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膨该型式主要用姐于高水位松软橡地层中，使用牛水泥土搅拌桩洪排形成基坑的勿隔水帷幕，同狭时也作为对开口挖土体的超前菌加固，可以明储显减少坑底软练弱土体的隆起威。这种型式在姨沿海地区，如翅上海、江苏、狗浙江、福建、屠广东等地区的帖湖、海相沉积谦地层中应用广炸泛。该地层地哨下水位较高且抽有一定的透水杀性，土体的抗许剪强度指标较判低。复合型土称钉支护用于开犯挖馒7m俯以内的基坑工大程相当成功，仰已作为一种首姿选支护型式而立被广泛采用。般1.膨2匠土钉与土层锚屑杆组成的复合共支护忙为了限制基坑拌边坡的位移量辜，在土钉支护欠中，设置一定哨数量的预应力碰锚杆（包括可筹以施加预应力离的自钻式锚杆浓），通过施加铃预应力约束土榨体变形，效果织比较显著。常1.剧3暑土钉与检桩控-衬锚（支撑）系研统组成的复合删支护砍开嗓挖细8宋～久10拜m款的基坑时，为矿了发挥上层土盒体自身的强度猫，而对上层土蝶体采用土钉支丘护，下层土体醋采用桩锚结构祝或桩加支撑的番支护体系。这也种复合支护型懒式在上海、北昨京、杭州、大抱连、广州及烟旋台等地均有采碗用，经济性、京安全性各方面裹效果均比较显访著。军斑茎挽匪锤司籍眨脸1.锄4贯土钉与微型桩年组成的复合支迎护谋在有些沿海地属区如宁波、台筐州、温州等地声，存在深厚的休淤泥地层，土金体虽然饱和含片水，但渗透性乳差。这类基坑惯开挖中的主要扬问题是解决坑餐底的隆起变形继。为此在基坑悬开挖面打一排凳微形桩，微形成桩可以是钢管洲注浆桩、钢板者桩，更多的是遮采用木桩。该缘形式虽然对减摊少坑底隆起和波防止边坡坍塌兰有一定作用，眉但一般边坡位刊移比较大。劈宴综上所述，复沸合型土钉支护涝技术是适应不叼同工程要求发阳展起来的。由诸于复合型土钉走支护是传统的剥土钉支护与其窃它工艺的组合买，所以原先对舞土钉支护的认胡识和设计计算示方法必须更新臭和深入探讨。远为此，全国的菌岩土锚固工作巩者针对以上各灰种新的复合土最钉支护型式进汁行了大量的研状究工作。清华灾大学较早对复暂合土钉支护进田行了有限元分口析全[2][3]俘。解放军理工没大学采用非线叙性平面应变有陆限元方法对软接弱土层中复合里土钉支护的变便形进行了分析筝。北京工业大甘学对复合土钉破支护进行汇总同，并提亿出环7接种作用型式香[4]档。浙江大学针观对超前钢管型钓复合土钉支护泉进行了计算分赛析，提出双圆啦弧分析方法。滩所有这些分析臣多建立在某种抄假定基础之上胶，虽然得出了巷一些有益的结条论，但对复合吵土钉支护的机醋理没有统一认猎识。更有甚者士，很多工程的践设计还是建立丛在桩－锚结构狡，荷载－结构到体系的分析方距法上。本文基岗于复合土钉支淘护从变形到破载坏的全过程的孤观察和描述，京提出复合土钉插支护的人工构差成边坡属性，枕并进行了稳定障性分析，以此密作为主要手段根进行复合土钉功支护基坑设计些的依据。严开辉锡主继编瓣隆公我谈腰桃套馒勾绸溪款2匹复合型土钉支宿护基坑的变形列机理墙变形机理研究恐可以通过模型视试验和计算机辣模拟，但更直恰接、有效的方炒法是对实际工裤程变形的发展崖全过程进行跟披踪观察。款根据上海地区齿多年来设计和毕施工的经验，皱可以总结出复爬合型土钉支护织地表裂缝的发蜡展基本上分为燕三个阶段，如溉图布1~游3续所示。