土的加筋法：地基处理，加筋土体细解

7 土的加筋法

7.1 概 述

土的加筋(soil reinforcement)是指在软弱土层中设置碎石桩(或砂桩等),或在人工填土的路堤或者挡土墙内铺设土工合成材料(或钢带、钢条、钢筋混凝土带、尼龙绳、竹筋等)作为加筋的筋体,或在边坡内打入土锚(或土钉、树根桩等)作为加筋材料,使这种人工复合的土体能够承受抗拉、抗压、抗剪或抗弯作用,从而提高地基承载力,减少沉降和增加地基的稳定性,并抑制地基的侧向变形。这种起加筋作用的人工材料称为筋体或筋材(reinforcing element,inclusion)。

由土和筋体组成的复合土体称为加筋土(reinforced earth)。

土的加筋法的基本机理是通过土体与筋体间的摩擦作用,使土体中的拉应力传递到筋体上,筋体承受拉力,筋体之间的土承受压应力和剪应力作用,使加筋土中的筋体和土体都能较好地发挥各自的作用。

加筋土技术的发明是一项重大的技术创新,是土木工程领域的一次技术革命。它的诞生和发展与材料技术的发展密不可分,是多学科交叉融合的产物。该技术为充分利用“越来越坏”的土地和越来越大的作用荷载提供了崭新的途径,并已经成为当今最引人注目的地基处理和加固方法,在世界各地被广泛地应用在交通运输工程、水利水资源工程、海岸工程和环境工程中,如加筋土挡土墙、加筋土边坡、加筋土地基(软基处理)。

几种土的加筋技术的工程应用如图7-1所示。

利用天然材料加筋和改善土体性状的历史悠久。我国民间早期采用稻草、枝条等加固河岸,建造房屋和路堤。据史料记载,我国古代汉武帝时期修建的长城,某些部分曾用柳条、碎石和黏土混合建造。现代加筋土技术的发展始于20世纪60年代初,法国工程师Henri Vidal首先在试验中发现,当土中掺有纤维材料时,土的强度得到明显提高,是原来的天然土强度的好几倍,并由此提出了加筋土的概念和设计理论。国外对土的加筋法的研究比较深入和广泛。

前面介绍过的碎石桩(或砂桩)加固技术,在国外就包括在加筋土的范畴之内。本章分别介绍土工合成材料、加筋土挡土墙和土钉技术。

7.2 土工合成材料

7.2.1 概述

土工合成材料(geosynthetics)是20世纪60年代末兴起的、用于岩土工程领域的一种化学纤维制品的建筑材料,是土木工程中应用的合成材料的总称。它主要是将聚酯纤维、聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、尼龙纤维等高分子化学材料作为原料而制成的各种类型的产品,可放置于岩土体或其他工程结构的内部、表面或各种结构层之间,具有排水、隔离、反滤、加固补强、保护和止水等作用,用途极为广泛,是土木工程中应用的一种新型工程材料。

图7-1　道路工程中使用土工合成材料施工示意图
(a)挖除表土和平整场地;(b)铺开土工聚合物卷材;(c)在土工聚合物上卸砂石料; (d)铺设和平整筑路材料;(e)压实路基

土工合成材料在世界历史上出现的时间已经有100多年,但在土木工程中的应用则是20世纪30年代末才开始的。1958年,美国首先将土工合成材料应用于护岸工程,把塑料薄膜作为岸坡的防渗材料;1970年,法国开创了在土石坝工程中使用土工聚合物的先例,并促使土工合成材料快速发展起来。最近40多年来,由于无纺织物的推广,土工合成材料的发展速度加快,其中尤其以北美、西欧和日本为最快。1977年,在法国巴黎举行的第一次国际土工合成材料会议上,GiroudJP把它命名为“土工织物”(geotextile)。1982年召开了第二次国际土工合成材料会议,并成立了国际土工织物学会(International Geotextile Society,缩写为IGS)。1983年,《Geotextiles and Geomembranes》学术期刊正式出版发行。1986年,在维也纳召开的第三届国际土工合成材料会议上,将其称为“岩土工程的一场革命”。1992年召开了第四届国际土工合成材料、土工膜和相关产品学术会议。土工合成材料的研究已经成为岩土工程学科一个重要的分支。

我国在20世纪60年代中期开始使用土工合成材料,到80年代中期,土工合成材料在我国水利、铁路、公路、军工、港口、建筑、矿冶和电力、水利等领域逐渐推广,并成立了全国范围内的土工合成材料技术协作网暨中国水力发电工程学会土工合成材料专业委员会。1995年经过民政部批准,正式成立了中国土工合成材料协会。从1986年开始,每隔三年召开一次全国土工合成材料学术会议。

土工合成材料在工程界的广泛应用虽然已有40多年的时间,但至今国内外对它的技术名称也未得到统一,如土工聚合物、土工合成材料(geosythetics)或者土工织物(geotextile)等;另外,对特定的产品,还有专用名称,如土工网(geoweb)、土工格栅(geogrid)和土工垫(geomat)等。但是,由于这些土工制品的原材料都是由聚酰胺纤维(尼龙)、聚酯纤维(涤纶)、聚丙烯腈(腈纶)和聚丙烯纤维(丙纶)等高分子聚合物经加工而合成的,所以现在采用“土工合成材料”作为其技术总称。

图7-1为现场道路工程使用土工合成材料施工示意图。

7.2.2 土工合成材料的类型

土工合成材料包括各种土工纤维(土工织物)、土工膜、土工格栅、土工垫以及各种组合型的复合土工合成材料,其产品根据加工制造方法的不同,可以分为以下几种类型。

1.有纺型土工合成材料(woven geotextile)

这种土工合成材料是由相互正交的纤维编织而成的,与通常的棉毛织品相似,用编织机编织而成。其特点是孔径均匀,沿经纬线方向强度大,拉断的延伸率较低。

2.无纺型土工合成材料(nonwoven geotextile)

在这种土工合成材料中,其纤维(连续长丝)的排列是无规则的,与通常使用的毛毯相似,不使用编织机。它一般多由连续生产线生产,制造时先将聚合物原料经过熔融挤压、喷丝、直接平铺成网,然后再把网丝连结起来,制成土工合成材料。连结的方法有热压、针刺和化学黏结等不同的处理方法,将不规则的纤维连结并整合成薄片状、纤网状或絮垫状土工织物。前两种方法制成的产品又分别称无纺热黏型和无纺针剌型土工织物。

3.编织型土工合成材料(knitted geotextile)

通过组合、交叉等方式将纤维丝线编制成环状的土工产品。这种土工合成材料由单股或多股线条带编织而成,与通常编制的毛衣相似。编织型土工合成材料的伸缩性比有纺型土工合成材料大。

4.组合型土工合成材料(composite geotextile)

由有纺型土工合成材料、无纺型土工合成材料和编织型土工合成材料三类组合而成的土工合成材料。

5.土工膜(geomembranes)

在各种塑料、橡胶或土工纤维上喷涂防水材料而制成的各种不透水(或者透水性极小)膜。

6.土工垫(geomat)

由粗硬的纤维丝粘接而成。

7.土工格栅(geogrid)

由规则的网状抗拉条带(如聚乙烯或聚丙烯板),通过单向或者双向拉伸扩孔而制成(图7-2),孔格尺寸为10～100mm的圆形、椭圆形、方形或长方形。

8.土工网(geonet)

由挤出的1～5mm塑料股线制成的网状结构。由纤维围成的网状结构开孔尺寸较大,有交结点。

9.土工塑料排水板

这是一种复合型土工合成材料,由芯板和透水滤布两部分组成。滤布包裹在芯板外面,在其间形成纵向排水沟槽。

图7-2　双轴格栅的加工程序

10.土工复合材料

由两种或两种以上土工产品组成的复合材料,主要用于排水或者止水,如土工塑料排水带等。

在国家标准《土工合成材料应用技术规范》(GB50290—98)中,土工合成材料的划分,应符合图7-3的要求。

图7-3　土工合成材料划分

7.2.3 土工合成材料的特性和优缺点

与土类似,土工合成材料的特性包括物理特性、水理特性和力学特性。人工合成材料的产品种类繁多,应用非常广泛。所以,在选择最合适的土工合成材料类型时,必须要首先了解其材料的特性。

1.土工合成材料的特性

土工合成材料产品的特性指标主要包括以下几个方面:

(1)产品形态。土工合成材料的材质及制造方法,直径,每卷的宽度、长度和单位面积内的质量指标。

(2)物理性质。土工合成材料的相对密度、单位面积的质量、厚度、开孔尺寸及均匀性等。

(3)力学性质。土工合成材料的力学性质包括压缩性、抗拉强度、断裂时延伸率、撕裂强度、穿透强度、顶破强度、疲劳强度、蠕变性以及土工合成材料与土体间的摩擦系数等等。这些指标可以通过相应的力学试验得到。不同类型的土工合成材料的拉应力和拉应变关系变化差异很大。

(4)水理性质。是指土工合成材料垂直向和水平向的透水性(即垂直渗透系数、水平渗透系数)、孔隙率、开孔面积率和等效孔径。其厚度是非常重要的一个指标,会随着荷载的变化而改变。

(5)耐久性。土工合成材料的耐久性包括抗老化能力,徐变性,抗化学、生物侵蚀性,抗磨性,抗温度,抗冻融及干湿变化性等。

2.土工合成材料的优点

土工合成材料具有传统工程材料所不具备的优点,如纤维习性和与土的兼容协调性,因而备受土木工程师的好评。其优点概括起来有以下4个方面。

(1)纤维习性。土工合成材料的纤维习性体现在以下几个方面:

1)抗拉强度高。

2)具有一定范围的变形模量。

3)化学结构稳定,耐腐蚀性抗微生物侵蚀性好及耐久性好等;由聚乙烯、聚丙烯原材料制成的土工合成材料,在受保护的条件下,其老化时间可达50a(聚酰胺为10～20a),甚至可达更长年限(如100a)。

