范俊奇 楊群曉 郭隧軍 宋紅民 樓夢(mèng)麟

(1．同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092;2．總參工程兵科研三所，洛陽(yáng)471023;3．洛陽(yáng)市河渠管理處，洛陽(yáng)471000;4．洛陽(yáng)城市建設(shè)勘察設(shè)計(jì)院有限公司，洛陽(yáng)471000)

1 引言

復(fù)合土釘支護(hù)是以土釘支護(hù)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(yù)應(yīng)力錨桿等支護(hù)手段，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，以達(dá)到穩(wěn)定土體、圍護(hù)邊坡穩(wěn)定目的的支護(hù)新技術(shù)［1－2］。復(fù)合土釘支護(hù)將主動(dòng)支護(hù)和被動(dòng)支護(hù)聯(lián)合應(yīng)用，柔性支護(hù)與剛性支護(hù)相結(jié)合，根據(jù)具體工程情況靈活運(yùn)用土釘及其他各種支護(hù)構(gòu)件的支護(hù)原理，創(chuàng)造性地對(duì)基坑進(jìn)行支護(hù)，來控制基坑開挖過程中的變形，提高基坑的穩(wěn)定性，以達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的目的。其支護(hù)作用可歸納為:分擔(dān)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(fù)合土釘支護(hù)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(fù)合土釘支護(hù)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(fù)合土釘支護(hù)方式［2－4］。歸納起來，目前應(yīng)用相對(duì)較多的復(fù)合 土釘支護(hù)形式及其適用條件如表1所示。

表1 復(fù)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(hù)技術(shù)，復(fù)合土釘技術(shù)應(yīng)用范圍更廣，適應(yīng)性更強(qiáng)，更具中國(guó)特色。因此，在國(guó)內(nèi)許多工程中進(jìn)行過成功應(yīng)用［1，4－8］。許多專家學(xué)者也對(duì)其機(jī)理進(jìn)行了研究和分析，提出了若干有價(jià)值的分析結(jié)論。但這些成果與結(jié)論大多是針對(duì)如淤泥、流沙等不良地質(zhì)條件提出的［4－8］，而對(duì)厚填土邊坡的研究與應(yīng)用成果較少。通常認(rèn)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(jìn)行穩(wěn)定性分析和支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算就可以了。然而，研究表明，厚填土邊坡在夯實(shí)條件下，其破壞模式并非簡(jiǎn)單的圓弧破壞模式，而是平面－弧面組合的復(fù)雜破壞模式［6］。本文簡(jiǎn)要介紹了夯實(shí)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(shù)對(duì)因暴雨坍塌的洛陽(yáng)中州渠某段河堤進(jìn)行了復(fù)原加固。概述了該工程復(fù)合土釘支護(hù)的設(shè)計(jì)、施工及其穩(wěn)定性。

3 填土邊坡的復(fù)雜破壞模式相似模型試驗(yàn)

夯實(shí)填土邊坡的成分及堆填過程較為復(fù)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(yàn)證了填土介質(zhì)模型試驗(yàn)的相似法則為:

式中，t，l為原型的時(shí)間和長(zhǎng)度;t'，l'為模型的時(shí)間和長(zhǎng)度。

模型試驗(yàn)在室內(nèi)試驗(yàn)箱中進(jìn)行，試驗(yàn)箱尺寸為315 cm×250 cm×60 cm(長(zhǎng)×寬×高)。據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，分層開挖的條件下每層土壤變形達(dá)到穩(wěn)定(趨向破壞)的時(shí)間一般不小于2～3 d。因此試驗(yàn)時(shí)選取原型時(shí)間為t=2 d=48 h，由此計(jì)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(yàn)箱的端部擋板按20 cm/塊設(shè)計(jì)，相對(duì)于不同的開挖深度，相似模型的比例亦不同，試驗(yàn)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(jìn)行了夯實(shí)厚填土邊坡土釘支護(hù)系列的相似模型與自模擬原型的設(shè)計(jì)、制作，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了非降雨和降雨條件下邊坡破壞模式的相似模型試驗(yàn)。模型試驗(yàn)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(duì)圖1、圖2的破壞模式進(jìn)行分析研究后表明:

(1)對(duì)于人工夯實(shí)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(duì)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(fù)存在。

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

以上分析可知，人工夯實(shí)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(fù)雜破壞模式。依據(jù)上述對(duì)降雨前后厚填土邊坡破壞模式的研究分析，即可對(duì)厚填土邊坡進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。

4 工程應(yīng)用

4．1 工程概況

洛陽(yáng)市中州渠始建于20世紀(jì)50年代，總長(zhǎng)度為12．8 km，穿越整個(gè)洛陽(yáng)市區(qū)，受降雨影響該渠有多處大型塌陷區(qū)地段需恢復(fù)原貌，復(fù)原后的路面需長(zhǎng)期保證車輛行駛及游人觀光使用，確保坡面長(zhǎng)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(jìn)行分析。該塌陷區(qū)總長(zhǎng)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(jìn)入坡內(nèi)6～7 m;3 m以下為Ⅱ級(jí)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(hù)參及方案選擇