而包含哈以上的裂缝产抽生过程，复合仇土钉支护从裂惨缝的逐条产生按、持续发展到采最后的破坏可柄分为五个阶段鼠，如庆图触1~昏5妖所示：均图知1澡喇第一条地面裂供缝的产生搁Fig.1然Thef贩irstc恋rackd爱evelop逃edon音thesl送ope及捕顽堤跨匪忘崖崭胀批区迅奸叉毛图向2状收第二条地面裂螺缝的产生苍Fig.2己Thes畏econd仙crack锄onthe芒slope芒图搞3筒帝第三条地面裂报缝的产生辰Fig.3斜Thet橡hirdc刊racko员nthe削slope仗图斗4资谋第三条裂缝持询续发展伴随坑齿底隆起如Fig.4昌Thet艰hirdc疤rackk狭eepde蝶velopi海ngwit眠hbott它omup严heave霞图广5偷议伴随搅拌桩剪扯断复合土钉支粉护发生整体破厨坏倒Fig.5俊CSNW疫fails沫witht城heDee妹pMixi煤ngPil宅esbro价ken厉2.盲1泼第一阶段：基鹊坑尚未开挖到絮底，就在搅拌悼桩后出现第一沈组裂缝；泳通常情况在开柴挖至非1.8m男～修2.0m捐深，施作第一服排土钉时如果雁注浆过程压力俭偏高或注浆量桐偏大，在水泥搜土搅拌桩与土坊的交界处就会丧产生一条地表岁裂缝，也可能目在施工完第一雀排土钉开挖第裂二层土体时产请生、裂缝宽伍度草3逐～经5m杰m疮，深度透50cm旋左右，不会发视展成危险裂缝厘，但必须及时龟封堵，不使地搜表水渗入，从降而恶化土钉受启力条件。该裂夕缝通常是由于妥搅拌桩和桩后换土体的刚度相诚差较大导致的和，同时与土钉楚注浆压力也有第关。杆2.娱2锤第二阶段：基兄坑边坡土体在心沿百谊角度方向的潜干在滑裂面与坑恩外地表面相交亦位置出现第二新组裂缝；膝第二组裂缝，藏可以认为是随何着基坑开挖深捷度的增加，土多体自身的强度拾逐渐发挥，并悦达到了较高的政应力水平而产额生的裂缝。通东常宽龙度举3说～柳30m打m无，深栽度刑50宰0架～删1000m聋m云。对该阶段滑添裂面的推测，兆如垂图连2疏所示。对于没龙有土钉支护的咬土质边坡，第狂二阶段显示的谣滑裂面就是最差危险滑裂面。辈但是由于土钉鲜的加固作用，陕这条潜在滑裂枪面以上的土体冤不会沿该面滑右动。该裂缝可方能成为地表水蔑灌入地下的通增道，增加静水惩压力，降低土屈体强度，因此脉应及时封堵。是2.鸣3武第三阶段：基包本上是在土钉题末端位置，地狗表出现一条竖咐直的第三组裂娘缝，且裂缝比寺较深，同时坑刻底墙趾趁前双2劲～站3m歼左右隆起一缴个浙“废小土休包且”肥。桑如果设计有一驱定安全度，施虾工也比较谨慎坚，该组裂缝不集会产生或比较就细微。但当设仁计安全度偏低酷，或施工中有得超挖，地面超很载过大等现象胃，第三组裂缝毁就会产生且十庸分明显。裂缝仁通常在土钉的哪末端部或靠近钥端讽部遇1汤～恋2饺m孙处，往往产生揭于基坑单边长鞠度中部呈弧形助分布。戏第三组裂缝的周出现说明土体甩强度已充分发吐挥，土钉作用种也充分调动，舱基坑接近极限撕平衡状态。所真以必须尽量避坑免该裂缝的出文现。如果该组层裂缝出现则必趁须及时采取抢缎救措施。咐2.闲4逝第四阶段：第发三组裂缝持续粥发挥发展，两凤侧土体产生高非差，基坑底部达有隆起。碗坑底土体的岭袍状隆起通常在姿距围护水泥桩歪2.0m逃处，表明第三工组裂缝即最危润险滑裂面已接活近贯穿全部土迎体，边坡滑动问破坏将在很短材时间（可能几像分钟）内发生辞。此时需要立雄即进行基坑回肿填。呈2.定5举第五阶段：水嫌泥土搅拌桩被颠剪断，滑裂面渐完全贯通，土躲体下滑。砖边坡破坏后，拢可观察到明显艺的滑弧，此时塞土钉并没有完耳全拔出，但是颠土钉注浆体与期周围土体的锚菌固作用已经完棋全发挥，土钉姿产生弯折，如孕图金6断所示。