4)纤维孔径小等内在的优点。无纺型的土工合成材料的当量直径小,透水性好且反滤性能强。

(2)与土的兼容协调。土工合成材料与土的兼容协调性表现在两个方面:一是其具有的渗滤性;二是土与合成纤维的协调性。为了充分发挥土和土工合成材料的强度优势,复合材料中的土与纤维的变形必须协调同步。加筋材料不仅增大了土的强度,而且也可以改变土的应变性质,使不连续的应变转变为连续的应变。由于其具有一定的变形特性,所以特别适用于允许有一定变形的柔性结构物,如路基、土坝等。

(3)节省运输。由于土工合成材料重量轻,所以可以节省运输的成本和时间,特别是在缺乏砂砾石,或者当天然材料的运输距离远的情况下,这种优势就更加明显了。

(4)施工简单,质量保证。由于土工合成材料的重量轻,易操作,所以在施工过程中的施工质量容易得到保证。施工时,不需要大型的施工机械,也无需特殊的技术劳动人员。另外,土工合成材料的纤维习性稳定,功能一致,也保证了施工质量。因此,不论是从经济角度,还是从质量的稳定性来看,土工合成材料的应用都具有很大的优势。

7.2.4 土工合成材料的作用

土工合成材料在工程上的应用,主要表现在排水作用、隔离作用、反滤作用、加固补强作用、保护和防渗作用6个方面(表7-1)。

1.排水作用

土工合成材料的排水作用是指利用土工合成材料将不必要的大气降雨、土中多余的水分收集起来,并将其排出的性能。具有良好的二维、三维透水特性的土工合成材料必须具有一定厚度。利用这种特性,土工合成材料除了可用作透水反滤材料外,还可使水经过土工合成纤维的平面迅速沿水平方向排走,而且不会堵塞,构成水平的排水层。另外,它还可以与其他材料(如粗粒料、排水管、塑料排水板等)共同构成排水系统或深层排水井。此外,还有专门用于排水的复合土工合成材料。图7-4列出了一些土工合成材料用于排水的工程实例。

表7-1　不同应用领域中土工合成材料基本功能的相对重要性

注:A为主要功能(控制功能);B、C、D分别为次要、一般、不很重要的功能。

图7-4　土工合成材料用于排水的典型实例
(a)路堤水平、竖向排水;(b)排水箱涵上部水平排水;(c)挡土墙背面排水;(d)堤坝中的排水;(e)排水、隔离; (f)排水管道外包土工合成材料。1.土工合成材料;2.塑料排水带;3.塑料管;4.排水涵管

土工合成材料的排水效果,取决于其在相应的受力条件下导水度(导水度等于水平向渗透系数与其厚度的乘积)的大小,及其所需的排水量和所接触的土层的土质条件。

2.隔离作用

土工合成材料的隔离作用是指把土工合成材料设置在两种不同的土质或材料,或者土与其他材料之间。将它们相互隔离开来,可以避免不同材料的混杂产生的不良效果。由于土工合成材料具有一定的抗拉、抗刺破、抗撕裂强度和抗变形能力,可适应受力、变形和各种环境的变化,所以,具备整体连续性的土工合成材料可以起到隔离作用。

将土工合成材料用于受力结构体系中,将有助于保证受力构件的状态和设计功能;将其用于道路工程中,可防止路堤翻浆冒泥;用于材料的储存和堆放,可以避免材料的损失和劣化;对于垃圾、废料的处置,还可以避免环境污染等。

作为隔离作用的土工合成材料,其渗透性应大于所隔离土的渗透性,并不被其堵塞。在承受动荷载作用时,土工合成材料还应具备足够的耐磨性。当被隔离的材料或土层间无水流作用时,也可以使用不透水的土工膜作为隔离材料。

在铁路工程(图7-5)中使用土工合成材料,可以保持轨道的稳定,减少养路费用。

图7-5　土工合成材料用于铁路工程

3.反滤作用

土工合成材料的反滤作用是指把土工合成材料铺设在被保护的土上,可以起到与一般砂砾石反滤层同样的作用,即允许水流渗透通过,同时又阻止水流将土颗粒带走,从而防止发生流土、管涌和堵塞,如图7-6所示。

一般而言,单独利用土工合成材料反滤作用的场合比较少,与其他性能并用的场合比较多。其反滤作用的效果有很多影响因素,如土工合成材料的物理特性、土的粒径和颗粒级配、上覆层的应力状态、水利条件等。

多数土工合成材料在单向渗流的情况下,在紧贴土工合成材料的土体中,发生细颗粒逐渐向滤层移动,自然形成一个反滤带和土骨架网,阻止土颗粒的继续流失,最后在土工合成材料与相邻的接触部位土层共同形成了一个完整的反滤系统(图7-6、图7-7)。将土工合成材料铺设在河流上游面块石的护坡下面,可起反滤和隔离作用;也可以将其放置于下游排水体周围,起到反滤作用;或者将土工合成材料铺放在均匀土坝的坝体内,起竖向排水作用,这样可以有效地降低均质土坝坝体的浸润线,提高下游坡坝的稳定性。具有这种排水作用的土工合成材料,在其平面方向需要有较大的渗透系数。

图7-6　土工合成材料用于护坡工程

图7-7　土工合成材料用于土坝工程

图7-8　土工合成材料的工程应用
(a)土工聚合物加固路堤;(b)土工聚合物加固油罐地基;(c)土工聚合物加固路基; (d)砖面土工聚合物加筋土挡土墙

4.加固补强作用

土工合成材料的加固补强作用是指利用土工合成材料的抗拉强度和韧性等力学性质,可以分散荷载,增大土体的抗变形能力,减小沉降量,从而提高土工结构的稳定性和抗变形能力;或作为加筋材料构成加筋土以及各种复合土工结构。

(1)土工合成材料用于加固补强地基。当地基可能产生冲切剪切破坏时,铺设的土工合成材料将阻止地基中剪切破坏面的产生和进一步发展,从而使地基的承载力提高。

当软土地基强度很小,可能产生很大的变形时,铺设的土工合成材料可以阻止软土的侧向挤出,从而减少软土地基的侧向变形,增大地基的稳定性。在沼泽地、泥炭土和软黏土上建造临时道路,是土工合成材料最重要的用途之一。

(2)土工合成材料用作加筋材料。土工合成材料用作土体的加筋材料时,其作用与其他筋材的加筋土相似,通过土与加筋材料之间的摩擦力使之成为一个整体,提供锚固力,以保证支挡建(构)筑物的稳定。但需注意的是,土工合成材料是相对柔性的加筋材料。

土工合成材料用于加筋,一般要求有一定的刚度。土工格栅能很好地与土相结合,是一种良好的加筋材料,与金属筋材相比,土工合成材料不会因腐蚀而失效,在桥台、挡土墙、护岸、码头支挡建筑物中均得到了成功的应用(图7-8)。

需要注意的是,在实际工程中应用的土工合成材料,不论作用的主次,总是以上几种作用的综合,隔离作用不一定伴随过滤作用,但过滤作用经常伴随隔离作用。因而,在设计选料时,应根据不同工程应用对象,综合考虑对土工合成材料作用的要求。

5.保护作用

土工合成材料的保护作用意为限制或者防止岩土体受外界环境影响而遭破坏的作用,用于防冲刷、防浪、防冻、防震、固砂、防止盐碱化及泥石流等,可以分为屏障作用和防侵蚀作用。

屏障作用是将土工合成材料放置于流动的水、风的流动路径中,就像在流体中设置屏障一样,可以让流体顺利通过但却阻止土颗粒的流失。经过一段时间后,土颗粒在土工合成材料屏障的背面积聚下来,使得该屏障承受了一定的压力。

为了保护施工场地的环境,可设置土工网以防止水流搬运细颗粒的粉土;或者为了保护土堆及其稳定性,通过设置土工网来阻止砂土颗粒被风吹走[图7-9(a)]。为了避免施工产生的粉土、火山灰等土颗粒悬浮物污染下游的水体,可在水中设置垂直土工网幕,以阻止土颗粒悬浮流失[图7-9(b)]。为了防止边坡侵蚀,可采用土工合成材料限制、约束土颗粒因遭受雨水、风而产生的移动和分散[图7-9(c)]。最终,这种防侵蚀作用常被逐渐生长的植被所代替。

图7-9　土工合成材料的保护作用
(a)流土屏障;(b)垂直土工网幕;(c)护坡

6.防渗作用

利用土工合成材料中的弱透水材料,防止液体的渗透、气体的挥发,以保护环境或建筑物的安全。

7.2.5 土工合成材料的设计计算

在实际的工程应用中,应该根据不同的工程条件和应用需求,综合考虑对土工合成材料作用的要求进行选择和设计。

1.作为反滤层时的设计

一般而言,土工合成材料作为反滤层时的设计,要求其既具有足够的透水性,又能有效地防止土颗粒被带走,通常采用无纺和有纺土工织物。另外,反滤层还需具有避免被保护的细小土颗粒随着渗流水被带到土工织物内部孔隙中,或者被截留在土工织物表面而造成其渗透性能降低的能力。

土工合成材料作为反滤层的设计还未有统一的标准。按照符合一定标准和级配的砂砾石料构成的传统反滤层,目前广泛采用的反滤料要求为

防止管涌

保证透水性

保证均匀性

　　　　D50f<25D50b(对级配不良的反滤层)　　　　　　　(7-3)

　　　　D50f<D50b(对级配均匀的反滤层)　　　　　　　　(7-4)

式中:D15f表示相应于土颗粒粒径分布曲线上百分数为15%时的颗粒粒径,mm,下角标f表示反滤料;D85b表示相应于土颗粒粒径分布曲线上百分数为85%时的颗粒粒径,mm,下角标b表示被保护的土;其他符号依次类推。

2.作为加筋材料时的设计

(1)加固地基。在软土路基的基底与填土之间铺设土工合成材料是工程中常用的浅层处理方法之一,且多层铺设,并且在每层之间填加中砂、粗砂以增加摩擦力。由于土工合成材料的延伸率较高,故可以扩散上部荷载,提高原来地基的承载力,增加填土的稳定性。此外,铺设土工合成材料后施工机械行驶方便,还能起到排水作用,加速地基的固结和沉降。

在软土地基的表面上,铺设具有一定刚度和拉力的土工合成材料,再在其上面填筑粗颗粒土(砂土或砾石),此时作用荷载的正下方产生沉降,其周边地基产生侧向变形和部分隆起。由于土工合成材料与地基土之间的抗剪阻力能够相对地约束地基的位移;同时,作用在土工合成材料上的拉力,也能起到支撑荷载的作用。此时,地基的极限承载力pu可以用下式计算

