回填碾压式土钉墙在边坡支护中的应用

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摘要：本文是针对回填碾压式土钉墙在支护弱湿陷性黄土陡边坡的设计进行探讨，并通过后期墙体变形观测进行验证，进而分析了变形原因，另对类似狭窄环境条件下边坡支护提供了一种参考。

关键词：回填碾压式土钉墙 ；狭窄环境条件 ；边坡的整体稳定性分析 ；危险滑动面试算

中图分类号：U455文献标识码： A

1.概况

大唐长山热电厂，位于吉林省松原市境内，始建于1969年，经过五期扩建，总装机容量69.3万千瓦。2007年执行国家上大压小政策新建1×660MW燃煤机组，同时预留扩建1台机组场地，厂区土质情况为中粉质黄土，具弱湿陷性。新建工程的厂区道路（公路-Ⅱ）距离前几期循环水回水电站外墙仅3米，路面与水电站零米高差为6米，见附图一《土钉墙平面布置图》。

附图一土钉墙平面布置图

为保证回水电站持续安全运行，需要设计边坡支护，由于水电站侧空间狭窄，无法放置施工机具，只能在边坡背侧想办法，因此设计了回填碾压式土钉墙的支护方式。

2.设计

土钉墙支护一般是在基坑开挖过程中随开挖深度逐级加深而分层埋设土钉，边坡表面再采用喷护方法形成面层。而回填碾压式土钉墙是先开挖墙后土体，继而施工钢筋混凝土墙身，然后逐层埋设土钉逐层回填碾压，直至挡土墙最终形成。设计依据为《基坑土钉支护技术规程》CECS96:97。规程中对土钉支护的设计有如下规定：

“5.1.1.土钉支护的设计应包括下列内容：

1.根据工程类比和工程经验初选支护各部件的尺寸和材料参数。

2.进行计算分析主要有：

1）支护的内部整体稳定性分析与外部整体稳定性分析；

2）土钉的设计计算；

3）喷混凝土面层的设计计算以及土钉与面层的连接计算；”

原状土和碾压土力学参数、土钉墙初选支护各部件的尺寸详见附图二《土钉墙A-A剖面图》。

附图二土钉墙A-A剖面图

2.1支护的内部整体稳定性分析

土钉支护的内部整体稳定性分析是指边坡土体中可能出现的破坏面发生在支护内部并穿过全部或部分土钉。假定破坏面上的土钉只承受拉力且达到按规程CECS96:97第5.4.5条所确定的最大抗力R，按圆弧破坏面并采用普通条分法对支护作整体稳定性分析。

取1米单位长度支护按下式算出内部整体稳定性安全系数FS：

式中：Wi、Qi是作用于土条i的自重和地面、地下荷载；αi为土条i圆弧破坏面切线与水平面的夹角；Δi指土条i的宽度；φj是土条i圆弧破坏面所处第j层土的内摩擦角；cj是土条i圆弧破坏面所处第j层土的粘聚力；Rk为破坏面上第k排土钉的最大抗力；βk为第k排土钉轴线与该处破坏面切线之间的夹角；Shk为第k排土钉的水平间距。

首先根据泰勒土坡圆弧滑动面的整体稳定分析方法，根据土的内摩擦角φ和坡角β从φ&β∽αT&θT曲线中初步确定最危险滑动面圆心，见附图三《土坡失稳危险滑动面试算简图》中O1点；由于原水电站地下基础限制，滑动面只能沿坡角处破坏，因此最危险滑动面试算时分别将坡顶圆弧滑动点向左右移动，求出这一方向的Fsmin，见图中Fs4=3.771点对应O4点。再沿其圆心连线的垂线方向试算滑动面圆心，见图中Fs6至Fs8，其中O7点Fs7=3.770最小，至此O7点对应圆弧为最危险滑动面。由此可知初选尺寸的土钉墙内部整体稳定性是安全的。

附图三土坡失稳危险滑动面试算简图

2.2支护的外部整体稳定性分析

规程CECS96:97对支护的外部整体稳定性分析是引用《建筑地基基础设计规范》GBJ7-89中第6.4.7条。见附图四《土钉墙抗滑移和抗倾覆计算简图》。其中抗滑移安全系数：

抗倾覆安全系数：

式中：G为挡土墙每延米自重；x0为挡土墙重心离墙趾的水平距离；α0为挡土墙基底倾角；α为挡土墙墙背倾角；δ为土对挡土墙墙背的摩擦角；b为基底的水平投影宽度；z为土压力作用点离墙踵的高度；μ为挡土墙基底的摩擦系数。

附图四土钉墙抗滑移和抗倾覆计算简图

计算中假设挡土墙身和土钉穿越的碾压土体为一一整体墙。该墙背后土压力是按原状土力学性能指标计算主动土压力。经计算Ks=3.61,Kt=66.46,可见两种外部整体稳定性是满足要求的。

2.3土钉的设计计算

规程CECS96:97对土钉的设计规定如下：

“5.4.1土钉的设计计算遵循下列原则：1）只考虑土钉的受拉作用；2）土钉的设计内力按5.4.2条规定的侧压力图形算出；3）土钉的尺寸应满足设计内力的要求同时还应满足5.3.1条规定的支护内部整体稳定性的需要。”

在土体自重和地表均布荷载作用下,每一土钉所受的最大拉力或设计内力N可按附图五《混凝土面板设计计算简图》左侧所示的土压力分布图形按下式求出：

式中：θ为土钉倾角；p1为土钉长度中点所处位置上由支护土体自重引起的侧压力；pq为地表均布荷载q引起的侧压力。此时墙踵处高度h=6.5m,经计算N=19.34KN。