放图糠6似宜基坑整体破坏雕后土钉形态削Fig.6捷Thes膜hapeo翅fsoil尖nails慨after们CSNW谊fails伤通过以上描述差可以得出结论萍，复合型土钉顾支护的基坑的希失稳是比较典思型的边坡破坏适，这种边坡为螺人工加固的边返坡竹—英—叫边坡的构成要嚷素为：边坡范亩围的土体、作饲为超前支护的蔑水泥土搅拌桩膀，以及注浆土拣钉。这三者共侦同提供了抵御冶边坡滑动的抵更抗力矩。分析缴计算表明：通督常情况下由土敌体的抗剪能力形构成的抵抗力纷矩约占全部抗寒滑力矩汤的敞50党%炎以上，由水泥拦土搅拌桩的抗龄剪能力构成的胜抵抗力矩约占避全部抗滑力矩耽的盼2腰0红～欢25珍%唤，由土钉的作跟用产生的抵抗掀力矩占全部抗颈滑力矩桥的卷2铜5搁～侵30月%早。此外，土钉缩的一个重要作淹用是将土体联冤成整体，促使劣潜在的滑移面立往后转移，使伪更多的土体参咬与抗滑。草3剪倘复合土钉支护暖的整体稳定性伤计算禽既然复合土钉妻支护具有边坡磁的属性，那么透计算边坡稳定爪的常用方法，鸣主要是条分法梳，就可以移植锁到计算中来。英通过工程实践串，本文主要推攀荐两种计算整棕体稳定性的方狮法：双圆弧滑野动法和强度折灯减法。前者基怠于极限平衡理稼论，是对传统舅的简单条分法普的改进，适用丢于工程设计；物后者是基于弹新塑性有限元法筒（有限差分法吸）的数值分析，适们用于理论研究暖和复杂工程问校题的定性分析崖。敢3.注1龙双圆弧滑动法分双圆弧滑动法急作为对简单圆腰弧滑动法的改群进，主要是考式虑由于搅拌桩秒的作用，滑裂般面在搅拌桩处禾的的曲率发生涝变化（如柄图述7匠所示），滑裂饿面在坑底处半金径递由杰R倘0版变刺为羊R患1嫁（沫R智1级<=R蚁0挨）。淘图启7丙皆计算边坡稳定劳的双圆弧法示绵意图程Fig.7轧Thesk唉etchm迟apof迫double贤-circl哈eslic纱emeth布od乏在没有搅拌桩迁超前支护的土篇钉支护中，滑椅弧接近单一的岂圆弧。但是在厉复合土钉支护热中，搅拌桩（烈在计算中按土垃条考虑）的作局用除用来增加暗土的自立性和暴不透水性外，增由于其刚度与蒙周围土体相差解较大，会破坏磁滑裂面圆弧的尿单一性。对失咐稳基坑的观察叼也发现：在坡协脚前有限的距拍离内刷（制2~千3m棉左右）隆起剧懒烈。因此可以请推测，滑裂面崭以搅拌桩为界易限，曲率发生池变化，滑裂面稻不再是同一个缝圆弧了。榆采用双圆弧法悦的优点是将坑止底土体对于边摊坡抗滑的贡献芝降到一个比较渐客观的比例，注但同时给计算柳带来一定的困六难。根据上海执地区软土地层扭的经验凳：承R睛1啦与树R挤0棒的比例一般贪为帽0.浊3悠，同时建议搜延索区域如格图筝8亡所示。毁该方法在的可阿行性得到了大婆量工程实例的律支持，在对大猎量成功的复合犬土钉支护用该骗方法进行复核恋后，推荐控制兆位移整体稳定胡系数值毙为学1.胖4全，推荐基坑整胃体稳定系数最仗小朋值桂1.妇2皇。但是由于该表方法假设比较鸡多，是建立在依上海地区典型坛地层的基础上今提出的，故将亏该方法应用于焰各种地质条件础下还须做进一而步研究和验证堪。调图超8搞搜索第三裂缝泉发展阶段滑裂孩面和稳定系数镇的计算模型清Fig.8皇桌Empiri泡calmo玉delem倡ployed斩tose箱archt坐hefai押lures可urface尝andt赚heglo斜balsa爱fetyf纠actor复ofthe复third怕crack挑devel槽oping晴phase穿3.2角赔强度折减法睛所谓强度折法杂就是将土体的同强度指标乌C会和肌Φ挖，用一个折减封系数遮，如式乘(稳1)内和姐(终2)体宁所示的形式进耳行折减，然后口用折减后的虚凤拟抗剪强度指稻标主C干F示和抓Φ掀F隶，取代原来的候抗剪强度指标脱C聋和蔬Φ昂，如式隶（厉3耐）所示。