土釘墻支護是一種用于基坑開挖和邊坡穩(wěn)定的新型擋土技術(shù)，土釘墻支護以安全可靠而且經(jīng)濟節(jié)約的特點在國內(nèi)得到了大力的推廣和廣泛的應(yīng)用。本文在探討土釘支護原理的基礎(chǔ)上研究了它的受力變形特點和施工方法。
土體的抗剪強度較低，抗拉強度幾乎可以忽略，但土體具有一定的結(jié)構(gòu)整體性，當(dāng)超過某一深度或者在地面超載及其它因素作用下，將發(fā)生突發(fā)性整體破壞。所采用的傳統(tǒng)支擋結(jié)構(gòu)均基于被動制約機理，即以支擋結(jié)構(gòu)自身的強度和剛度，承受其后的側(cè)向土壓力，防止土體整體穩(wěn)定性破壞。
土釘墻是由在土體內(nèi)放置一定長度和密度的土釘體構(gòu)成的。土釘與土體共同作用，形成了能大大提高原狀土強度和剛度的復(fù)合土體，土釘?shù)淖饔谜腔谶@種主動加固的機理。土釘與土的相互作用，還能改變土坡的變形與破壞形態(tài)，顯著提高土坡的整體穩(wěn)定性。
試驗表明：直立的土釘墻在坡頂?shù)某休d能力約比素土邊坡提高一倍以上。更為重要的是，土釘墻在受力過程中不會發(fā)生像素土邊坡那樣的突發(fā)性滑塌。它不僅推遲了塑性變形的發(fā)展階段，而且明顯地呈現(xiàn)出漸進性變形與開裂破壞并存且逐步擴展的現(xiàn)象，直至喪失承受更大荷載的能力，仍不會整體性滑塌。
(a)土擋墻試驗?zāi)Ｐ停?/div>
(b)荷載P與垂直位移的Sv關(guān)系；
(c)荷載P與水平位移Sh的關(guān)系；
(d)荷載P與土釘鋼筋應(yīng)力的關(guān)系；
?、購椥噪A段；②塑性階段；
?、坶_裂階段；④破壞階段
目前，一般認為土釘支護機理是以新奧法理論為基礎(chǔ)，在土釘體作用下，把潛在滑裂面之前主動區(qū)的復(fù)合土體視為具有自撐能力的穩(wěn)定土體，以防止土體側(cè)向位移，支承未加筋域土體的側(cè)壓力，保證土坡的整體穩(wěn)定性，即認為經(jīng)過加筋的土體形成了類重力擋土墻─土擋墻。土釘墻的工作機理類似擋土墻，運用于解釋土釘支護結(jié)構(gòu)的外部穩(wěn)定性(抗滑、抗傾覆、支護結(jié)構(gòu)底部土體極限承載力)是合理的，然而卻無法解釋支護結(jié)構(gòu)內(nèi)部穩(wěn)定性，以及與土釘相互作用有關(guān)的許多問題。
在土釘墻體系中，土釘是重要的受力構(gòu)件，土釘?shù)淖饔每煞譃椋孩賹⒆饔糜诿鎸拥耐翂毫Γㄟ^土釘與土體的摩擦力(或剪應(yīng)力)傳遞到穩(wěn)定土層中，類似于土層錨桿；②通過密而短的土釘將墻后土體的變形約束起來，形成由土體、注漿體、土釘組成的復(fù)合土體，復(fù)合土體類似于重力式擋墻受力，這種作用類似于加筋土擋墻；③不管用什么形式施工的土釘(鉆孔法、打入法、預(yù)入法)，土釘通道同時也是注漿孔，該注漿不僅形成土釘擋墻與地層之間的摩擦帶，同時以劈裂、滲透及壓密注漿的形式加固墻后土體，這種作用類似于壓密注漿機理。
以下對鋼筋、注漿、噴射混凝土面層各部分的作用分別進行分析：
?、磐玲?包括鋼筋和鋼筋周圍的砂漿柱)在整個復(fù)合結(jié)構(gòu)中扮演主要角色，它極大增加了土體的抗剪強度，使本來松散的土體變成整體性比較強的類似加筋土的復(fù)合體，土釘是由抗拉強度很高的鋼筋和粘結(jié)強度很高的砂漿組成，當(dāng)土釘插入后，由于釘土之間的摩擦力分擔(dān)了超出原狀土所能承受的過大的應(yīng)力，這種應(yīng)力轉(zhuǎn)移和重分布可以大大推遲和延緩?fù)馏w的塑性流動和滑塌。
