土钉+止水帷幕复合土钉墙加权平均法研究
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摘要 土钉+止水帷幕复合土钉墙支护方法已在工程中广泛应用，但其计算理论和设计方法落后于工程，设计计算方法不统一。本文结合青岛地区土钉+止水帷幕复合土钉墙支护工程，利用理正深基坑v5.3.1设计软件进行研究，提出了一种土钉+止水帷幕复合土钉墙加权平均设计方法，该方法定量的考虑了水泥土墙对坑壁稳定的有利作用，并将复合土钉墙设计计算简化为普通土钉墙的设计计算。 关键字 土钉+止水帷幕复合土钉墙，加权平均法
1引言
复合土钉支护是土钉支护技术的延伸和发展，它联合其它支护方法，克服了土钉支护中存在的缺陷，大大拓宽了土钉支护的应用领域。1997年复合土钉支护在我国上海成功应用，因其工程造价低、工期短、施工方便，变形比较小，此后复合土钉支护技术在工程中被广泛使用。复合土钉的型式也越来越多，青岛地区多用土钉+止水帷幕复合土钉墙型式，止水帷幕可以防止降水对市区周边环境的不利影响，同时可以对基坑边壁提前支护、减少坑壁土的侧压力，这是一种较优秀的支护型式。但其计算理论和设计方法远落后于工程实践，计算方法不统一，反映了人们对复合土钉支护受力变形机理认识上的不足。虽然复合土钉墙在工程中大量应用，但我国也没有关于复合土钉墙的规范和标准，所以对其设计计算方法进行研究具有重要意义。
目前对此类复合土钉墙的设计计算方法主要有两类：第一类方法将水泥土墙看成钢筋砼桩，将土钉作为其支撑，按连续梁进行计算。采用这种方法计算常常使得水泥土桩的内力过大，桩身强度不能满足要求。第二类方法按普通土钉墙进行计算，不考虑水泥土墙对基坑边壁稳定的有利作用，仅将水泥土墙作为止水帷幕和强度储备，这种方法偏于保守造成工程成本增加。其实水泥土墙对基坑边壁的稳定具有重要作用，目前没有较好的设计方法定量考虑水泥土墙的有利作用。本文结合青岛地区的土钉+止水帷幕复合土钉墙工程，利用理正深基坑V5.3.1设计软件进行研究，提出了一种加权平均设计方法，该方法定量的考虑了水泥土墙对坑壁稳定的有利作用，并将复合土钉墙设计计算简化为普通土钉墙的设计计算。
2土钉+止水帷幕复合土钉墙设计方法评述
普通土钉墙设计可以分为两个内容：局部稳定验算和整体稳定验算，局部稳定验算主要考虑支护结构构件本身的强度和稳定，整体稳定只要考虑基坑边壁在各工况下的边坡滑移稳定、倾覆、隆起等内容。土钉+止水帷幕复合土钉支护与一般土钉支护的区别主要在于开挖前水泥土桩墙形成的超前支护，在设计时需要计入水泥土桩墙对基坑稳定的贡献。
如何计入土钉+止水帷幕（水泥土桩墙）复合土钉墙中水泥土桩墙对基坑稳定的贡献，目前还没有统一的方法。对于此类复合土钉墙设计计算方法主要有两类：第一类为以抗滑桩来考虑水泥土作用的方法往往高估桩后土压力，使得计算桩身强度远不能满足要求，设计者往往因此加大水泥标号、水泥用量、减少提升速度等办法来提高水泥土的强度，这样就使本来具有造价低、施工简便的复合土钉墙失去了本身优点，但这种处理方法也并不总是有效的。从力学角度上分析，实际上土钉对水泥土桩墙的约束较弱，若按连续梁（抗滑桩）进行计算势必使得桩身弯矩、剪力过大；再者水泥土桩墙的受弯、受剪破坏往往表现为脆性破坏，而适当配筋的钢筋砼桩具有一定的延性，二者力学行为上的表现是有差别的。目前理正深基坑v5.3.1软件采用的这种方法计算结果不具有参考性。第二类为按普通土钉墙进行计算的方法，不考虑水泥土墙对基坑边壁稳定的有利作用，仅将水泥土桩墙作为止水帷幕和强度储备。这种方法在理正软件中建模时，对直立水泥土桩形成的直立边坡处理也会产生问题，不考虑水泥土强度，会使坑壁边坡的安全系数降低，这种方法偏于保守使得土钉的密度和长度大大增加，工程成本也要大大增加。
虽然也有方法将水泥土和原土分开进行条分、考虑土钉和水泥土的相互作用，但是水泥土和原土的相互作用是有明显差别的，水泥土和原土的破坏形式和破裂角也是有较大差别的。实际设计中，过分细化水泥土和原土的差别只会使计算更加繁琐，由于施工过程中的许多偏差会使理论状态与实际施工结果具有较大区别，故计算结果往往偏差较大。 3加权平均法
