深基坑中基于简化增量法的土钉支护技术应用探究
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摘要：本文结合深基坑支护设计与施工，简述了深基坑设计理论及其存在的一些问题，重点讨论了基于增量法的土钉内力简化计算方法，对深基坑支护工程今后的技术应用进行了探讨，以期进一步完善深基坑支护技术。
一 深基坑的支护类型和常用结构计算方法
基坑支护设计是一个综合性的岩土工程问题既涉及土力学中典型强度与稳定问题，又包含了变形问题，同时还涉及到土与支护结构的共同作用以及结构力学等问题，常见的基坑支护类型有：1)土钉墙支护。2)搅拌桩支护。3)柱列式灌注桩、排桩支护。4)内支撑和锚杆支护。5)钢板桩支护。6)地下连续墙。目前常用的支护结构计算方法有静力平衡法和等值梁法。
1.1 静力平衡法
静力平衡法亦称自由端支承法，该法假定围护结构是刚性的，并可绕支撑点转动。围护结构的前侧产生被动土压力，后侧产生主动土压力。静力平衡法适用于围护结构的入土深度不太深即底端非嵌固的情况，此时围护结构由于土压力的作用而达到极限平衡状态。利用墙前后土压力的极限平衡条件来求插入深度、结构内力等。
1.2 等值梁法
单支撑(锚拉)埋深板桩计算，将其视为上端简支、下端固定支承，变形曲线有一反弯点，一般认为该点弯矩值为零，于是可把挡土结构划分为两段假想梁，上部为简支，下部为一次超静定结构，其弯矩图不变，该法称为等值梁法。实践表明，等值梁法计算板桩是偏于安全的，实际设计计算常将最大弯矩予以折减，折减经验系数为0．6～0．8，一般取0．74。等值梁法基于极限平衡状态理论，假定支挡结构前后受极限状态的主被动土压力作用，不能反映支挡结构的变形情况，亦即无法预先估计开挖对周围建筑物的影响，故一般仅作支护体系内力计算的校核方法之一。
二 土钉的受力特性及增量法内力简化计算
深基坑支护工程中土钉支护结构以其设计简便、快速,施工方便,造价经济等优点深受人们的青睐,在很多深基坑工程中得到快速的推广应用。
2.1 土钉受力特点
土体的抗剪强度较低，抗拉强度几乎可以忽略，但土体具有一定的结构整体性，当开挖基坑时，土体存在使边坡保持直立的临界高度，当超过这一高度或者在地面超载及其它作用下，将发生突发性整体破坏。所采用的传统支挡结构均基于被动制约机制，即以支挡结构自身的强度和刚度，承受其后的侧向土压力，防止土体整体稳定性破坏。土钉墙则是在土体中放置一定长度和密度的土钉构成的。土钉与同工作，形成了能大大提高原状土强度和刚度的复合土体，土钉的作用是基于这种主动加固的机制。土钉与土的相互作用，还能改变土坡的变形与破坏形态，显著提高了土坡的整体稳定性。
2.2 土钉力的分布
土钉的拉力分布在滑动面处拉应力最大，图1所示为法国某土钉墙试验的结果。对于单根土钉来说，滑动区对土钉产生向外的拉拔力，而滑动区以外的土体则对土钉提供抗拔力，拉拔力与抗拔力方向相反，滑动面处相当于土钉受力的中性点。反之，土钉对滑动土体提供稳定的拉力，同时对稳定土体产生一个向外的拉力，如图2所示，滑动区即图1中的主动区，稳定土体即1中的约束区。显然，当滑动区土体向外水平位移时，土钉对滑动土体产生一个向内的水平拉力，则滑动土体作用于土坡面上的混凝土面层的侧压力必定小于主动土压力，土钉与滑动土体的摩阻力抵消了一部分土压力。
2.3 基于动态施工的增量简化计算方法
根据实际土钉在基坑开挖受力过程，首先确定土钉受力的分配原则。设一临界开挖深度为 的均质土体分4次进行开挖，土钉按照等间距布置。除第1层开挖深度为 外，其它每次开挖深度均为 ，如图3-1所示。在开挖第1层土时（开挖深度为 ），由于土体本身具有自凝聚能力，垂直边坡不产生侧向土压力。当第1层土开挖结束后，施工第1层土钉1，如果不考虑土体的滞后变形，此时土钉1上不承担侧向土压力。
继续开挖第2层土，如图3-2所示，此时由于开挖深度超过临界开挖深度 ，土体产生不平衡的侧向土压力增量P1。由于此时尚未施工第2层土钉，因此，不平衡侧向土压力增量P1，必须由土钉1来承担。第2层土开挖结束后，进行第2层土钉施工，如果不考虑土体的滞后变形，此时土钉2不承担任何土压力。