⑵注漿：注漿漿液可以滲透到土體的孔隙中對土顆粒起膠結(jié)作用，這種滲入在砂土中尤為明顯，膠結(jié)改善了土體的松散性，提高了原狀土的整體性能，保證并加強了土、砂漿柱及鋼筋之間力的傳遞和轉(zhuǎn)移。
⑶面層噴射混凝土：使分布在土體中的土釘共同工作，一旦局部一個或幾個土釘達到極限狀態(tài)，通過面層可以轉(zhuǎn)移到其余土釘上去；對各土釘所受荷載以及坑壁位移有調(diào)節(jié)作用；限制坡面膨脹和局部塌落，保持坡面的完整性；起護坡作用，如防止降雨的沖刷等。
2.土釘支護結(jié)構(gòu)的受力變形特性
迄今，為研究土釘支護結(jié)構(gòu)內(nèi)土釘內(nèi)力的分布，面層土壓力的分布以及支護結(jié)構(gòu)的變形特性，國外已對支護土釘作了不少大型的量測試驗，其中也有為試驗而修建的工程。
⑴土釘置入現(xiàn)場土體后，如果土體不變形，土釘就不會受力。隨著向下開挖、地表加載，或土體徐變即產(chǎn)生土體變形，于是通過土體與土釘之間的界面粘結(jié)力使土釘受拉。量測表明，只要土體發(fā)生微小的變形，就可使土釘受力。
⑵土釘?shù)睦ρ仄溟L度變化，最大拉力部位隨著基坑向下開挖，從開始時靠近面層的端部逐漸向內(nèi)轉(zhuǎn)移，一般發(fā)生在土體的可能失穩(wěn)面上。土釘靠近面層的端部拉力與土釘中最大拉力的比值隨著往下開挖而降低。當(dāng)土釘長度較短時，土體破壞面可能移出上部土釘之外，這些土釘中的最大拉力一般發(fā)生在釘長中部。
?、遣煌疃任恢蒙系耐玲敚涫艿降淖畲罄υ谑褂脿顟B(tài)下有很大差別，頂部和底部的土釘受力較小，靠近中間部位的土釘受力較大。但臨近破壞時，底部土釘?shù)睦︼@著增長。
⑷支護噴射混凝土面層背后的側(cè)土壓力，沿其高度分布為中間大，上、下小，接近梯形而不是三角形，壓力的合力值要比擋土墻理論給出的計算值(Rankine主動土壓力)低得多，一般為主動土壓力的0.5～0.7倍。這表明土釘支護的面層完全不同于一般的擋土墻。支護面層所受的土壓力合力遠小于土釘所受到的最大拉力之和。
3.土釘支護的施工方法
土釘支護施工包括基坑開挖和邊坡修整、成孔、置筋、注漿及噴射混凝土等工序。
1）基坑開挖與邊坡修整
基坑開挖應(yīng)分層分段進行，開挖時應(yīng)盡量避免過坡超挖或最大限度的減少對支護土層的擾動，松動部分在坡面支護前必須予以清除，對松散或干燥的無粘性土，尤其是當(dāng)坡面受到外來振動時，要先進行灌漿處理。上層噴射混凝土未施工完畢不得進行下層土的開挖，當(dāng)基坑面積較大時可以在距離四周邊坡8～10m以外基坑中部自由開挖，但應(yīng)注意與分層作業(yè)區(qū)的開挖協(xié)調(diào)一致，為防止基坑邊坡土體坍塌，應(yīng)合理控制每層開挖深度，使開挖面上的土體能在支護前保持穩(wěn)定，這對于限制土釘變形很重要。因為土釘墻變形主要發(fā)生在施工過程中，如果沒有附加荷載，土釘墻竣工后，其變形基本趨于穩(wěn)定，因此，每層開挖后應(yīng)及時進行支護以限制側(cè)向變形。
2）成孔
