基于破坏形式的复合土钉墙设计计算方法浅析

李长华 钱美亚

复合土钉墙支护是近年来在土钉墙基础上发展起来的新型支护结构,通过将土钉墙与超前支护结构(深层搅拌桩、旋喷桩、微型桩)等结合起来,根据具体工程条件进行组合,形成复合基坑支护结构。它弥补了一般土钉墙的许多缺陷和使用限制,极大地扩展了土钉墙技术的应用范围。复合土钉墙技术具有安全可靠、造价低、工期短、使用范围广等特点,获得了越来越广泛的工程应用。

对于复合土钉墙的设计方法,国家相关规范规程尚无明确计算方法,本文从复合土钉墙的几种可能破坏模式入手,针对几种破坏模式分别提出设计计算的方法,从而预防复合土钉墙发生破坏。

1 复合土钉墙的破坏形式与设计方法

1.1 整体稳定性破坏

整体稳定性破坏是指整个支护体系发生整体滑动破坏,圆弧滑动面对于纯土钉墙一般通过坑底或者坑底稍低位置,对于刚性围护体系则是通过围护结构底部破坏。由于复合土钉墙超前支护体系的刚度差别较大,有的采用水泥土搅拌桩,还有采用高压旋喷桩,因此圆弧滑裂面会因支护体系的刚度不同而不同,设计时需要予以考虑。

上述破坏形态可采用瑞典条分法按照式(1)进行设计验算。计算中应根据实际开挖工况过程对每个工况都要验算,防止发生开挖过程中的滑动破坏。

相关符号意义见JGJ 120-99建筑基坑设计规程。土钉墙整体稳定性的安全系数应大于1.3。

1.2 地基承载力不足破坏

基坑开挖至坑底后,坑内外土体产生较大高差,地基土可能发生隆起。由于复合土钉墙支护体系一般土质均较差,而超前支护体系的刚度差别也较大,因此发生自坑底隆起或者桩底隆起或者绕桩体流动的可能性很大,需要加以验算。

设计可采用普朗特尔公式计算或者太沙基公式计算。

普朗特尔(Prandtl,1920年)公式:

其中,Nq=eπtgφtg2(45°+φ/2);Nc=(Nq-1)/tgφ;D 为嵌固深度;h0为基坑开挖深度。

当验算坑底位置地基土的隆起破坏时,可取嵌固深度D=0。普朗特尔公式实际上是地基承载力的极限值,因此其安全系数一般应大于2.0。

1.3 土钉抗拔破坏

这种破坏形式是土钉锚固于稳定破裂面内的长度不足,导致土钉被拔出。由于复合土钉墙一般直立开挖,因此位于破裂面内的滑动土体体积较大,发生拔出可能性远大于普通放坡土钉墙。

土钉抗拔破坏要求土钉锚固力大于所承担的土压力,如式(3)所示:

相关符号意义见JGJ 120-99建筑基坑设计规程。

1.4 土体剪切破坏

对于第一道土钉一般埋设深度都不大,因此上部土体的法向压力不大。在这种情况下,当土钉的拉力较大时,可能会发生注浆锚固体周围的土体剪切破坏,导致锚固体整体拔出。这种破坏形式不是土体与注浆锚固体粘结力不足造成的,而是土体自身发生的剪切破坏。

预防这种破坏形式,就要根据土力学原理进行土体的抗剪强度验算。要求土体的抗剪强度大于土体的摩擦力取值。土体的抗剪强度验算按式(4)进行:

1.5 墙体倾覆破坏

墙体倾覆破坏指墙体绕坑底或者最下面一道支点发生倾覆破坏。墙体倾覆破坏的原因是外侧主动土压力对支点产生的弯矩大于各道土钉和被动土压力产生的平衡弯矩。由于在土钉墙设计理论中,每道土钉的水平抗拔承载力均按照水平主动土压力平衡计算,因此作用于墙体的水平土压力通过墙体分配至各道土钉,可见,只要土钉工作正常,墙体倾覆破坏的可能性基本不存在。

1.6 墙体剪切破坏

由于墙体强度一般不高,基坑底部坡脚位置土压力最大,因此易在该位置产生剪切破坏。根据有限元模拟结果来看,当土压力较大时,在水泥土坡脚位置产生45°斜向剪切破坏面,说明这种破坏是存在的,如图1所示。

对坡脚进行剪切破坏验算,计算跨度取最下面一道土钉与坑底距离再加0.5倍墙体宽度。取相应深度的水泥土压力作为荷载。则抗冲切面积为:A=2×B×1,其中,B为墙体宽度。

水泥土的抗剪强度:Cu0=(0.2～0.3)fcu;Cu0=C0+γ0h0tgφ0。其中,fcu为水泥土无侧限抗压强度,与水泥产量及养护期有关,当掺入量为 12%～13%,养护20 d左右时可取为1 MPa;C0为水泥土的粘聚力,一般取0.1 MPa～0.6 MPa;φ0为水泥土的内摩擦角,一般取 20°～30°;γ0为水泥土重度;h0为验算截面的深度,则抗冲切承载力为:V=A◦Cu0。

外荷载为:Q=e◦L。

可见,实际施工中可采取变掺量方法在受剪荷载较大之处增加水泥掺量。

1.7 墙体局部承压破坏

根据混凝土设计规范按下式进行素混凝土局部承压验算:

其中,Al为局部承压面积,考虑喷锚一般井字架长度400,故其面积取0.16 m2;fcc为素混凝土轴心抗压强度设计值,按混凝土轴心抗压强度设计值的0.85计算;其余符号同规范。

如按水泥土强度1 MPa计算,则:

对于土钉,一般长度超过12 m其承载力就增加不大,因此其抗拔承载力一般不会达到408 kN,所以混凝土局部承压一般不需要验算。但是应确保水泥土搅拌桩质量和井字架的长度。

2 结论和建议

经过几年的理论研究和工程实践,发展了多种组合形式的复合土钉墙技术,大量的工程应用表明,在地质条件较复杂的地方,复合土钉墙具有传统土钉墙无法比拟的优点。

对于复合土钉墙的设计方法,应该注意到由于超前支护体系的存在,如果按照纯粹的土钉墙设计方法则无法考虑超前支护结构的安全性。因此建议设计人员应从破坏模式入手综合考虑全面预防,以确保基坑工程的安全。

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