式中:p为土工合成材料的抗拉强度,kN/m;θ为基础边缘土工合成材料的倾斜角,一般为10°～17°;r为假想圆的半径,一般取3m,或为软土层厚度的一半,但不能大于5m;α、β为基础的形状系数,一般α=1.0,β=0.5;Nc、Nq为与内摩擦角有关的承载力系数,一般Nc=5.3,Nq =1.4;c为土的黏聚力,kPa。

可以看出,公式(7-5)中的第一项是原天然地基的极限承载力;第二项是在荷载作用下,由于地基的沉降使土工合成材料发生变形而承受拉力的效果;第三项是土工合成材料阻止土体隆起而产生的平衡镇压效果(是以假设近似半径为r的圆求得)。实际上,第二项和第三项均为由于铺设土工聚合物而提高的地基承载力。图7-10中的q是塑性流动地基的反力。

图7-10　土工合成材料加固地基的承载力计算假设简图

(2)加固路堤。土工合成材料用作增加填土的稳定性时,其铺垫方式有两种:一种是铺设在路基底面与填土之间;另一种是在堤身内填土层间铺设。分析时常采用瑞典法和荷兰法两种计算方法。首先按照常规方法找出最危险圆弧滑动面的参数,以及相应的最小安全系数Kmin,然后再加上土工合成材料这一因素。

1)瑞典法计算模型。瑞典法的计算模型是假定土工合成材料的拉应力总是保持在原来铺设的方向。由于土工合成材料产生的拉力S就增加了两个稳定的力矩(图7-11)。

图7-11　土工聚合物加固软土地基上路堤的稳定分析(瑞典法)

如果以O为力矩中心,当仍按原来最危险圆弧滑动时,要撕裂土工合成材料,就要克服它的总抗拉强度S,以及在填土内沿垂直方向开裂而产生的抗力S·tanφ1(φ1为填土的内摩擦角),前者的力矩为a,后者的力矩为b,则根据土坡稳定性分析方法之一的瑞典圆弧法可知,在未铺设土工合成材料之前,土坡的抗滑稳定最小安全系数为

增加土工合成材料后的抗滑稳定安全系数为

所以,增加的抗滑稳定安全系数为

可见,当已知土工合成材料的抗拉强度S时,便可以求得抗滑稳定安全系数的增加值ΔK。相反,当已知要求增加的ΔK值时,就可以求得所需土工合成材料的抗拉强度S,以便选用现成厂商生产的土工合成材料产品。

另外,还需要验算土工合成材料范围以外的路堤有无整体滑动的可能。只有当以上两种验算都满足稳定要求时,才可以认为路堤是稳定的。

2)荷兰法计算模型。荷兰法计算模型是假定土工合成材料在和滑动圆弧切割处形成一个与滑弧相适应的扭曲,此时,土工合成材料的抗拉强度S(每米宽)可以认为是直接切于滑弧的(图7-12)。绕滑动圆心力矩的臂长即等于滑动圆弧半径R,此时路堤的抗滑稳定安全系数为

式中:ci为填土的黏聚力,kPa;li为某一分条滑弧的长度,m;Qi为某一分条滑弧的重力,kN; ai为某分条与滑动面的倾斜角,(°);φi为土的内摩擦角,(°)。

所以,铺设土工合成材料后路堤增加的抗滑稳定安全系数为

图7-12　土工合成材料加固软土地基上路堤的稳定分析(荷兰法)

由上式即可确定所需要的ΔK值,同样也可推求出土工合成材料的抗拉强度S值,再用它来选择土工合成材料产品的型号和规格。

国内外的工程实践证明,除非土工合成材料具有在小应变条件下可承受很大拉应力的性能,否则它还不能使路堤安全系数有很大的增强。用土工合成材料作为加筋材料,应具有较高的拉伸强度和抗拉模量以及较低的徐变性和相当的表面粗糙度。据报道,低模量的土工合成材料仅限于较低的堤坝(如2～5m高)使用。国外软土地基上加筋堤的高度大多数不高于10m,一般均在15m以下。

当土工合成材料作为路堤底面的垫层时,除了提高地基承载力、增加地基的稳定性外,还可以减少路堤底面的差异沉降,并使其侧面变形减小。

(3)加筋土挡土墙。土工合成材料作为加筋材料可用于建筑加筋土挡土墙,相关的内容参见后面的加筋土挡土墙。

7.2.6 土工合成材料的施工技术

1.土工合成材料的连接方法

土工合成材料是按照一定规格的面积和长度在工厂进行定型生产的商品成品,因此,这些材料运输到现场后必须进行连接,可采用搭接、缝合、胶结或U形钉钉接等方法连接起来(图7-13)。

(1)搭接法。采用搭接法时,搭接必须保证足够的长度。搭接长度一般在0.3～1.0m之间。坚固和水平的路基一般取小值;软弱的和不平的地面则需要取大值。在搭接处应尽量避免受力,以防止土工合成材料移动。此法施工简便,但用料较多。若设计时土工织物上铺有一层砂土,最好不使用搭接法,因为砂土极易挤入两层织物之间而将织物抬起。

图7-13　土工合成材料间的连接方法

(a)搭接;(b)缝合;(c)用U形钉钉住

(2)缝合法。缝合法是采用移动式的缝合机将尼龙或涤纶线面对面缝合,可缝成单道线,也可以缝成双道线。缝合处的强度一般可达纤维强度的80%。缝合法施工费时,但可节省材料。

(3)胶结法。胶结法是采用合适的胶黏剂将两块土工合成材料胶结在一起,最少的搭接长度为100mm,胶结在一起的接头应放置2h,以便增强接缝处的强度。其接缝处的强度与土工织物的原强度相同。

(4)U形钉钉接法。采用U形钉连接时,U形钉应能防锈。U形钉连接的强度低于缝合法和胶结法。

2.土工合成材料的施工要点

(1)铺设土工合成材料时应注意其均匀和平整;在护岸工程坡面上施工时,上坡段土工合成材料应搭接在下坡段土工合成材料之上;在斜坡上施工时,应保持一定的松紧度。用于反滤层时,要求保证土工合成材料的连续性,并不出现扭曲、褶皱和重叠现象。

(2)不要在土工合成材料的局部地方施加过重的局部应力。不能抛掷块石来保护土工合成材料,只能轻铺块石,最好在土工合成材料上先铺一层保护砂层,再铺设块石。

(3)土工合成材料的端部应先铺填,中间后填,端部锚固必须精心施工。

(4)第一层铺垫层厚度应在0.5m以下,但不能让推土机的刮土板损坏已铺填的土工合成材料。如果在任何情况下遇到土工合成材料已经损坏时,应立即予以修补。

(5)当土工合成材料用作软土地基上的堤坝和路堤的加筋材料时,必须清理树根、植物和草根,保证基底面平整,避免铺设在凹凸不平的基底面上呈“波浪形”的土工合成材料在荷载作用引起沉降时不易张拉,难以发挥其抗拉强度的作用。

(6)在土工合成材料的存放和施工过程中,应尽量避免长时间的太阳暴晒而使材料劣化。

7.2.7 工程实例

某油罐加筋垫层工程。

1.工程概况

某油罐工程位于长江岸边的河漫滩软土地基上,采用浮顶式油罐,油罐容积2万m3,其内径为40.5m,高15.8m。罐体、罐内充水、基础以及场地填土等荷载共计288kN/m2。

2.场地岩土工程简况

建筑场地主要地基土分布自上而下分别为:①表层土厚0.3～0.5m;②黏土层厚1.3～2.3 m;③淤泥质黏土层厚度为12～18m,其不排水抗剪强度为12～47kPa。

3.地基处理设计与施工

根据油罐的运行和生产要求,其地基与基础在技术上要求满足以下3点:

(1)地基能承受288kN/m2的荷载;

(2)油罐整体倾斜小于等于0.04～0.05,周边沉降差小于0.0022,中心与边沿差小于1/45 ～1/44;

(3)油罐的最终沉降不超过预留高度。

由此可见,原地基必须进行处理。经分析研究决定,采用土工合成材料加筋垫层和天然地基排水固结充水的预压方案处理油罐下卧的软土地基,方案设计图可见图7-14和图7-15。

图7-14　土工合成材料垫层平面构造图

图7-15　土工合成材料垫层地基剖面及测试件埋设布置
注:2、3、4、5、61、62为土层符号

土工合成材料加筋垫层由两层碎石袋组成。碎石袋由土工编织袋装入碎石而形成,直径为0.3m。土工编织布的径向抗拉强度为32kN/m,纬向抗拉强度为25kN/m,上层直径为50.5 m,下层直径为64.5m,两层间距1.9m。每层碎石袋由3片互成60°交错叠合的碎石袋组合而成,每条碎石袋以间距0.6m平行铺设。

4.现场观测结果

填土、基础施工以及油罐多级充水(包括充油投产)过程中各阶段的沉降观测值见表7-2。

表7-2　油罐沉降观测值

注:①实测总沉降系指垫层底面总沉降;②罐基总沉降系指基础施工后产生的总沉降。

分析实测沉降结果可知,采用土工合成材料加筋垫层和排水固结联合处理油罐地基的方法是可行的,并取得了良好的效果。基础底面和环梁的沉降比较均匀,满足油罐基础的设计要求。基础周边沉降为1.266m(<1.5m,设计要求);环梁基础倾斜为1.9%(<5%);基础底板中心和周边的沉降差与油罐直径之比为0.004(<0.015);底板最大和最小沉降差与油罐半径之比为0.011(<0.025)。

同时,土工合成材料加筋垫层可以防止垫层的抗拉断裂,保证垫层的均匀性,约束地基土的侧向变形,改善地基的位移场,调整地基的不均匀沉降等。

根据油罐基础基底压力实测分析,基底压力基本上是均匀的,并与荷载分布的大小一致。荷载通过基础在垫层中扩散,扩散后到达垫层底面的应力分布基本上也是均匀的。按垫层面实测的平均应力计算,扩散角约为40°。可见,加筋垫层起到了扩散应力和使应力均匀分布的作用。