理正深基坑软件不能自动考虑水泥土强度的增加，不能在一个模式里面完成对土钉+水泥土止水帷幕复合土钉墙的设计计算，土钉墙的稳定设计只能在土钉墙模式进行计算，并且不能考虑水泥土强度的影响；水泥土本身强度的计算、抗倾覆、抗滑移、隆起、管涌验算等需要在水泥土墙模式下完成，
且桩身强度计算结果不具有参考价值。
由于复合土钉墙的计算在理正深基坑中比较繁琐，且较多结果不符合实际情况。如果能将复合土钉墙的设计在理正深基坑中统一到一个模式里进行计算，把水泥土强度对基坑边壁的稳定贡献按适当方法分布到影响范围土体中，将简化计算，同时可以量化水泥土桩对坑壁稳定的贡献。本文针对理正深基坑v5.3.1软件，提出了加权平均设计法，该方法量化了水泥土强度对边坡的有利影响，并将复合土钉墙简化为普通土钉墙的简化设计方法。
水泥土止水帷幕在复合土钉墙中多用高压旋喷桩，旋喷桩适用范围广、强度离散性相对较小，本文以三重管法高压旋喷桩为止水帷幕桩进行研究。要量化水泥土桩的有利贡献主要考虑两个方面的因素，一个是基坑开挖影响范围，另一个是水泥土强度参数的选取。 3.1基坑开挖的影响范围
对于均质土坡，在无支挡的条件下，其破坏是沿着库仑破裂面发展的，这已为Η.С.Б.УΛЫúев用二维挡土墙模型试验及实际工程监测证实[1]。对于加入土钉的土坡破坏也基本上沿着库仑破裂面发展，太沙基、peck、我国太原煤矿设计研究院、天津市建筑设计研究院、同济大学都进行了监测[2][3]
，监测结果表明，植入土钉的土坡破裂面与原状土坡稍有差别，但实际应用中多采用库仑破裂面，可以把其斜面角度适当进行折减或不折减。边坡的破裂面范围内即为基坑开挖影响范围，对不同土层其开挖影响范围也是不同的，对于砂土边坡其开挖影响范围为0.8~1.2倍开挖深度，对于软土其开挖影响范围一般大于2.0倍的开挖深度。对于一般土层基坑，开挖影响范围一般可以取1.0~1.2倍基坑深度。
3.2水泥土（旋喷桩）的强度参数
水泥土的强度与水泥含量有较大关系，水泥的含量从5%～25%，其三轴剪切强度可从1MPa增加到10MPa。同时其强度与所加固土的性质有关，淤泥层中的水泥土无侧限抗压强度一般低于1MPa，砂土一般可达到10～20MPa，粘性土5～10MPa，砂砾为8～20MPa。中国地质大学研究结果表明[4]，旋喷桩的粘聚力砂性土为400～500KPa，粘性土为700～1000KPa，；旋喷桩的内摩擦角砂性土为30～40°，粘性土为20～30°。从水泥土强度参数来看，水泥土对原土强度参数的提高主要表现在粘聚力的大大提高，而内摩擦角虽然有所提高，但提高比例有限。粘聚力的提高对直立边坡具有重要作用，可以提高边坡的直立高度达到提前支护目的。所以对于水泥土的粘聚力对边坡有利作用进行量化考虑，提高边坡稳定性降、低支护造价具有重要依据。 3.3考虑水泥土强度影响的加权平均法
水泥土强度较高，比原土增强较多，主要是粘聚力大大提高。若按普通土钉墙进行计算，必然形成由水泥土桩产生的直立边坡。这样使得坑壁安全系数降低很多，若将水泥土强度的增强效应与在假定破裂面内的未施加旋喷桩土体参数按分布宽度进行加权平均，就可以量化考虑水泥土对坑壁稳定的贡献，也解决了由水泥土桩产生的直立边坡的问题。这样复合土钉墙就可以按普通土钉墙进行建模计算，仅管涌计算需要单独计算，大大简化了设计步骤。水泥土与原土体加权后组成一个新的土体，加权平均后新土体参数为：
c=( c1×a+ c2×b)/(a+b) (1) φ=（φ1×a+φ2×b）/(a+b) (2)
其中c、φ为加权平均后新土层的粘聚力和内摩擦角； c1、φ1为水泥土的粘聚力和内摩擦角；
c2、φ2为未施加水泥的原土的粘聚力和内摩擦角；
a、 b分别为水泥土直径和基坑开挖影响范围内原土的宽度。 4 工程实例分析
本文对青岛木材厂改造基坑工程和青岛大连路基坑工程用加权平均法进行了设计、分析，并将设计计算结果在工程中进行了应用。工程实践表明，该设计方法具有很好的适用性、合理性。 4.1 工程简介
