软土地基土钉支护坑底隆起失稳及其对策

　　摘要：本文着重考虑软土地基中土钉支护的基坑底隆起破坏模式，即土钉足够长、足够密，从而使得滑弧通过土钉的内部稳定足够安全，但是由于土钉支护中竖向无插入深度，坑底土未做任何加固，极易引起坑底土隆起破坏。本文分析了软土地基土钉支护坑底隆起失稳的性状，并提出了相应的对策，即放缓坡、增加平台宽度，或增设超前锚杆等措施对抗隆起失稳的影响。
　　关键词：土钉支护；失稳；对策
　　一、引言
　　现行的基坑边坡土钉支护规范一般规定土钉支护不适合用于或应严格谨慎地用于软粘土基坑围护工程。如《基坑土钉支护技术规程》CECS96:97总则第1.0.3条规定，土钉适用于下列土体：可塑、硬塑或坚硬的粘性土，胶结或弱胶结(包括毛细水粘结)的粉土、砂土和角砾、填土、风化岩层等。在松散砂土夹有局部软塑、流塑粘性土的土层中采用土钉支护时，应在开挖前预先对开挖面上的土体进行加固，如采用注浆或微型桩托换。并又在基本规定第3.0.6条规定：当支护变形需要严格限制且在不良土体中施工时，宜联合使用其它支护技术，将土钉支护扩展为土钉－预应力锚杆联合支护、土钉－桩联合支护、土钉－防渗墙联合支护等，并参照相应标准结合本规程进行设计施工。
　　在软粘土地基中土钉支护体系较普遍的破坏形式是发生基坑隆起，土钉支护坑底抗隆起破坏稳定分析及对策是值得研究的。
　　
　　二、土钉支护基坑底隆起分析原理
　　一个典型的土钉墙结构剖面图1如下所示。最常见的破坏模式是土体沿着最危险滑动面发生滑动。
　　但在软土层中，如果土坡加固有足够稳定，破坏不再沿着图1所示最危险滑动面向下滑动，而是发生基坑土体隆起破坏，如图2所示。即滑弧不穿过土钉加固的深度，而仅发生在最下一排土钉一下的土体中，也可看作基坑承载力破坏。
　　
　　图1土钉支护剖面图图2基坑隆起示意图
　　此时，土层开挖，应力释放，基坑土体发生的是由地基竖向承载力不足所导致的剪切破坏，土坡下陷，基坑土体不断从坡角处隆起。由于土钉是打在基坑边坡的土体中，对基坑底部土体没有任何的约束和抗隆起作用，显然再加密加长土钉都不会起任何作用，只能造成浪费。
　　计算中常用到的地基极限承载力Prandtl解是在条形荷载作用下得出的，但在很多情况下，基坑地基都为非均质的层状土，不能形成如均质地基时的滑动面形状，且实际荷载往往都不是均匀分布的，因此难以得到如Prandtl滑移场那样有较简单分布形式的滑移线。
　　
　　图3条形荷载下的Prandtl滑移场
　　为了解决这一问题，工程实践中常采用圆弧滑动稳定性分析法对由于地基承载力不足导致的基底隆起情况作定性分析。该方法假设土体隆起破坏的滑动面呈圆弧状，采用瑞典条分发或者Bishop法进行圆弧滑动安全系数的验算，以确定基坑的抗隆起稳定性是否达到要求。
　　本文采用圆弧滑动假设，认为复合土钉支护基坑隆起滑动面可以用一个近似的圆弧代替，并利用瑞典条分法计算圆弧滑动的安全系数。
　　三、增加基坑底抗隆起安全系数的工程措施
　　1、放缓坡或增加平台宽度。
　　笔者利用自编程序验算某土层中在其它参数都不变的条件下，坡率和平台对基坑隆起的影响，可以增强直观的认识。
　　
　　
　　图4抗隆起安全系数Fs随坡率变化
　　由图4可见，随着坡率增大，土坡逐渐变缓，安全系数也越来越大。
　　如果其它参数不变，而在土坡中设置平台，结果会怎样呢？假定土坡坡率为1:1，在基坑3米深处设置平台，图5是随平台宽度增加，安全系数的变化情况。从图5可以看出，在土坡中设置平台后，土坡的安全系数有显著的增长。不设置平台，也即平台宽度为0，安全系数仅为1.019，当设置1m宽的平台后，安全系数增长到1.048，随着平台不断变宽，Fs也越来越大，7米宽平台对应的安全系数达到1.29。就淤泥质粘土而言，设置平台是有效的增大基坑抗隆起安全系数的方法。
　　
　　
　　图5Fs随平台宽度变化