桃C满F茶渐=声C/F揉s岔检隶车(1)也Φ渗F修=tan见-1午(永(义tan爽Φ笋)/F科s袄)荐僵倒灶(2渐)幸τ决F=荒C剃F激+饼σ锤tan肾Φ望F畅津术再(3)解本逢告甚序伶艘式中：随C施F收是折减后土体肺虚拟的粘聚力鹰；骑Φ休F甚是折减后土体珍虚拟的内摩擦陪角；爹τ嚷F趴是折减后的强武度。端当使用某一折胜减后的强度指俗标进行复合土傻钉支护弹塑性磨有限元（有限乌差分法）计算遭，将计算不收柴敛时对应的贡作为最后计算伐所得的稳定系则数。虽然目前旧对强度折减法和中康射“导不收恶敛腊”间的定义比较多棕，争议也比较晨大，但是该方肃法考虑了复合规土钉支护的应格力应变场和土胆与结构的相互机作用，其优越俗性是相当明显傍的。伴图弹9兴为某软土地区摘的复合土钉支触护采用强度折钥减法计算的剪饰应变增量云彩陪图。图中很明霉显的反映出了旅复合土钉支护才的两条主要裂砌缝的形态。旨图酷9封叼某工程算例的格剪应变增量云就彩图。决Fig.9衣Contou齐rMap火ofShe主arStr锤ainin喂cremen骨tofa留desig悦nsamp狸le丝3.悔3乌对复合型土钉蛋支护计算方法书的再讨论允如前文所述，庸复合型土钉支盲护的工作性状景表明其边坡的壁属性，因此在辨实际工程的设庄计中采用条分秘法计算支护的左整体稳定性（笛不管是采用单碎圆弧简单条分哗、双圆弧条分扶或其它基于条馆分法的改进方逃法），在计算迫参数合理、安泳全系数把握正拉确的条件下足搜以保证基坑支累护的安全度。系套用重力式坝柄体的设计方法添计算复合型土然钉支护的抗倾践覆和抗滑移是睡不必要的。在率在实际工程中穿，复合土钉支孕护多应用于软床弱地层中，土齿钉长度一般为套开挖深度望的东1.鞭5天～诸3.念0阴倍，倾覆安全好系数均大跟于钟1鹅0叫，甚至达俯到岂3某0溜，抗滑移系数课也很大。在工宣程实践中，也历没有发现过类续似的破坏型式答。晶此外，套用桩旺锚结构体系（挨荷载－结构体华系）的设计方地法，如果侧重孤土钉的抗拔验惨算而忽视边坡泻整体稳定性的抖分步计算，极舍有可能出现工桂程事故。坛4贤存在的问题及码研究方向使虽然研究者众本多，成果颇丰亚，但复合型土饿钉支护目前的振现状仍然是工金程实践领先于醉理论研究，这害主要表现为目榴前设计人员普既遍采用的方法拨仍然是通过工梦程类比确定土庙钉的间距、长山度和水泥土搅限拌桩的宽度和于强度指标。仍遥然不能将土钉颈参数、水泥土购搅拌桩的参数泉与土性参数建寿立联系，接由准土性参数、开脖挖深度及周边私边环境要求，碑通过计算优化作土钉间距、长亭度以及土搅拌沃桩的强度及宽默度。这应该是歇后一阶段复合艰土钉支护研究合的方向。现目前，复合型墨土钉支护由于锣造价方面的优窝势而得以广泛度应用，但在有蝴些地层中应用析土钉支护是比刮较勉强的，如贤深厚的淤泥地基层，这种地层炊中基坑开挖卸绪载引起的应力舞变化波及的范语围很远、很深握，且伴随时间便延续，产生的扩流变过程都会做对周边环境及喂支护边坡的安扮全有相当大的辽影响，工程界禽的任务是针对议该类地层发展屋更有效的复合亿型式，如竹筋炊与土钉的复合偷等。浸参考文权献杏(Refer萄ences夺)杯：宣李象范，徐水帖根神.斗多复合型土钉挡缝墙的研设究炎[J].蛮认上海地质狭，窝199颤9炭年第三期讯：号1葛～盆11.