穩(wěn)定性。擬造邊坡須與原有邊坡結合為一體，并能保持長期穩(wěn)定。且要同塌陷區(qū)兩側的現(xiàn)存邊坡保持協(xié)調(diào)和美觀。

(3)邊坡附近的建筑物及設施的安全。既有邊坡附近存在有多而凌亂的建筑物，內(nèi)部有新建的污水管等管線，均不得因邊坡變形和地面沉降再有所損壞。對變形控制要求較高。

(4)擬造填土邊坡工程竣工后，其坡頂面為市政道路，需考慮車輛附加動載3 t/m2的作用;坡角處為3 m寬的人行道，邊坡穩(wěn)定關乎游人的安全;人行道下部為渠水，深6 m。邊坡的穩(wěn)定性分析須考慮這一深度的影響。

(5)邊坡抗雨水沖刷、侵蝕問題。

(6)支護結構材料抗腐蝕問題，即耐久性問題。

(7)支護結構外表面預留伸縮縫問題。

通常，填土邊坡的防護預案有包括漿砌塊石擋墻等支擋結構、護坡樁、預應力錨索以及土釘支護等幾種形式。

若采用擋墻結構，結構需做得很高而厚，由于基礎底部距渠水僅3 m，支擋效果欠佳。采用護坡樁，造價高，時間長，由于現(xiàn)場缺乏施工場地，還需在渠水中作圍堰，無法滿足原坡面的美觀和銜接。由于介質(zhì)軟弱，難以提供足夠的錨固力，也無法采用預應力錨索。同時由于邊坡破碎軟弱，成孔質(zhì)量及拉拔強度難以達到設計要求，更無法采用土釘支護。經(jīng)各項綜合分析研究，最終決定采用土釘支護與加筋土、輕型擋墻相結合的復合土釘支護結構形式。

復合土釘支護參數(shù)的設計采用疊加原理，對于填土邊坡的土壓力一部分由土釘承擔，而另一部分由加筋承擔。另外土釘支護還須對既有邊坡改性和提供支護力。輕型擋墻具有平衡支護力和安全儲備的作用。由于既有邊坡及其穩(wěn)定問題的存在，加之工期較緊，加筋靠既有邊坡一側傳統(tǒng)的預制擋板用垂直向下或傾斜向下的灌漿錨拴替代?？科旅嬉粋鹊念A制擋板，用加入鋼管的噴射鋼筋混凝土替代，因而它是一種全新意義的改良加筋土結構形式。輕型擋墻還需考慮抗沖刷和抗侵蝕等永久性支護問題。

基于以上考慮，且為了簡化計算，對土釘抗拔力和加筋土抗側向壓力分別計算后疊加，預設穩(wěn)定性系數(shù)為2．2，經(jīng)過多次重復性計算后得到的相應的支護參數(shù)如圖3所示。

圖3 復合圖釘支護設計方案/mmFig．3 Design scheme of the soil nail support

4．3 復合土釘支護的施工

(1)回填:回填土采用洛陽黃土，該土質(zhì)可塑性好、濕陷性大。在回填過程中采用填土→適量撒水→夯實的循環(huán)施工方法。填筑高度每增加50 cm為一個循環(huán)，以增加回填土的密實度，減少施工過程及竣工后邊坡的垂直沉降和水平位移。外表面碼放的土袋在交錯疊放后也需作夯實處理。

(2)土釘?shù)闹谱?、成孔與注漿:對于既有邊坡上部的雜填土段，采用錨管代替土釘，以解決既有邊坡中難以成孔問題，并將其外端露出面層，與填土邊坡中的鋼筋焊接。錨管采用擴大頭的方式，以減少設置過程中的摩阻力并使孔壁與管外壁有一定的保護層厚度。注漿前須先用清水沖洗掉管內(nèi)的土渣。注漿采用間歇式多次注漿加壓法，以確保漿液飽滿。此外，回填土中的錨管及與錨管相連接的土釘(鋼筋)采用土中挑槽的方法，使其沒入槽中的水泥漿中。待水泥漿有一定的強度時填土夯實。對于既有邊坡雜填土段下部的黃土層，仍用一般的土釘，以節(jié)省造價和縮短工期。

(3)加筋土(改良)結構的施工:加筋里端的預制混凝土擋板，用垂直向下或傾斜向下的灌漿錨拴替代，灌漿孔徑為 150，錨拴用長度為1．0 m的 20的螺紋鋼制做而成。加筋用現(xiàn)澆混凝土(截面尺寸為300 mm×300 mm)包裹，加筋外端的擋板用噴射鋼筋混凝土面層替代。

(4)面層施工:土袋每碼高2 m，即在外表面初噴3cm厚的混凝土，然后鋪設 6．5雙向間距為200 mm×200 mm鋼筋網(wǎng)片，在網(wǎng)片上水平方向設 18的加強筋，豎向為 48的優(yōu)質(zhì)鋼管。將加強筋牢固焊接在釘頭上。再復噴9 cm厚的混凝土形成最終的輕型面板擋墻。