青岛木材厂改造工程位于青岛市郑州路1号，重庆南路以西，张村河以南。拟建基坑开挖深度8m，基坑周长450m。基坑平面图如图1所示。大连路基坑位于青岛市辽宁路、黄台路、大连路、无棣路交叉区域，规划用地面积14277m2，基坑开挖深度6.4~11m，基坑安全等级为二级，基坑平面图如图2所示。
图1青岛木材厂基坑平面图
Fig.1 plan of the timber mill foundation pit
图2大连路基坑平面图
Fig.2 plan of the the foundation pit in Dalian road
青岛木材厂改造基坑工程和青岛大连路基坑工程地下水埋深相对较浅，隔水土层不能形成有效隔
水带，工程位于市区，不允许降水开挖，采用土钉+止水帷幕复合土钉墙方案。其地层参数表1、2所示。
表1 青岛木材厂基坑土层参数
Table1 parameters of soils of the timber mill foundation pit
序号 1 2 3 4 5 6 7 8
表2 大连路基坑土层参数
Table2 parameters of soils of the foundation pit in Dalian road
序号 1 2 3 4
土层名称 素填土 粉质粘土 粗砂砾 全风化岩
厚度（m） 容重（KN/m3）
2 4.5 1.9 2.5
18 19.5 20 23
粘聚力（KPa）
0 10 0 0
内摩擦角（°）
18 15 35 45
土层名称 素填土 粉细砂 粉质粘土 砂砾 粉质粘土 角砾 碎石 强风化岩
厚度（m）
1.5 1.0 1.0 3.5 1.5 3.5 2.5 2
容重（KN/m3）
18 18 19 20 20 21 22 25
粘聚力（KPa）
0 0 12.9 0 15 0 0 0
内摩擦角（°）
20 25 13.8 30 15 35 40 50
4.1 加权平均法与普通土钉墙设计方法对比分析
由于采用抗滑桩计算方法有诸多不合理因素，本文不讨论此方法。用理正深基坑v5.3.1版对上述两个工程用加权平均法和不考虑水泥土强度的普通土钉墙法进行设计计算。土钉水平间距均取1.5m，土钉选用1Ф25、28HRB335螺纹钢筋，坡顶考虑10KPa均布荷载，水泥土强度参数根据文献4并参考青岛地区经验选取，基坑开挖影响范围取1.1倍开挖深度。水泥土强度参数如表3所示，加权平均后土体参数如表4所示。本文仅给出大连路基坑普通方法和本方法计算结果，木材厂基坑仅给出加权平均法计算结果。
表3 水泥土强度参数
Table3 parameters of cement mixing soils
工程名称
序号 1
大连路基坑
2 3
原土层名称 粉质粘土 粗砂砾 全风化岩
粘聚力（KPa）
900 400 600
内摩擦角（°）
28 48 55
1 2
青岛木材厂基坑
3 4
粉质粘土 砂砾 粉质粘土 角砾
700 400 900 400
25 45 28 48
表4 加权平均后土体参数
Table4 parameters of weighted averaging soils
工程名称
序号 1
大连路基坑
2 3 1 2
青岛木材厂基坑
3 4
粉质粘土 角砾
133 53.3
16.7 36.7
原土层名称 粉质粘土 粗砂砾 全风化岩 粉质粘土 砂砾
粘聚力（KPa）
79 40 60 104.5 53.3
内摩擦角（°）
16.3 36.3 46 15.3 36
4.1.1 大连路基坑加权平均法与普通方法计算结果 ①普通设计方法计算结果： [ 验算简图 ]
---------------------------------------------------------------------- [ 验算条件 ]
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