回(LiX谅iangfa兆n舅，绵XuShu水igeng.雀Study期ofth撒ecomp后ounds健oilna太iledr孕etaini师ngwal六l[J].纤Shangh衡aiGeo毙logy雅，武1999(3刘)棒：扶1昌–外11.(in钢Chine皂se))讨宋二祥，师邱并笑钥姐.公路基坑复合土钉慨支护有限元分度析盾[J].状消岩石力学攻，秘200苗1弃，鼠22(3唐)异：株24捞1竖－忍244.(S茅ongEr遍Xian浊g态，育QiuYu怎e.Fin烤iteel鸭ement牛analys嘴isof抓compos妈iteso丑ilnai皱lingf拒orexc违avatio种nsupp骨ort[J]略.Rock津andS屑oilMe脑chanic宫s忙，拒200领1苍，暴22(3味)没：类24饼1鸡–好244.(堡inChi阔nese)脊)叫张明聚，宋二冰祥，陈肇悦元矩.材社基坑土钉支护疯稳定分析方法宝及其应温用沉[J].墓惨工程力学蹄，聋199荐8成，燃15(3醉)绘：深3万6语–莫43.(Zh签angMi趟nj巨u龟，岭SongE血rXian回g劫，汉ChenZ词haoyua差n.As消tabili臣tyana匆lysis骑method拍andi亏tsapp速licati脱onfor齿soil招nailin载gine诊xcavat誉ion[J]迈.Engi功neerin购gMech诉anics雪，浸1998雷，拌15(3)望：忍36逮–呜43.(i娃nChin诊ese))强张明惧聚拔.漂足复合土钉支护诱及其作用原理费分题析域[J].靠葵工业建筑增秆刊政(遍第三届基坑工衔程学术讨论会锈论文梁集掏)虎，鄙200输4眼：她6团0映–眉68(in起Chine赌se)阶尹笛盾骥，区管熄鼠飞，许峻钞峰与.蜜悬复合土钉支护朱稳定性计算方橡法与边坡裂缝坡关系的探嫁讨前[J].淡熔岩土工程界吉，会200认4宏年夜4右月吃第甚4扩期歉：井5播0解–驶54.(Y扇inJi疯，斩GuanF奇ei柱，慈XunJu石nfeng.韵Discu蓄ssion茧ofthe普relat津ionof附theg元lobal岗safety厌facto俩roft盛he唯Compou榆ndSoi搬lNail验Wall营andc支racks突onthe负slop[刻J].Ge市otechn尊icalE液nginee漫ringW滑orld虹，个2004冲，欢4柿：炊50芽–标54.(in蛙Chine镜se))贸连镇营，韩国劣城释.马桶土钉支护开挖泉过程的数值模贿拟分涌析绪[J].棍肾岩石力学与工腿程学报仰，寻200仔1皆，跑20哑(况增同1担)态：缓109避2摩–戚1097.(舌LianZ锯henyin秩g收，昂HanGu瓶ocheng建.Nume兴rical氏simula济tiona嫩ndana醋lysis脸onsoi狠l-nail捕edwal井l[J].挂Chines膏eJour回nalof列Rock握Mechan萍icsan店dEngi恒neerin尘g杜，跪2001铸，乞20(1)络：球1092琴–薄1097.届(inC广hinese名)球)悄曾宪明，林皋级，易平作等征.山劫土钉支护软土布边坡的加固机筹理实验研两究额[J].胜层岩石力学与工漏程学报鼓，喷200涌2雪，转21(3碗)括：坐42米9瞎–课433.(Z辅engXi米anming您，生LinGa烫o莫，穿YiPin鼓geta晃l.Tes分tings斑