4．4 工程穩(wěn)定性測試結果及評價

在施工過程中，每填筑、支護一層(層厚2．0 m)，均設點進行位移及沉降觀測，結果如圖4所示。觀測結果表明，地面無明顯的沉降，邊壁位移較小，均在允許的范圍內(nèi)。工程完工后幾年來經(jīng)歷了多次特大暴雨的考驗，沿岸有些路段出現(xiàn)了滑坡和塌方現(xiàn)象，很多路面設施出現(xiàn)了不同程度的損毀和破壞。但采用復合土釘支護的該工程段面層無開裂，地表完好無損，整體穩(wěn)定性良好。該工程是采用復合土釘支護厚層夯實填土、進行土體復原的一個成功應用實例。

圖4 邊坡位移和沉降測試曲線Fig．4 Horizontal displacement and settlement curves

5 結語

(1)邊坡破壞模式的正確選取是其穩(wěn)定性分析和支護參數(shù)設計的基本依據(jù)。本文用模型試驗方法確定了厚填土邊坡的破壞模式，并依據(jù)該模式對洛陽014中心中州渠水毀厚填土邊坡進行了復合圖釘加固復原。實踐表明:對該工程采用夯實填土的復雜破壞模式進行分析是科學合理的，可以推廣應用于類似地質(zhì)條件下邊坡穩(wěn)定性分析和設計。

(2)在加筋土的施工過程中，適量撒水和加強夯實有助于減少后期不均勻沉降，可提高其密實度和工程穩(wěn)定性。

(3)水是工程穩(wěn)定的大忌，對填土邊坡更是如此。工程實踐表明:做好全方位的防、排水措施對該類工程非常必要。該工程成功表明:復合土釘支護方法對于夯實回填土邊坡的加固支護是合適的，其受力均勻、合理，支護快捷，安全經(jīng)濟，具有良好的應用前景。

(4)在使用中應注意，軟土基坑工程應用時，必須增設其他輔助結構使其具有超前支護功能，不能簡單地沿用常規(guī)支護形式。在淤泥層與砂層互層的情況下，施工中應同時解決地下水控制問題。

［1］ 中國建筑科學研究院．JGJ 120—99建筑基坑支護技術規(guī)程［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，1999．Chinese Construction Scientific Institute．JGJ120-99 Technical specification for construction foundation ditch support［S］．Beijing:China Architecture and Building Press，1999．(in Chinese)

［2］ 范俊奇，董宏曉，李燃．基坑復合土釘支護模板墻工法關鍵技術及應用［J］．建筑技術，2013，44(2):118-121．Fan Junqi，Dong Hongxiao，Li Ran．Key points and application of method for compound soil nail support formwork wall technique in foundation pit［J］．Architecture Technology，2013，44(2):118-121(in Chinese)

［3］ 左魁，曾憲明．土釘支護模板墻技術在在萬福大廈工程中的應用［J］．巖石力學與工程學報，2002，21(9):1421-1423 Zuo Kui，Zeng Xianming．Application of soil nail support formwork wall technique in Wanfu mansion engineering［J］．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2002，21(9):1421-1423(in Chinese)

［4］ 程良奎，范景倫，等．巖土錨固［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2003．Cheng Liangkui，F(xiàn)an Jinglun，et al．Geological reinforcement［M］．Beijing:China Architecture and Building press，2003．(in Chinese)

［5］ 宋紅民，李清獻．復合土釘支護在厚填土邊坡工程中的應用［J］．巖土錨固工程，2004，9(1):10-13 Song Hongmin，Li Qingxian．Application of compound soil nail support in a side slope thick filled soil［J］．Yantu Maogu Gongcheng，2004，9(1):10-13．(in Chinese)

［6］ 汪劍輝，閆順，曾憲明，等．復合土釘支護在我國的研究與應用［J］．施工技術，2006，35(1):15-18．Wang Jianhui，Yan Shun，Zeng Xianming，et al．Study and application of compound soil nail support in China［J］．Construction Technology，2006，35(1):15-18．(in Chinese)

［7］ 程良奎．巖土錨固現(xiàn)狀與發(fā)展［J］．土木工程學報，2001，34(3):7-12．Cheng Liangkui．Present status and development of ground anchorages［J］．China Civil Engineering Journal，2001，34(3):7-12．(in Chinese)

［8］ 劉輝東，羅興成，彭明祥．復合土釘支護在軟土地基中的應用［J］．施工技術，2004，33(10):53-57．Liu Huidong，Luo Xingcheng，Peng Mingxiang．Application of the compound soil nail support in soft soil foundation［J］．Construction Technology，2004，33(10):53-57．(in Chinese)