成孔土釘成孔工藝和方法與土層特點、機具裝備和施工單位的施工手段和經(jīng)驗有關(guān)。當(dāng)前，國內(nèi)大多數(shù)采用螺旋鉆、洛陽鏟等成孔設(shè)備，也可使用土錨專用鉆機成孔，成孔前，應(yīng)根據(jù)土層的具體情況選用合適的機具，以保證成孔時不引起坍塌，在易坍塌的土體中鉆孔時，宜采用套管成孔或積壓成孔，成孔過程中取出的土體應(yīng)按土釘編號加以記錄并及時與地質(zhì)勘探報告所標定的土加以對比，發(fā)現(xiàn)有較大差別時，應(yīng)及時通知設(shè)計單位修改設(shè)計參數(shù)。成孔后進行清孔檢查，一般采用壓縮空氣將孔內(nèi)殘留的廢土清除干凈。
3）置筋
土釘鋼筋入孔前應(yīng)先在趕緊上每隔1.2～2.0m焊置1個定位架，保證鋼筋處于孔的中心部位。焊置支架時應(yīng)考慮該支架不得妨礙漿體的流動。
4）注漿
土釘注漿可采用灰漿泵或砂漿泵灌注，漿液采用純水泥漿或水泥砂漿，水泥砂漿的水灰比不宜超過0.4～0.5，用水泥凈漿時水灰比一般為0.5左右，為保證土釘與周圍土體緊密粘合，在止?jié){塞上將注漿管插入注漿口，深入距孔底0.25～0.5m處，注漿管連接注漿泵，邊注漿邊向孔口方向拔管，直至注滿為止。注滿漿后要保持壓力3～5min再放松止?jié){塞，將注漿管與止?jié){塞拔出，用粘性土或水泥砂漿充填缺口，為防止水泥砂漿在硬化過程中產(chǎn)生干縮裂縫，提高其防腐性能，保證漿體與周圍土壁緊密結(jié)合，可摻入一定量的膨脹劑，為提高水泥砂漿或水泥漿的早期強度，加速硬化，可摻入早強劑。
5）噴射混凝土
在噴射混凝土前，應(yīng)用壓縮空氣或壓力水將待噴面吹凈。清除代噴面上松散土或塵埃，鋼筋片可固定在插入邊壁短鋼筋上，并符合設(shè)計的保護層厚度要求，噴射混凝土的速度應(yīng)適當(dāng)，以保證混凝土能夠密實，噴嘴與待噴射面應(yīng)保持適當(dāng)?shù)木嚯x，一般在0.6～1.2m之內(nèi)，射流方向應(yīng)盡可能垂直噴射面，以便混凝土獲得最大的壓實力和最小的回彈，如果噴射的混凝土出現(xiàn)沙囊或下垂，應(yīng)及時清除，重新噴射，當(dāng)面層厚度超過120mm時，應(yīng)分2次噴射，2次噴射前，應(yīng)清除接合面上的浮漿層和松散的碎屑，并灑水使其濕潤，混凝土噴射完成后應(yīng)及時養(yǎng)護，根據(jù)當(dāng)?shù)丨h(huán)境條件可采用連續(xù)噴水、織物覆蓋澆水或噴灑養(yǎng)護方法。
6）排降水措施
當(dāng)?shù)叵滤惠^高時應(yīng)采取人工降水措施，一般情況沿基坑周圍每隔10m左右設(shè)置一個降水井，在降水同時也要做好基坑周邊、基坑坡面及基坑底的排水；在基坑底的排水，在基坑周邊挖設(shè)排水溝或設(shè)置混凝土地面以便及時排除地表水；在基坑周邊挖設(shè)排水溝，或設(shè)置混凝土地面以便及時排除地表水。另外，為防止地表水滲透對噴射混凝土面產(chǎn)生壓力，降低土體強度及土體與土釘之間的界面粘結(jié)力，應(yīng)在基坑坡面設(shè)置排水系統(tǒng)，坡面排水可在噴射混凝土面層中設(shè)置排水管，即用直徑50～80mm，長300～500mm的帶孔塑料管內(nèi)填濾水材料，排水管的間距和數(shù)量隨水量而定，在基坑底部應(yīng)設(shè)排水溝和集水井，排水溝應(yīng)防止?jié)B漏，并適當(dāng)離開面層一定距離。
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