7.3 加筋土挡土墙

7.3.1 概述

图7-16　加筋土挡土墙剖面示意图

加筋土挡土墙(reinforcedretainingwall)系由填土、在填土布置的一定量的带状拉筋以及直立的墙面板三部分组成的一个整体复合结构(图7-16)。这种结构内部存在着墙面土压力、拉筋的拉力、填土与拉筋间的摩擦力等相互作用的内力。这些内力相互平衡,保证了这个复合结构的内部稳定。同时,加筋土挡土墙要能够抵抗拉筋尾部后面填土所产生的侧压力,即保证加筋土挡土墙外部的稳定,从而使整个复合结构稳定。

自从20世纪60年代法国工程师HenriVidal提出了“加筋土”概念,并于1965年在法国普拉聂尔斯成功地修建了世界上第一座加筋土挡土墙以来,利用抗拉材料加筋土体的技术已经由经验判断上升到理论设计阶段。1978年、1979年、1984年和1988年分别在澳大利亚的悉尼、美国的匹兹堡、法国的巴黎和日本的福冈召开了多次国际会议。法国、美国、英国、日本和德国等国家已经制定了加筋土的工程规范、条例和技术指南,国际上也成立了加筋土工程协会。

图7-17　几种土的加筋技术的工程应用
(a)加筋土挡土墙;(b)土工聚合物加筋土堤;(c)土锚加固边坡;(d)土钉;(e)树根桩稳定边坡;(f)碎石桩加固路基

加筋土挡土墙的设计理论和施工技术经过40多年的发展,以其造价低、性能好等优点得到较为广泛的应用。在一些软土地基、人工填土地基以及沿河路基的边坡支挡工程中,加筋土挡土墙更显示出在造价和结构上的优势。我国20世纪70年代开始了对这种新型支挡结构的试验研究和应用,在加筋材料的生产、技术指标以及墙体设计理论和施工工艺等方面取得了较丰富的研究成果。1978年在云南省田坝矿区煤场修建了我国第一座试验加筋土挡土墙。之后,相继在山西、云南、陕西、四川等省累计建成各种类型的加筋土工程约400余座。随着公路交通事业的迅猛发展,加筋土边坡支挡工程结构的使用也越来越普遍,已成为当前地基处理的新技术。现在的加筋土技术已被广泛地应用于路基、桥梁、驳岸、码头,储煤仓、堆料场等水工和工业结构物中(图7-17)。1991年制定的我国第一本交通部行业标准《公路加筋土工程施工技术规范》(JTJ035—91)和《公路加筋土工程设计规范》(JTJ015—91),为加筋土挡土墙在我国的应用奠定了设计和应用基础。目前,加筋土挡土墙的修建高度在不断增加,高度大于12m的加筋土挡土墙在工程实践中的应用也逐渐增多。土工合成材料作为筋材的加筋土挡土墙高度达到22m,钢带作为筋材的加筋土挡土墙则更高。在三峡移民工程中,如巫山、奉节、万州等县市,都采用了超高加筋土挡土墙。巫山县新城的主干道———集仙中路1号加筋土挡土墙,采用新型复合CAT拉筋带,挡土墙分三级设置,第一级高度12m,第二级高度18m,第三级高度28m,加筋土挡土墙的总高度达到了58m。

1.加筋土挡土墙的特点

(1)能够充分利用材料的性能,特别是土与拉筋的共同作用,所以挡土墙结构的重量轻,其所用混凝土的体积相当于重力式挡土墙的3%～5%。工厂化预制构件可以降低成本,并能保证产品质量。

(2)加筋土挡土墙由各种构件相互拼装而成,具有柔性结构的特点,有良好的变形协调能力,可以承受较大的地基变形,适宜在软土地基上使用。

(3)面板形式可以根据需要拼装,形成美观的造型,适合于城市道路的支挡工程,美化环境。

(4)可以形成很高的垂直墙面,节省挡土墙的占地面积,减少土方量,施工简便迅速,质量易于控制,且施工时无噪音。这对不利于放坡的地区、城市道路以及土地资源短缺的地区而言,具有巨大的意义。

(5)工程造价较低。加筋土挡土墙面板薄,基础尺寸小。当挡土墙高度大于5m时,加筋土挡土墙与重力式挡土墙相比,可以降低造价40%～60%,而且挡土墙越高,其经济效益越显著(图7-18)。

(6)加筋土挡土墙这一复合结构的整体性较好,与其他类型的结构相比,其所特有的柔性,能够很好地吸收地震能量,具有良好的抗震性能。

2.加筋土挡土墙的缺点

(1)加筋土挡土墙背后需要充足的空间,以便获得足够的加筋区域来保证其内部和外部的稳定性。

(2)加筋土挡土墙需要良好的粒料土,对缺少粒料土的场地,如采用合适的填土材料可能使工程不经济。

(3)存在着加筋钢材的锈蚀、暴露的土工合成材料在紫外线照射下的变质、老化问题。

(4)目前对超高加筋土挡土墙系统的设计和施工经验还不成熟,尚需进一步完善。

下面主要就加筋土挡土墙的加固机理、设计计算和施工作一介绍。

7.3.2 加固机理

图7-19(a)为未加筋的土单元体,在竖向荷载σv的作用下,单元土体产生压缩变形,侧向发生膨胀。通常,侧向应变要比轴向应变大1.5倍。随着σv逐渐增大,压缩变形和侧向膨胀也越来越大,直至土体破坏。

在土单元体中放置水平拉筋[图7-19(b)],通过拉筋与土颗粒间的摩擦作用,将引起土体侧向膨胀的拉力传递给拉筋。由于拉筋的拉伸模量大,因此,单元土体的侧向变形就受到了限制,在同样大小的竖向应力σv作用下,侧向变形bH=0。

加筋后的土体就好像在单元土体的侧面施加了一个侧向荷载一样,它的大小与静止土压力K0、σv等效,并且随着竖向应力的增加,侧向荷载也成正比增加。在同样大小的竖向应力σv作用下[图7-19(c)],加筋土的摩尔应力圆的各点都在剪切破坏线下方。只有当与拉筋之间的摩擦失效或拉筋被拉断时,土体才有可能发生破坏。

从加筋土挡土墙(图7-20)的整体分析来看,由于土压力的作用,土体中产生一个破裂面,而破坏面内的滑动棱体达到极限状态。在土中埋设拉筋后,趋于滑动的棱体通过土与拉筋之间的摩擦作用,有将拉筋拔出土体的倾向。水平分力τ计算如下。

图7-18　加筋土挡土墙的应用及经济比较

式中:T为拉筋的拉力,kN;l为拉筋的长度,m;b为拉筋的宽度,m。

因此这部分的水平分力τ的方向指向墙外,而滑动棱体后面的土体则由于拉筋和土体间的摩擦作用而把拉筋锚固在土中,从而阻止拉筋被拔出,这一部分的水平分力是指向土体的。这两个水平方向分力的交点就是拉筋的最大应力点(Tm),把每根拉筋的最大应力点连结成一条曲线,该曲线把加筋土体分成两个区域;在各拉筋最大拉力点连线以左的土体称为主动区,以右的土体称被动区(或锚固区)。

图7-20　加筋土挡土墙整体分析
(a)剖面图;(b)拉筋

通过一定量的室内模型试验和野外实测得到,主动区和被动区两个区域的分界线离开加筋土挡土墙墙面的最大距离大约为0.3H(H为加筋土挡土墙高度),这与朗肯土压力理论的破裂面不很相符。但现在设计中一般都还是采用朗肯土压力理论。当然,加筋土两个区域的分界线的形成,还要受到以下几个因素的影响:①结构的几何形状;②作用在结构上的外力;③地基的变形;④土与拉筋之间的摩擦力等。

7.3.3 加筋土挡土墙的形式和构造

1.加筋土挡土墙的形式

加筋土挡土墙一般修建在填方地段,在道路工程中应用最多。为此,加筋土挡土墙可分为路肩式挡土墙和路堤式挡土墙,如图7-21所示。

根据墙面的设置数量和加筋材料的配置方式,加筋土挡土墙又可以分为单面加筋土挡土墙、双面分离式加筋土挡土墙、双面交错式加筋土挡土墙(图7-22),还有台阶式的加筋土挡土墙(图7-23)。

图7-21　加筋土挡土墙
(a)路肩式挡土墙;(b)路堤式挡土墙

图7-22　双面加筋土挡土墙
(a)双面分离式;(b)双面交错式

图7-23　台阶式加筋土挡土墙

2.加筋土挡土墙的材料和构造

(1)面板。加筋土挡土墙的面板用于抵抗侧向土压力,阻止两层加筋材料之间土的滑塌、表面剥落和侵蚀。面板类型较多,有整体的或者拼接的钢筋混凝土板、预制混凝土面板、预应力混凝土模块、包裹式墙面、挂网喷浆式墙面、金属板、砂袋、石笼、焊接钢丝网、喷混凝土层以及木板等。

由于面板是加筋土挡土墙唯一的可视部分,在有些情况下还能提供排水通道,且面板类型还影响到加筋土的沉降,所以,应根据筋材类型和工程的具体要求,满足坚固耐久、美观、运输方便以及易于安装等要求。

目前,国内一般采用钢筋混凝土或混凝土预制构件作为面板,其强度等级不应低于C18,一般的最小厚度为80mm。

面板形状和尺寸应根据施工条件而定,通常选用十字形、矩形、六角形等,见表7-3。面板上的拉筋结点,可采用预埋拉环、预埋穿筋孔或钢板锚头等形式。钢拉环应采用直径不小于10mm的Ⅰ级钢筋。十字形面板两侧预留有小孔,内插销子,将面板竖向互相连接起来,属于连锁式面板(图7-24)。

混凝土面板应该具有耐腐蚀性能。它本身是刚性的,但在各个砌块间具有充分的空隙,也有在接缝处安装树脂软木等,以适应其必要的变形。

一般情况下,面板应交错连接。由于各个面板间的空隙都能排水,所以排水性能良好,但面板内侧须设置反滤层,以防填土流失。反滤层可以使用土工合成材料或砂夹砾石。

表7-3 面板类型及尺寸表

注:(1)L形面板下缘宽度一般采用200～250mm;
(2)槽形面板的底板和翼缘厚度不小于50mm。

图7-24　预制混凝土面板拼装(单位:mm)