继续开挖第3层土，如图3-3所示，第3层土开挖产生新的不平衡侧向土压力P2，由于此时尚未施工第3层土钉，因此不平衡侧向土压力增量P2必须由土钉1和土钉2共同来承担。当第3层土开挖结束后，进行第3层土钉施工，如果不考虑土体的滞后变形，此时土钉3上不承担任何土压力。
最后，进行第4层土开挖，如图3-4所示，产生新的不平衡侧向上压力P3，由于此时尚未施工第4层土钉，因此不平衡侧向土压力增量P3必须由土钉1、土钉2和土钉3共同来承担。当第4层土开挖结束后，进行第4层土钉施工，如果不考虑土体的滞后变形，此时土钉4上不承担任何土压力。假如此时施工结束，不再继续往下开挖，在理论上土钉4可以不施工。
从以上分析可知，土钉的作用是用于承担由于开挖而产生的全部侧向土压力，以保持边坡的稳定。模拟动态施工过程，土钉只有在施工后才产生作用，共同分担依次开挖后产生的新的不平衡侧向土压力增量。
图3.1-3.4 土钉力增量法简化计算图示
在图3-2中，P1全部由土钉1来承担，故此时土钉1的水平力为
Nll=Pl（1）
其中，Nij表示第i个不平衡侧向土压力增量分担给第j道土钉的水平力。
在图3-3中，新增加的不平衡侧向土压力增量P2由土钉1和2共同承担。新增加的不平衡侧向土压力增量作用点位于第2次开挖高度的下4/9处，设P2的作用点到土钉2的距离为L22，到土钉1的距离为L21，则有L21/ L22=2.8，根据结构力学原理，新增加的不平衡侧向土压力增量P2分配到土钉2的力是土钉1的2.8倍，故土压力增量P2使土钉1和土钉2分担的土压力增量为：
N2l =5P2/19 （2）
N22 =14P2/19（3）
在图3-4中，新增加的不平衡侧向土压力增量P3由土钉1、2和3共同承担。新增加的不平衡侧向土压力增量作用点位于第3次开挖高度的下7/15处，设P3的作用中心到土钉3的距离为L33，到土钉2的距离为L32，到土钉1的距离为L31，则L32/ L33=2.875，L31/ L33=4.75。则新增加的不平衡侧向土压力增量P3使土钉1、2和3分担的土压力增量为：
N33=38P3/69 （4）
N32=23P3/69 （5）
N31=8P3/69（6）
综合以上可得，作用在土钉1、2和3上的总土压力分别为：
N1= Nll+ N2l + N31=Pl + P2 + P3（7）
N2= N22 + N32= P2+ P3（8）
N3= N33= P3（9）
三 深基坑支护技术发展的展望
深基坑支护工程是基础施工所必须的临时结构,其工程造价与设计的合理性紧密相关,合理的设计是影响整个工程施工进度与造价的关键所在。由于存在诸多因素的影响,因此如何选择经济、安全、进度之间的合理平衡就是一个需要思考的重要问题,为了保证基坑设计的合理性与经济性,对基坑设计与施工提出以下建议:
3．1提高设计人员的素质。由于基坑设计与水文地质、工程地质条件密切相关,地基土参数的试验方法、取值、地下水的影响往往是确定支护结构设计的因素,同时降水施工过程也可能改变地基土的性质。这些复杂因素都要求设计人员根据自身的岩土工程设计经验来确定基坑支护设计方案。
3.2 为减少基坑工程带来的环境效应问题,或出于保护地下水资源的需要,基坑采用帷幕形式进行支护,除地下连续墙外,一般采用旋喷桩或深层搅拌桩等方法构筑止水帷幕。可尝试将水利工程中防渗墙的方法引入到基坑工程中来。
3.3 在软土地区,为避免基坑底部隆起、造成支护结构水平位移加大和临近建筑物下沉,可采用深层搅拌或注浆技术对基坑底部土体进行加固,即提高支护结构被动区土体强度的方法。为减少坑壁土体的侧向变形,可以通过基坑内外双液快速注浆加固土体;也可以对支撑(或拉结)施加预应力;还可以调整挖土进度以及支撑的施工程序等措施来限制基坑的侧向变形。
3.4采用动态设计和信息施工技术,确保基坑安全施工。由于基坑工程的不确定因素较多,设计人员应对支护结构较薄弱而可能出现事故的环节,以及出现事故的应急方案等提前加以适当考虑,及时修改相应的设计,并在设计图上说明,一旦发生事故,使之确实能起到应急作用。动态设计方法与信息施工技术,要求工程技术人员随时注意和掌握岩土工程施工过程中的信息反馈和资料积累。应用计算机监测,提供施工过程中支护体系及环境的受力状态及变形数据,对支护状态实行动态检测与控制,工程监测数据应及时反馈,以指导设计与施工。
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