該工程主要是要構(gòu)造一個(gè)高度、寬度和坡度均較大并能長(zhǎng)期抵抗一定動(dòng)載和靜載的填土邊坡。因此支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)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(jié)合為一體，并能保持長(zhǎng)期穩(wěn)定。且要同塌陷區(qū)兩側(cè)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(shè)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(duì)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(dòng)載3 t/m2的作用;坡角處為3 m寬的人行道，邊坡穩(wěn)定關(guān)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(hù)結(jié)構(gòu)材料抗腐蝕問題，即耐久性問題。

(7)支護(hù)結(jié)構(gòu)外表面預(yù)留伸縮縫問題。

通常，填土邊坡的防護(hù)預(yù)案有包括漿砌塊石擋墻等支擋結(jié)構(gòu)、護(hù)坡樁、預(yù)應(yīng)力錨索以及土釘支護(hù)等幾種形式。

若采用擋墻結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)需做得很高而厚，由于基礎(chǔ)底部距渠水僅3 m，支擋效果欠佳。采用護(hù)坡樁，造價(jià)高，時(shí)間長(zhǎng)，由于現(xiàn)場(chǎng)缺乏施工場(chǎng)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(yù)應(yīng)力錨索。同時(shí)由于邊坡破碎軟弱，成孔質(zhì)量及拉拔強(qiáng)度難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求，更無法采用土釘支護(hù)。經(jīng)各項(xiàng)綜合分析研究，最終決定采用土釘支護(hù)與加筋土、輕型擋墻相結(jié)合的復(fù)合土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)形式。

復(fù)合土釘支護(hù)參數(shù)的設(shè)計(jì)采用疊加原理，對(duì)于填土邊坡的土壓力一部分由土釘承擔(dān)，而另一部分由加筋承擔(dān)。另外土釘支護(hù)還須對(duì)既有邊坡改性和提供支護(hù)力。輕型擋墻具有平衡支護(hù)力和安全儲(chǔ)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(cè)傳統(tǒng)的預(yù)制擋板用垂直向下或傾斜向下的灌漿錨拴替代。靠坡面一側(cè)的預(yù)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(jié)構(gòu)形式。輕型擋墻還需考慮抗沖刷和抗侵蝕等永久性支護(hù)問題。

基于以上考慮，且為了簡(jiǎn)化計(jì)算，對(duì)土釘抗拔力和加筋土抗側(cè)向壓力分別計(jì)算后疊加，預(yù)設(shè)穩(wěn)定性系數(shù)為2．2，經(jīng)過多次重復(fù)性計(jì)算后得到的相應(yīng)的支護(hù)參數(shù)如圖3所示。

圖3 復(fù)合圖釘支護(hù)設(shè)計(jì)方案/mmFig．3 Design scheme of the soil nail support

4．3 復(fù)合土釘支護(hù)的施工

(1)回填:回填土采用洛陽(yáng)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(shí)的循環(huán)施工方法。填筑高度每增加50 cm為一個(gè)循環(huán)，以增加回填土的密實(shí)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(cuò)疊放后也需作夯實(shí)處理。

(2)土釘?shù)闹谱?、成孔與注漿:對(duì)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(kuò)大頭的方式，以減少設(shè)置過程中的摩阻力并使孔壁與管外壁有一定的保護(hù)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(qiáng)度時(shí)填土夯實(shí)。對(duì)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(jià)和縮短工期。

(3)加筋土(改良)結(jié)構(gòu)的施工:加筋里端的預(yù)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(zhǎng)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(shè) 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(shè) 18的加強(qiáng)筋，豎向?yàn)?48的優(yōu)質(zhì)鋼管。將加強(qiáng)筋牢固焊接在釘頭上。再?gòu)?fù)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(cè)試結(jié)果及評(píng)價(jià)

在施工過程中，每填筑、支護(hù)一層(層厚2．0 m)，均設(shè)點(diǎn)進(jìn)行位移及沉降觀測(cè)，結(jié)果如圖4所示。觀測(cè)結(jié)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(yàn)，沿岸有些路段出現(xiàn)了滑坡和塌方現(xiàn)象，很多路面設(shè)施出現(xiàn)了不同程度的損毀和破壞。但采用復(fù)合土釘支護(hù)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(fù)合土釘支護(hù)厚層夯實(shí)填土、進(jìn)行土體復(fù)原的一個(gè)成功應(yīng)用實(shí)例。

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

5 結(jié)語(yǔ)

(1)邊坡破壞模式的正確選取是其穩(wěn)定性分析和支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)的基本依據(jù)。本文用模型試驗(yàn)方法確定了厚填土邊坡的破壞模式，并依據(jù)該模式對(duì)洛陽(yáng)014中心中州渠水毀厚填土邊坡進(jìn)行了復(fù)合圖釘加固復(fù)原。實(shí)踐表明:對(duì)該工程采用夯實(shí)填土的復(fù)雜破壞模式進(jìn)行分析是科學(xué)合理的，可以推廣應(yīng)用于類似地質(zhì)條件下邊坡穩(wěn)定性分析和設(shè)計(jì)。

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

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

(4)在使用中應(yīng)注意，軟土基坑工程應(yīng)用時(shí)，必須增設(shè)其他輔助結(jié)構(gòu)使其具有超前支護(hù)功能，不能簡(jiǎn)單地沿用常規(guī)支護(hù)形式。在淤泥層與砂層互層的情況下，施工中應(yīng)同時(shí)解決地下水控制問題。

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