(2)拉筋。通常在加筋土挡土墙中采用抗拉强度高、延伸率小、耐腐蚀和柔韧性好的拉筋材料,同时要求加工、接长以及与面板的连接简单。具体就是:①在延伸率小的阶段,筋材就能发挥出高的抗拉强度;②考虑了蠕变后的长期抗拉强度大;③拉筋材料与填土之间的摩擦力大;④针对设置场所的环境条件,具有足够的耐久性。

国内一般使用镀锌扁钢带、钢筋混凝土带、聚丙烯土工聚合物等材料作为拉筋。高速公路和一级公路上的加筋土工程中应该采用镀锌扁钢带、钢筋混凝土带。

钢带和钢筋混凝土带的接长以及与面板的连接,一般采用电焊或螺柱结合(图7-25),结点处应做防锈处理。

拉筋的锚固长度一般应该由计算确定。但是,根据不同的结构形式,还应满足构造要求的拉筋锚固长度。

图7-25　钢筋混凝土拉筋构造图(单位:mm)

加筋土挡土墙内的拉筋一般应水平布设并垂直于面板。当一个结点有两条以上拉筋时,应呈扇状分开。当相邻墙面的内夹角小于90°时,宜将不能垂直布设的拉筋逐渐斜放,必要时在墙角隅处增设加强拉筋。

(3)填土。加筋土挡土墙内一般采用容易压实、能与拉筋产生足够摩擦力、满足化学和电化学标准以及水稳性好的填土材料。一般要求填土的塑性指数小于6,内摩擦角大于34°,且粒径小于0.015mm的细颗粒质量小于5%。高质量的回填土有利于排水,对筋材的耐久性具有良好的维护作用,并且可以减少筋材的数量,减少墙体的线性偏差,加快施工速度。

应该优先采用有一定级配的砾类土或砂类土,也可以使用碎石土、黄土,中低液限黏性土、稳定土以及满足质量要求的工业废渣,黏性土作为回填土难以压密,排水性能较差,还可能在持续应力作用下产生很大的蠕动变形。

(4)挡土墙面板基础。加筋土挡土墙的基础直接关系到挡土墙的稳定性和墙面的美观。对于面板采用预制混凝土面板、预应力混凝土模块的挡土墙,基础要求为混凝土基础,其宽度不小于300mm,厚度不小于200mm。对于软土地基,应先行进行地基处理后,再设置加筋土挡土墙的基础。

加筋土挡土墙基础底面的埋置深度,应该根据地基承载力、沉降和稳定性来确定。

当存在下列情况之一时可以不设置基础。

1)面板砌筑于石砌污工或混凝土之上;

2)基岩地基。

对一般土质地基或风化层较厚的岩石地基,挡土墙面板的埋置深度不应小于600mm;面板设置在岩石上时,应清除岩石表层的风化层;当岩石表层的风化层较厚难以全部清除时,可视同土质地基情况。

(5)沉降缝设置。加筋土挡土墙应该根据地形、地质条件、墙高等场地条件设置沉降缝。对土质地基,一般沉降缝的间距为10～30m,岩石地基可适当增大。沉降缝宽度一般为10～ 20mm,可以采用沥青板、软木板或沥青麻絮等填塞沉降缝。

(6)墙顶帽石。加筋土挡土墙墙顶一般均需设置帽石。帽石可以预制也可以现场浇筑,但以现场浇筑为佳。帽石的分段应与墙体沉降缝在同一处位置上。

3.加筋土挡土墙的设计

(1)设计流程。加筋土挡土墙是加筋土技术在岩土工程中的主要应用领域之一。其设计原理与普通挡土墙基本类似。设计过程中的主要设计计算内容有:

1)设计条件复核,主要是对加筋土挡土墙的筋材强度、地基的地质特征和力学参数、填土性质、荷载条件以及安全系数等进行复核;(www.xing528.com)

2)内部稳定性验算,包括水平拉力和抗拔稳定性验算,并设计筋材铺设的间距和长度等;

3)外部稳定性验算,包括挡土墙地基的承载力、基底抗滑稳定性、抗倾覆稳定性和整体抗滑稳定性等的验算。

加筋土挡土墙的设计流程,可以用图7-26概括。

图7-26　加筋土挡土墙的设计流程

(2)加筋土挡土墙的设计。加筋土挡土墙的设计,一般应从土体的内部稳定性和外部稳定性两个方面来考虑。

1)加筋土挡土墙的内部稳定性计算。

加筋土挡土墙的内部稳定性指的是由于拉筋被拉断或者拉筋与土体之间的摩擦力不足(即在锚固区内拉筋的锚固长度不够而导致土体发生滑动),造成加筋土挡土墙的整体结构被破坏。因此,在进行设计时,必须考虑拉筋的强度和锚固长度(即拉筋的有效长度)。目前国内外拉筋的拉力计算理论还未得到统一,现有的计算理论多达十几种。但目前比较有代表性的理论可以归纳成两类:即整体结构理论(复合材料)和锚固结构理论。与其相应的计算理论,前者有正应力分布法(包括均匀分布、梯形分布和梅氏分布)、弹性分布法、能量法及有限单元法;而后者则包括朗肯法、斯氏法、库仑合力法、库仑力矩法及滑裂楔体法等,不同计算理论的计算结果有所差异。

图7-27　土压力系数图

下面是《公路加筋土工程设计规范》(JTJ015—91)中的计算方法。

①土压力系数计算。加筋土挡土墙的土压力系数根据墙高的不同而分别计算(图7-27)。

当Zi≤6m时,

当Zi>6m时,Ki=Ka 　　　　(7-13)

式中:Ki为加筋土挡土墙墙内Zi深度处的土压力系数;K0为填土的静止土压力系数,K0=1-sinφ;Ka为填土的主动土压力系数 ,；ø为填土的内摩擦角,(°),可按表7 -4取值;Zi为第i单元结点到加筋土挡土墙顶面的垂直距离, m。

表7-4　填土的设计参数

注:(1)黏性土计算内摩擦角为换算内摩擦角;
(2)似摩擦系数为土与筋带的摩擦系数;
(3)有肋钢带、钢筋混凝土带的似摩擦系数可提高0.1;
(4)墙高大于12m的挡土墙计算内摩擦角和似摩擦系数采用低值。

②土压力计算。加筋土挡土墙的类型不同,其计算方法也有所不同,图7-28为路肩式和路堤式挡土墙的计算简图。

加筋土挡土墙在自重应力和车辆荷载作用下,深度Zi处的垂直应力为

式中:γ1、γ2为挡土墙内、墙上填土的重度,当填土处于地下水位以下时,前者取有效重度即浮,kN/m3;h为车辆荷载换算而成的等效均布土层厚度，m，

式中:B、L0为荷载分布的宽度和长度,m;ఒG为分布在B×L0面积内的轮载或履带荷载, kN;h1为挡土墙上填土换算成等代均匀土层的厚度,m。

如图7-29所示,当h1>H'时,取h1=H',当h1≤H'时,按下式计算

式中:m为路堤边缘的坡率;H为挡土墙高度,m;H'为挡土墙上的路堤高度,m;bi为坡角至面板的水平距离,m;σai为路堤式挡土墙在车辆荷载作用下,挡土墙内Zi深度处的垂直应力,kPa。

图7-28　加筋土挡土墙计算简图
(a)路肩式挡土墙;(b)路堤式挡土墙

图7-29　路堤式挡土墙上填土
等代土层厚度的计算

当图7-28(b)中扩散线上的D点未进入活动区时,取σai=0;当D点进入活动区时,按下式计算

式中:Lc为结构计算时采用的荷载布置宽度,m;Lci为Zi深度处的应力扩散宽度,m,按下式计算

式中:bc为面板背面到路基边缘的距离,m。

当进行抗震验算时,加筋土挡土墙Zi深度处土压力增量按下式计算

式中:ci为重要性修正系数;cz为综合影响系数;Kh为水平地震系数。

这3个值可以按照《公路工程抗震设计规范》(G/T1302—01—2008)取值。

所以,作用于挡土墙上的主动土压力Ei为

路肩式挡土墙

路堤式挡土墙　

当考虑抗震时,

③拉筋的截面和长度。当填土的主动土压力充分作用时,每根拉筋除了通过摩擦阻止部分填土水平移动外,还能使一定范围内的面板拉紧,从而使土体中的拉筋与主动土压力保持平衡(见图7-16)。因此,每根拉筋所受的拉力是随着所处深度的增加而增大的。

拉筋所受的拉力按下面公式计算。

考虑抗震时,

式中:sx、sy为拉筋的水平间距和垂直间距,m。

所需拉筋的截面面积为

式中:Ai为第i单元拉筋的设计截面面积,mm2;[σL]为拉筋的允许应力即设计拉应力,对混凝土,其允许应力[σL]可按表7-5取值;k为拉筋的允许应力提高系数,当用钢带、钢筋和混凝土作拉筋时,k取1.0～1.5,当用聚丙烯土工聚合物时,k取1.0～2.0;Ti为拉筋所受的拉力,kN,考虑抗震时应取T'i。

表7-5　混凝土允许应力

注:矩形截面构件弯曲拉应力可提高15%。

计算拉筋截面面积时,在实际工程中还应考虑防腐蚀所需要增加的尺寸(表7-6)。

表7-6　钢带防锈蚀厚度　(单位:mm)

另外,每根拉筋在工作时存在被拔出的可能,因此,还需要计算拉筋抵抗被拔出的锚固长度L1i。

路肩式挡土墙

路堤式挡土墙

式中:[Kf]为拉筋要求的抗拔稳定系数,一般取1.2～2.0;f'为拉筋与填土材料的似摩擦系数,可按表7-7取值;bi为第i单元拉筋宽度总和,m。

拉筋的总长度为

式中:L2i为朗肯主动区拉筋的长度,m,可按下式计算

式中:β为简化破裂面的倾斜部分与水平面之夹角,(°)

2)加筋土挡土墙的外部稳定性验算。

加筋土挡土墙的外部稳定性验算应该考虑以下4个方面的问题:

①挡土墙地基承载力不足。在力矩的作用下,挡土墙墙趾处可能产生较大的偏心荷载,当地基承载力较小时,会产生地基失稳使挡土墙发生破坏。

②基底抗滑稳定性。挡土墙在主动土压力的作用下,产生向外的滑动趋势,有可能沿加固体与下伏的接触面向外侧滑动,在这种情况下通常应该验算地基土体的抗滑稳定性。

③抗倾覆稳定性。对于比较高的挡土结构,由于在土体的上部产生了转动力矩,使土体有可能产生围绕挡土墙墙趾的转动破坏。

④整体抗滑稳定性。由于挡土墙所在的土体失稳而造成破坏,在这种情况下,地基将产生整体滑动破坏。

验算时,可以将拉筋末端的连线与墙面板之间视为整体结构,其他计算方法与一般重力式挡土墙相同。

把加筋土挡土墙看作是一个整体,再将挡土墙后面作用的主动土压力用来验算加筋土挡土墙底部的抗滑稳定性(图7-30),基底摩擦系数可按表7-7取值,抗滑稳定系数一般取1.2～1.3。另外,加筋土挡土墙的抗倾覆稳定性和整体抗滑稳定性验算也应该进行,其抗倾覆稳定性系数一般可取1.2～1.5,整体抗滑稳定系数一般可取1.10～1.25。具体的计算方法可参阅有关的规范和资料。

表7-7　基底似摩擦系数f'

注:加筋体填料为黏质粉土、粉质黏土、半干硬黏土时按同名地基土采用f值。

由于加筋土挡土墙是柔性结构,所以不太可能由于较大的沉降而导致加筋土结构的破坏。但是,如果拉筋的长度不足,则挡土墙的上部可能产生倾斜(图7-31),这是由于其内部失稳而引起的。如果拉筋的强度不足,发生断裂也可能造成加筋土挡土墙的破坏。

图7-30　加筋土挡土墙底部的滑动稳定性验算

图7-31　加筋土挡土墙的倾斜

图7-32为法国Sete立体交叉道路的加筋土挡土墙,采用钢筋混凝土镶板作为面板,结果在15m长度内差异沉降量大约为14cm,但却并不影响工程运行。可见,加筋土结构物能允许较大的差异沉降,但一般差异沉降应控制在1%范围内。

7.3.4 加筋土挡土墙的施工技术

1.加筋土挡土墙施工工艺流程

加筋土挡土墙的工程施工,一般可按照图7-33所示的工艺流程框图进行。

2.基础施工

先进行基础开挖,基槽(坑)底平面尺寸一般大于基础外缘0.3m。当基坑底部为碎石土、砂性土或黏性土时,应该整平夯实。对未风化的岩石应将岩面凿成水平台阶状,台阶宽度不宜小于0.5m,台阶长度除了要满足面板安装的需要外,台阶的高宽比不应大于1 ∶2。对风化岩石和特殊土地基,应该按有关规定处理。在地基上浇筑或放置预制基础时,一定要将基础做平整,以便使面板能够直立。

图7-32　法国Sete立体交叉道路的加筋土挡土墙的最终沉降

3.面板安装

图7-33　加筋土挡土墙工程施工工艺流程

混凝土面板可以在工厂预制或者在工地附近场地预制后,再运到施工现场安装。每块面板上都布设了便于安装的插销和插销孔,安装时应防止插销孔破裂、变形或者边角碰坏。可采用人工或机械吊装就位安装面板。安装时单块面板一般可以向内倾斜1/100～1/200,作为填料压实时面板外倾的预留度。在拼装最底一层面板时,必须把全尺寸和半尺寸的面板相间地、平衡地安装在基础上。为了防止相邻面板错位,宜采用夹木螺栓或斜撑固定,直到面板稳定时才可以将其拆除。水平及倾斜误差应该逐层调整,不得将误差累积后才进行总调整。

4.拉筋的安装

安装拉筋时,应将其垂直于墙面,平放在已经压密的填土上。如果拉筋与填土之间不密实而存在空隙,则应采用砂垫平,以防止拉筋断裂。采用钢条、钢带或钢筋混凝土作拉筋时,可采用焊接、扣环连接或螺栓与面板连接;采用聚丙烯土工聚合物作拉筋时,一般可以将其一端从面板预埋拉环或预留孔中穿过、折回,再与另一端对齐。聚合物带可采用单孔穿过、上下穿过或左右环孔合并穿过折回与另一端对齐,并绑扎以防止其抽动(图7-34),不能将土工聚合带在环(孔)上绕成死结,避免在连接处产生过大的应力集中。

5.填土的铺筑与压密

填土应根据拉筋的竖向间距进行分层铺筑和夯实,每层填土的厚度应根据上下两层拉筋的间距和碾压机具综合决定。在钢筋混凝土拉筋顶面以上,填土的一次铺筑厚度不应该小于200mm。填土时,为了防止面板受到土压力作用后向外倾斜,填土的铺筑应该从远离面板的拉筋端部开始,逐步向面板方向进行。如果采用机械铺筑时,机械距离面板不应小于1.5m,且其运行方向应与拉筋垂直,并不得在未填土的拉筋上行驶或停车。在距离面板1.5m范围内,应该采用人工铺筑。

填土碾压前应进行现场压实试验,根据碾压机械和填土的性质确定填土的分层铺筑厚度、碾压遍数等指标,用以指导施工。

填土压实应先从拉筋的中部开始,并从平行于面板方向,逐步向尾部过渡,而后再向面板方向垂直于拉筋进行碾压。加筋土填料的压实度可参照规范选择。

6.地面设施施工

如果需要铺设电力或煤气等设施时,必须将其放在加筋土结构物的上面。对于管渠更应注意要便于维修,避免以后沟槽开挖时损坏拉筋。输水管道不得靠近加筋土结构物,特别是有毒、有腐蚀性的输水管道,以免水管破裂时水渗入到加筋土结构中,腐蚀拉筋造成结构物的破坏。

图7-34　聚丙烯土工聚合物带拉筋穿孔法

7.4 土 钉

7.4.1 概述

土钉(soilnailing)是将拉筋插入土体内部,拉筋尺寸小,全长度与土黏结,并在坡面上喷射混凝土,从而形成土体加固区,其结构类似于重力式挡土墙,用以提高整个边坡的稳定性,适用于开挖支护和天然边坡的加固治理,是一种实用的原位岩土加筋技术。

土钉最先是由法国的Bouggues于1972年在法国Versailles附近的铁道拓宽线路的切坡施工中采用的。之后,作为稳定边坡和深基坑开挖支护的方法之一,土钉法在法国得到了广泛应用。20世纪70年代中期,德国、美国及北美等国家开始应用此项技术。20世纪80年代,我国开始进行土钉的试验研究和工程实践,并于1980年在山西柳湾煤矿边坡稳定加固中首次采用了该技术。目前,土钉法这一加筋新技术在我国已逐渐得到了推广和应用。

与前述的加筋土挡土墙相比,土钉的施工是“自上而下”的分步施工,而加筋土挡土墙恰好相反,是“自下而上”(图7-35);这对筋体材料的应力分布影响重大,施工期间尤甚。土钉是一种用来改良天然土层的原位加筋技术,不像加筋土挡土墙那样,能够预定和控制加筋土填土的性质。土钉技术常包含灌浆技术的使用,使筋体和其周围土层黏结,荷载由浆体传递给土层。在加筋土挡土墙中,摩擦力直接产生于筋条和土层间。土钉既可以水平布置,也可倾斜布置。当土钉垂直于潜在滑裂面时,将会充分发挥其抗力;而加筋土挡土墙内的拉筋一般为水平设置(或很小角度的倾斜布置)。

图7-35　土钉与加筋土挡土墙施工程序比较
(a)“自上而下”土钉结构;(b)“自下而上”加筋土挡土墙

7.4.2 土钉的类型和特点

1.土钉的类型

按照施工方法,土钉可以分为钻孔注浆型土钉、打入型土钉和射入型土钉3种类型。土钉的施工方法、原理、特点和应用可参见表7-8。

工程实践证实,土钉技术的应用受到一定条件的限制。土钉适用于地下水位低于土坡开挖段或者经过降水而使地下水位低于开挖层的情况。为了保证土钉的施工,土层在分层开挖时,应能够保持自立稳定。所以,土钉技术适用于有一定黏结性的杂填土、黏性土,粉土、黄土类土及弱胶结的砂土边坡。此外,当采用喷射混凝土面层或坡面浅层注浆等稳定坡面措施能够保持每一切坡台阶的自立稳定时,也可以采用土钉支挡体系作为稳定边坡的方法。

对于砂土边坡,当标准贯入击数低于10击或其相对密实度小于0.3时,使用土钉法一般不经济;对不均匀系数小于2的级配不良的砂土,不可以采用土钉法;对塑性指数有大于20的黏性土,必须认真评价黏性土的徐变特性后,才可将土钉用作永久性的支挡结构;土钉法不适用于软土边坡,也不适用于在侵蚀性土(如煤渣、矿渣、炉渣、酸性矿物废料等)中作为永久性的支挡结构。另外,土钉技术的理论和实践工作还有待进行系统和深入的研究。

表7-8　土钉的施工方法及特点

2.土钉的特点

土钉作为一种原位加筋施工技术,具有以下的特点。

(1)对场地邻近建筑物的影响小。由于土钉的施工采用小台阶逐渐开挖方式,而且开挖成形后,及时设置土钉与面层结构,使面层与挖方坡面紧密结合,土钉与周围的土体粘合牢固,对土坡的土体扰动较小。而且,由于土坡一般都是快速施工的,可以适应土坡开挖过程中土质条件的局部变化,易于使土坡保持稳定。

实测资料表明:采用土钉稳定的土坡,只要产生微小的变形,就可以使土钉的加筋力得到发挥。所以,实测的坡面位移与坡顶变形很小(图7-36),对相邻建筑物的影响也小。

(2)施工机具简单,施工灵活,效率高。设置土钉所采用的钻孔型机具和喷射混凝土的设备都是可以移动的小型机械,所需场地较小,移动灵活,而且机械的振动小、噪音低,在城市地区施工具有明显的优越性。土钉施工速度快,施工开挖容易成形,在开挖过程中比较容易适应不同的土层条件和施工程序。