各层土钉在设计内力作用下应满足下式：

式中：Fs,d为土钉的局部稳定性安全系数，取1.2；fyk为钢筋抗拉强度标准值，取HPB335钢筋fyk=335N/mm2。通过计算求得土钉钢筋面积为80.19mm2，可选取HPB335直径12mm以上钢筋，实际使用16mm钢筋。

各层土钉的长度沿宜满足下列条件：

式中：τ为土钉与土体之间的界面粘结强度，按规程CECS96:97第5.1.4条取50kPa。经计算土钉长度为3.43m,实际选用的为6.00m。

对支护作内部整体稳定性分析时，土体破坏面上每一土钉达到的极限抗拉能力R是按下列公式计算并取其中的最小值：

按土钉受拔条件：

按土钉受拉屈服条件：

式中：d0为土钉孔径；d为土钉钢筋直径；la为土钉跨过破坏面伸入稳定土体中的长度；fyk为钢筋抗位强度标准值。经计算两者较小值为38.15KN。

2.3混凝土面层的设计

规程CECS96:97要求混凝土面层按《混凝土结构设计规范》GBJ10-89设计。混凝土面层土压力的计算值按规程CECS96:97第5.1.2条的原则确定取荷载分项系数和结构的重要性系数。

土体自重及地表均布荷载q的作用下，混凝土面层所受的侧身土压力p0按下式估算：

式中：s为土钉水平间距和竖向间距中的较大值，计算简图见附图五《混凝土面板设计计算简图》左侧图。

混凝土面层验算的内容包括板在跨中和支座截面的受弯承载力，计算简化参照《简明建筑结构设计手册》（第二版 唐锦春/郭鼎康），按弹性理论计算连续双向板，其支座最大弯矩及跨中最大弯矩均按中间内区格四边固定支座的单块双向板计算。见附图五中右侧图。

跨中最大弯矩

支座最大弯矩

式中Maz=系数×p0l2,系数可按四边支承方式从《手册》附表中查得；l=短边=a=b=1m；μ构件泊松比，取1/6。

附图五混凝土面板设计计算简图

经计算，支座最大弯矩及跨中最大弯矩分别为243N・m/m和707N・m/m,经此计算的板内配筋小于板的最小配筋率，因此板内配筋按钢筋混凝土板最小配筋率设计，板厚按结构要求取150mm厚C25混凝土，配筋取HPB300钢筋8mm等距200双层布置，配筋率为0.335%≥ρmin=0.272%。

3.施工

土钉墙施工过程中，采取如下措施：

（1）挡土墙每20米设置一条伸缩缝；

（2）土钉预埋墙身部分为10mm厚Q235钢板正中挖孔塞焊土钉钢筋，露出墙身背面200mm,与预制土钉双面搭接焊。

（3）预制土钉为表面间隔1m浇筑长300mm 宽高均为100mm的C25锚固块，土钉钢筋外露部分使用沥表漆防腐；

（4）排水设计为墙身分别在距坡趾0.25m、1.75m、3.25m、4.75 m处水平间距3米梅花型布置排水孔，坡顶与路间隙全部硬覆盖，利用路面雨排系统排除坡顶积水。

（5）碾压土最大干密度及最优含水量通过室内击实试验获得，施工时碾压机械选用12振动压路机，经实测压实度在96%以上，提高土的力学指标同时消除黄土的弱湿陷性；

（6）由于土钉墙向墙后有10°的倾角，拆模后回填土过程中应设置临时支撑防止墙身向填土侧倾倒。

4.变形监测

在同一铅直面内距土钉墙趾0.50m、3.00m、6.00m高度设置多组变形测点，经过电厂建设期近1年半的观测，测点位移S及墙身变形见附图六《挡土墙S-lnt曲线图》及附图七《墙身变形线示意图》。

附图六挡土墙S-lnt曲线图

附图七墙身变形线示意图

通过观测数据可以看出：挡土墙S-lnt曲线在观测最后阶段趋于水平，变形值保持不变，说明墙身变形趋于稳定；变形值中负值最大-5.50mm正值+1.00mm,说明挡土墙设计是可行的；由于土钉有10°向下的倾角，在回填碾压过程中由于回填土压缩使土钉承受远离墙身方向拉力，使墙身测点在回填期出现的位移负值。

5.结语

通过土钉墙的设计及观测值的反馈，验证了规程CECS96:97中土钉墙设计方法可以在回填碾压式土钉墙中使用。另外，有别于自上而下的土钉墙施工方式，自下而上的回填碾压式土钉墙提供了墙背侧成墙的施工经验，可在坡面侧空间狭窄无法放置作业机械时考虑使用。

参考文献：

1.《基坑土钉支护技术规程》CECS96:97

2.《建筑地基基础设计规范》GBJ7-89

3.《混凝土结构设计规范》GBJ10-89

4.《公路工程技术标准》JTG B01-2003

5.《土质学与土力学》（第三版） 高大钊/袁聚云 人民交通出版社

6.《黄土力学与工程》 刘祖典 陕西科学技术出版社

7.《简明建筑结构设计手册》（第二版） 唐锦春/郭鼎康 中国建筑工业出版社

8.《岩土锚固技术与工程应用》 中国岩土锚固工程协会 人民交通出版社 2004