　　
　　2、增设超前锚杆
　　超前锚杆在土钉支护中的抗隆起作用是通过超前锚杆与基坑土体之间的相互作用来实现的。当基坑土体有滑动趋势，在超前锚杆上形成侧向土压力，超前锚杆会对土体有大小相等的抗滑力，阻止其滑动破坏。而抗滑力也即侧向土压力的大小与超前锚杆的直径及锚杆间距有直接的关系，通过调整直径和间距，可达到增大抗滑力提高抗滑稳定性的效果。但是超前锚杆的抗弯能力是有限的，因此在增大土压力的同时，又要保证锚杆本身的强度满足要求，不至于在侧向土压力作用下发生破坏。
　　土钉支护中超前锚杆抗隆起设计，应该综合考虑上述因素，并对可能发生的破坏进行逐一验算。为此，超前锚杆在基坑土钉支护中的抗隆起作用分析可按如下方法进行：
　　首先，验算在没有设置超前锚杆时，基坑隆起的最危险滑动面和最小安全系数,如果最小安全系数不满足稳定性要求，就要设置超前锚杆进行抗隆起设计验算；
　　把超前锚杆抗滑力P产生的抗滑力矩加到条分法安全系数公式中得：
　　(1)
　　R是滑弧半径，h是滑弧圆心到超前锚杆与滑弧交点的垂直距离，h形心是土压力作用点到超前锚杆与滑弧交点的垂直距离。当基坑中有多层土时，应该分层计算侧向土压力的抗滑力矩，再加到总抗滑力中。另外若地表有大面积堆载，可先将其化为相当厚度的土层，然后再进行计算。
　　若由上式求得的最小安全系数不能满足要求，则应调整超前锚杆的直径和间距，直至满足；
　　最后，如果有必要，还应对超前锚杆的弯矩和剪力进行验算，保证超前锚杆的强度也满足要求。
　　考虑超前锚杆的阻滑作用，笔者设计了一段计算超前锚杆侧向土压力及其抗滑力矩的子程序，就可以很方便验算设置了超前锚杆的复合土钉基坑抗隆起安全系数。
　　以下将利用已考虑超前锚杆抗隆起作用的程序，验算基坑的抗隆起稳定性，并探讨超前锚杆抗滑的影响因素。
　　当超前锚杆的直径保持100mm，调整超前锚杆间距，计算结果如图6所示。
　　如果让超前锚杆的间距不变，为1m，改变锚杆的直径，则计算结果如图7所示。
　　
　　图6Fs随超前锚杆间距变化图7Fs随超前锚杆直径变化
　　
　　(2)、超前锚杆抗隆起影响因素分析
　　由图6可知，随着超前锚杆间距的不断减小，锚杆排列越来越密集，安全系数逐渐增大，超前锚杆间距越来越近，曲线不断向Y轴逼近，当超前锚杆紧挨着排列，安全系数则变得无穷大。从实际工程上来看，即只要超前锚杆的刚度足够大不至于被剪断，此时排桩就变成连续墙，土体将无法从超前锚杆间滑过，搭接排列的深层搅拌桩作为超前锚杆就可以视为此种情况。
　　图7表明，超前锚杆的直径增加，抗隆起安全系数也随之增大，且增大的速率较减小超前锚杆间距要快。
　　可见抗隆起安全系数与超前锚杆的间距成反比，同超前锚杆直径成正比，超前锚杆间距越小直径越大，其抗隆起能力越强。
　　这一计算结果与工程实践是吻合的。
　　
　　3、结语
　　通过上面的分析计算，可得出以下结论：
　　（1）软土基坑的抗隆起性能很差，在不采取任何抗隆起措施的条件下，容易发生地基土剪切破坏。
　　（2）基坑抗隆起安全系数与土坡坡率成正比。坡越缓，安全系数越大，但在淤泥质土中，坡率对安全系数的影响并不十分明显。
　　（3）隆起安全系数与基坑平台宽度成正比，平台宽度对安全系数有较显著的影响。
　　（4）在软弱地基中设置超前锚杆是提高土钉支护稳定性的有效手段。
　　（5）设置了超前锚杆的复合土钉支护，其基坑抗隆起安全系数与超前锚杆直径成正比，直径越大，基坑的抗隆起能力越强。
　　（6）土钉支护的基坑稳定性与超前锚杆间距成反比。超前锚杆间距越小，基坑稳定性越好，越不容易发生隆起破坏。

《软土地基土钉支护坑底隆起失稳及其对策》

本文由职称驿站首发，您身边的高端学术顾问

文章名称： 软土地基土钉支护坑底隆起失稳及其对策

文章地址： https://m.zhichengyz.com/p-14161