图7-36　土钉加筋后坡面的位移

(3)经济效益较好。根据西欧各国的统计资料,开挖深度在10m以内的基坑,土钉法比锚杆方案节省投资10%～30%。美国的土钉开挖专利报告(ENR,1976)指出:可节约投资30%左右。根据我国国内9项土钉工程的经济分析统计,认为可以节约投资30%～50%。

7.4.3 土钉与加筋土挡土墙的比较

1.主要的相同之处

(1)加筋体(拉筋或土钉)都处于无预应力状态,只有当土体产生位移之后,加筋体才能发挥作用。

(2)加筋体抗力是由加筋体与土之间产生的界面摩阻力提供的,加筋土体内部本身处于稳定状态,它们承受着其后面外部土体的推力,作用类似于加筋土挡土墙。

(3)面层(加筋土挡土墙的面板为预制构件,土钉加筋土挡土墙是现场喷射的混凝土)都比较薄,在支撑结构的整体稳定中不起主要作用。

2.主要的不同之处

(1)土钉与加筋土挡土墙施工的顺序截然不同。土钉结构是“自上而下”分步施工;而加筋土挡土墙则是“自下而上”分步施工。如图7-35所示。施工顺序的不同对筋体的应力分布有很大影响,特别是在施工期间的影响更大。

(2)土钉是一种原位加筋技术,用来改良天然土层,不像加筋土挡土墙那样,能够预定和控制加筋土填土的性质。

(3)土钉技术通常要使用灌浆技术,使筋体和周围的土层黏结起来,所受荷载通过浆体传递给土层。而在加筋土挡土墙中,内部的摩擦力直接产生于拉筋和土层之间。

(4)土钉既可以水平布置,也可以倾斜布置。当土钉垂直于潜在的滑动破裂面时,将会充分发挥其抗力。而在加筋土挡土墙中的拉筋一般是水平设置(或以很小的角度倾斜布置)的。

7.4.4 土钉与土层锚杆的比较

在表面上,土钉与土层锚杆比较相似,但仍然存在不同的地方。

(1)土层锚杆在安装后一般要进行张拉,因此,在其运行时能够有效地防止结构发生各种位移。相比之下,土钉不需要进行张拉,发生少量位移后才能发挥作用。

(2)土钉长度(一般为3～10m)的绝大部分和土层相接触,而土层锚杆多是通过锚杆末端固定的部分传递荷载。两者在支挡土体中产生的应力分布不同。

(3)土钉的安装密度很大(一般为0.5～5m2/根),因此,单个土钉破坏后的后果不严重。另外,对土钉的施工精度要求不高,各个土钉是以相互作用的方式形成一个整体。而土层锚杆的设置密度相对较小。

(4)由于土层锚杆承受的荷载很大,因此,在锚杆的顶部需要安装适当的承载装置,以减小出现穿过挡士结构面而发生“刺入”破坏的可能性。而土钉承受的荷载小,不需要安装坚固的承载装置,由安装喷射混凝土表面的钢垫来承担。

(5)土层锚杆的长度(一般为15～45m)长,需要大型设备来安装。且锚杆体系常用于大型挡土结构,如地下连续墙、钻孔灌注桩挡土墙,这些结构本身也需要大型的施工设备。

7.4.5 土钉的加固机理

土钉加固是由较小间距的土钉作为土的加筋来加强土体的,形成一个原位的复合式重力式结构,以提高整个原位土体的强度并限定其位移。它结合了钢丝网喷射混凝土和岩石锚杆的特点,对边坡提供柔性支挡。

土钉的加固机理主要有以下几个方面。

1.提高原位土体的强度

当自然土坡的直立高度超过其临界高度,或者自然土坡上有较大的超载以及环境因素等改变时,都会引起土坡失稳。稳定土坡的常规方法是采用被动制约机制的支挡结构,来承受土的侧向土压力,并限制土坡的变形发展。土钉则是在土体内增设一定长度和分布密度高的锚固体,其与土体牢固结合而共同工作,以弥补土体强度的不足,增强土坡坡体的自身稳定性,这是属于主动制约机制的支挡体系。

国内研究表明,土钉在其加强的复合土体中起箍束骨架的作用,提高了土坡的整体刚度和稳定性;土钉在超载作用下,表现为持续的渐进性破坏。即使在土体内已经出现局部的剪切面和张拉裂缝,并随着超载集中程度的增加而扩展的情况下,也仍可持续很长时间而不发生整体塌滑。

此外,向土钉中进行压力注浆,会使浆液沿着原有地层中的裂隙扩渗,形成网状胶结,必然会增强土钉与周围土体的黏结和整体作用(图7-37)。

2.土与土钉间的相互作用

土钉与土之间摩阻力的发挥,主要是由于两者之间的相对位移而产生的,类似于加筋土挡土墙内拉筋与土之间的相互作用。在土钉加筋的边坡内,也存在着主动区和被动区(图7-38)。主动区和被动区内土体与土钉之间摩阻力发挥的方向正好相反,而位于被动区内的土钉则可以起锚固作用。

图7-37　土钉浆液的扩渗

图7-38　土与土钉间相互作用

土钉与其周围土体间的极限界面摩阻力取决于土的类型、上覆压力和土钉的设置技术。该问题有待进行深入的理论和试验研究。

3.面层土压力分布

面层不是土钉结构的主要受力构件,而是土压力传力体系的构件,同时保证土钉不被侵蚀风化。由于土钉结构面层的施工顺序不同于常规的支挡体系,所以,面层上的土压力分布与一般重力式挡土墙不同,比较复杂。

4.破裂面形式

经试验研究和理论分析,原位加筋土钉复合陡坡的破裂形式如图7-39所示(试验土坡的土质为黄土类粉土和粉质黏土)。图7-39(b)为王步云等建议采用的简化破裂面形式。

图7-39　土钉复合陡坡破裂面形式
(a)土钉破裂面;(b)理论破裂面。1.库仑破裂面;2.有限元解;3.实测值

7.4.6 土钉的设计计算

与重力式挡土墙的设计一样,土钉结构必须保持在内力和外力作用下的稳定性。因此,土钉支挡体系的设计一般应包括3个方面。

(1)根据土坡的几何尺寸(深度、切坡倾角)、土的性质和超载情况等,估算土坡潜在破裂面的位置。

(2)土钉的形式,截面面积、长度、间距和设置倾角。

(3)验算土钉结构的内、外部稳定性。

土钉支挡体系的具体设计计算过程如下。

1.土钉的几何尺寸

在初步设计阶段,首先应根据土坡的设计几何尺寸和可能的破裂面位置等作出初步选择,包括土钉的孔径、长度和间距等基本参数。

(1)土钉的长度。已有工程的土钉实际长度均小于土坡的垂直高度。经土钉的抗拔试验证明,当土坡高度小于12m时,对同类土质边坡采用相同的施工工艺。当土钉长度达到土坡垂直高度时,再增加土钉的长度则对其承载力提高不明显。1982年Schlosser认为,当土坡倾斜时,倾斜面使侧向压力降低,故通常采用的土钉长度约为坡面垂直高度的60%～70%。

(2)土钉的孔径和间距。土钉的孔径一般可以根据成孔机械选定。国外对钻孔注浆型土钉,其直径一般为76～150mm,国内曾经采用的土钉钻孔直径为100～200mm。

土钉的间距包括水平间距(行距)和垂直间距(列距)。王步云等认为,对于钻孔注浆型土钉,应该按照6～8倍的土钉钻孔直径选定土钉的水平间距和垂直间距,而且应该满足下式

式中:sx、sy为土钉的水平间距(行距)、垂直间距(列距),m;dh为土钉的钻孔直径,mm;L为土钉的长度,m;k为注浆工艺系数,对一次压力注浆工艺,可取1.5～2.5。

(3)土钉主筋的直径。打入型土钉一般采用低碳角钢,钻孔注浆型土钉一般采用高强度实心钢筋,筋材也可以用多根钢绞线组成的钢绞索,以增强土钉中筋材与砂浆的握裹力和抗拉强度。王步云等建议用下面的经验公式估算

式中:db为土钉筋材的直径,mm。

2.内部稳定性分析

有关土钉结构内部稳定性的分析方法,国内外有几种不同的设计计算方法,主要有:美国的Davis法、英国的Bridle法和德国法及法国法等,国内有王步云提出的方法。这些方法的设计计算原理均考虑到了土钉被拔出或者被拔断。在此,限于篇幅,仅介绍国内王步云的设计计算方法。

(1)抗拉断裂极限状态。在面层土压力作用下,土钉将承受抗拉应力,为保证土钉结构内部的稳定性,土钉的主筋应具有一定安全系数的抗拉强度。所以,土钉的主筋直径应满足下式

式中:fy为主筋的抗拉强度设计值,kN/mm2;Ei为第i列单根土钉支撑范围内面层上的土压力,kN/m,可按Ei=qi·sx·sy,计算;qi为第i列土钉处的面层土压力,可按qi=me·K·γ· hi计算;hi为土压力作用点至坡顶的距离,m,当hi>H/2时,取hi=0.5H;H为土坡的垂直高度,m;γ为土的重度,kN/m3;me为工作条件系数,对使用期不超过两年的临时性工程,me =1.0,对使用期超过两年的永久性工程,m=1.2;K为土压力系数,取 ,其中的K0、Ka分别为静土压力系数、主动土压力系数。

(2)锚固极限状态。同样,在面层土压力作用下,土钉内部潜在滑裂面后的有效锚同段应具有足够的界面摩阻力而不被拔出。所以,土钉结构的安全系数应满足下式

式中:Fi为第i列单根土钉的有效锚固力,Fi=π·τ·db·Lei;Lei为土钉的有效锚固段长度,计算断面如图7-39(b)所示;τ为土钉与土之间的极限界面摩阻力,应通过抗拔试验确定,在无实测资料时,可参考表7-9取值;K为安全系数,取1.3～2.0,对临时性工程取小值,永久性工程取大值。

7.4.7 土钉的施工技术

表7-9　不同土质中土钉的极限界面摩阻力τ值

注:适用于一次性注浆的土钉。

1.开挖和护面

土钉支护的基坑应分步开挖,分步开挖的深度主要取决于暴露坡面的“自立”能力,在粒状土中的开挖深度一般为0.5～2.0m,对超固结黏性土而言,开挖深度可以较大。

鉴于土钉的施工设备,分步开挖至少要保证宽度为6m。开挖长度则取决于交叉施工期间能够保证坡面稳定的坡面面积。对变形要求很小的开挖,可以按两段长度先后施工,长度一般为10m。

开挖出的坡面须光滑、规则,以尽可能减小支护土层的扰动。开挖完毕须尽早支护,以免出现土层剥落式松弛(可事先进行灌浆处理)。在钻孔前,一般须进行钢筋网安装和喷射混凝土的施工。在喷射混凝土前可将一根短棒打入土层中,作为测量混凝土喷射厚度的标尺。对临时性工程,最终坡面面层厚度为50～150mm;而永久性工程则为150～250mm。根据土钉类型、施工条件和受力过程的不同,可做成一层、两层或多层表层。

根据工程规模、材料和设备性能,可以进行干式和湿式喷射混凝土。通常规定喷射混凝土的最大粒径为10～15mm,并掺入适量的外加剂,以使混凝土加速固结。另外,喷射混凝土通常在每步开挖的底部预留300mm厚,以便下一步开挖后安装钢筋网等。

2.排水

应该事先沿坡顶开挖排水沟以排除地表水。一般对支挡主体有3种主要的排水方式。

(1)浅部排水。通常使用直径100mm、长300～400mm的管子将土坡坡后水迅速排除,其间距按地下水条件和冻胀破坏的可能性而定。

(2)深部排水。用管径50mm的开缝管做排水管,上斜5°或10°,长度大于土钉长度,其间距决定于土体和地下水条件,一般坡面面积大于3m2布设一个。

(3)坡面排水。喷射混凝土之前,贴着坡面按一定水平间距布置竖向排水设施,间距一般为1～5m,这取决于地下水条件和冻胀力的作用。竖向排水管在每步开挖底部有一个接口,贯穿于整个开挖面,在最底部由泄水孔排入集水系统,并且应保护好排水道,以免混凝土渗入。

3.土钉布设

大多数情况下,可以按照土层锚杆技术规范和条例进行土钉的施工。

(1)成孔。国内大多采用多节螺纹钻头干法成孔。钻机为YTN-87型土锚钻机,成孔直径100～150mm,钻孔最大深度60m,可以在水平和垂直方向之间任意钻进。

用打入法设置土钉时,不需要在土中预先钻孔。对含有块石的黏土或很密的胶结土,不适宜直接打入土钉;而在松散的弱胶结粒状土中,采用打入法设置土钉时也需要注意,以免引起土钉周围土体局部的结构破坏而降低土钉与土之间的黏结应力。

国外常见的钻孔方法有复合钻进和螺旋钻进,这两种钻孔方法各具特点,适用于不同的土层情况。

(2)清孔。钻孔结束后,孔内残留及松动的废土应清除干净,常用0.5～0.6MPa的压缩空气清孔。若孔内土层较干燥,应逐步湿润孔壁,以便清孔。

(3)放置筋材。放置钢杆件,一般多用Ⅱ级螺纹钢筋或Ⅳ级精轧螺纹钢筋,尾部设置弯钩,并每隔3m在其上焊置一个托架,以便使钢筋居中。

(4)注浆。注浆是保证土钉与周围土体紧密粘合的关键步骤,在孔口处设置止浆塞(图7-40)并旋紧,使其与孔壁紧密贴合。将注浆管一端插入其上的注浆口,另一端与注浆泵连接,边注浆边向孔口方向拔管,直到注满浆液为止。保证水泥砂浆的水灰比值在0.4 ～0.5之间,注浆压力保持在0.4～0.6MPa。当注浆压力不足时,可以从补压管口补充压力。

注浆结束后,放松止浆塞,将其与注浆管一并拔出,再用黏性土或水泥砂浆(细石混凝土)充填孔口。

另外,可以在水泥砂浆(细石混凝土)中掺入一定量的膨胀剂,防止其在硬化过程中产生干缩裂缝,提高其防腐性能。为提高水泥砂浆的早期强度,加速硬化,也可加入速凝剂,常用的速凝剂有红星一号速凝剂(711型速凝剂),掺入量为2.5%左右。

图7-40　止浆塞示意图

国外已报道了具有高速度的土钉施工专利方法———喷栓系统(图7-41)。该方法是采用高达20MPa的压力,将浆液通过土钉尖的小孔进行喷射,将土钉安装或打入土中,喷出的浆液如同润滑剂一样,有利于土钉的贯入,并在其凝固后提供较高的土钉黏结力。

图7-41　国外土钉施工专利方法———喷栓系统

4.防腐处理

在标准环境中,对临时的支护工程,一般仅用灌浆作为土钉的锈蚀防护层(有时在钢筋表面加一层环氧涂层)即可。对永久性支护工程,需要在拉筋外再加一层至少5mm厚的环状塑料护层,以提高土钉的防腐能力。

7.4.8 土钉的质量检验和监测

与土层锚杆不同,不必对土钉进行逐一质量检验。这说明土钉的整体效能是主要的。在每步开挖阶段,必须挑选土钉进行拉拔试验,用以检验设计假定的土钉与土的黏结力。

埋设应力计,可以量测单个土钉的应力分布及其变化规律,为设计者提供必不可少的反馈信息。在土钉顶部埋设压力盒也可获得有益的数据。

对土钉支护系统整体效能最为主要的观测是对墙体或斜坡在施工期间和施工后的变形观测。对土体内部变形的监测,可以在坡面后不同距离的位置布设测斜管进行观测。而坡面位移可以直接测出。

目前,土钉技术已经成功地应用于挡土墙、边坡加固和隧道入口加固等新建工程,以及加筋土挡土墙的修复、重力式砌石挡土墙的修复、失稳土坡加固和锚杆墙的修复等治理工程中。限于篇幅,这些内容在此不作介绍,读者可查阅有关的文献和资料。毫无疑问,随着理论研究和实践经验的积累总结,土钉加筋新技术必将在工程建设中得到进一步的发展和应用。

7.4.9 工程实例

1.英国Bradford干砌石挡土墙的修复———钻孔注浆型土钉

英国近200年来,在西Yorkshire及其邻县修建了上万米的挡土构筑物,其中Bradford附近为长125m的干砌石挡土墙(图7-42)。挡土墙高2～3m,用于支挡土坡和回填料,修建在风化的砂岩基上。由于该挡土墙一些墙段的循环破坏和倒塌,使人身安全受到威胁,并阻塞交通,而且清理和修复工作的费用很高。经过评估土钉的实用和经济效益后,决定采用钻孔注浆型土钉对挡土墙进行修复。

图7-42　英国Bradford砌石重力式挡土墙修复

具体施工过程有如下几步:

(1)排水。在高出道路路面300mm处,按照2m一个的水平间距钻孔,这组钻孔直径为50mm,起临时排水作用。在喷射混凝土和安装土钉后,又在高出路面300mm和1500mm处钻出两排直径为115mm的永久性排水孔,其水平间距为3m,直通到墙后。

(2)修复墙面。用带有加筋墩的单面砖墙修复倒塌的墙面。墙后孔隙用水泥砂浆填实,水泥砂浆体内掺加速凝外掺剂。在土钉施工过程中,在干砌石墙面上加一层轻型钢丝网,然后喷射两层50mm厚的混凝土,最后形成中心距为15m的竖向施工接缝。

(3)土钉施工。用履带式钻机钻土钉孔,直径为115mm,每一个土钉控制2.5m2的面积。主筋直径为16mm,具有较高的强度,并在端部弯出一个钩。采用水灰比值为0.45的纯净水泥浆液。在孔口使用带波纹的塞套,以防止浆液在砌石段水平流失。待灌浆完毕、浆体凝固后再装顶板,并对每一个土钉施加额定应力。经过对3`个土钉的拉拔试验证实,土钉与土之间黏结得很好,已超过设计要求。

(4)砌筑新的石墙墙面。砌筑新的砌石墙墙面,完成挡土墙的最后一道工序。

该工程的成功经验表明,钻孔注浆型土钉对于修复干砌石墙不需要拆除原来的墙体,具有很高的技术和经济价值。

2.山西柳湾煤矿边坡土钉加固工程

山西柳湾煤矿生产调度楼位于陡坡边缘,由于受场地限制及生产工艺要求,需要切成一个陡坡,陡坡的垂直高度H为10.2m,长度近40m,坡角α为80°,而且是一坡到顶。边坡的土质为黄土状粉质黏土,土质较均匀。其主要的物理力学指标列于表7-10中。

表7-10　边坡土的主要物理力学指标

天然土坡的稳定性验算得出的土坡稳定安全系数为0.9,不能满足工程要求,因而决定采用土钉支挡体系。

土钉采用钻孔注浆型,间距为1.2m,土钉的杆长为9m。采用ϕ25mm的螺纹钢筋做土钉。

采用原位土钉抗拔试验测定土钉的极限界面摩阻力,试验结果见表7-11。

同时,对该工程进行了变形监测工作,其结果列于表7-12和表7-13中。

表7-11　实际土钉的极限界面摩阻力

注:采用一次压力注浆施工工艺。

表7-12　坡顶面垂直变形

表7-13　坡面水平变形

注:H为坡高。

土钉的极限界面摩阻力离散性很小,表明施工质量良好。

该土钉墙已经使用了10多年,性能良好。

3.隧道入口和邻近边坡的土钉加固

隧道入口处和邻近边坡的土钉加固如图7-43所示。

图7-43　隧道入口和邻近边坡加固

思 考 题

1.什么是土工合成材料?包括哪些类型?各自的特点及特性是什么?

2.土工合成材料在工程应用上有哪些方面及其作用?土工合成材料用于加固地基有哪些作用?

3.简述土工合成材料应用的施工技术。

4.简述加筋土挡土墙的概念及其适用范围,有何优点?

5.加筋土的加固机理是什么?

6.加筋土挡土墙的内外部可能产生的破坏形式有哪些?

7.在加筋土挡土墙的设计计算中,应考虑哪些主要内容?

8.简述土钉的施工方法及其特点。土钉在工程上有哪些应用?

9.土钉与加筋土挡土墙的区别是什么?