基于柔性复合材料面层的土钉墙支护应用研究

赵景琳，卢 波，刘东旭

（中冶地勘岩土工程有限责任公司,河北廊坊065200）

我国城市化进程的迅速发展,使得城市建设过程中出现较多的基坑工程。为保证土方开挖安全,支护体系必须满足相应的刚度与稳定性要求,能够抵抗地层中产生的主动土压力,以减少甚至避免坑壁产生变形,从而保证施工安全。

在传统的基坑边坡防护工程中,土钉墙支护体系具有广泛的应用场景[1-2]。土钉支护时一般都会喷射混凝土,故也叫锚喷支护,基本的工序流程包括先逐层开挖基坑土方,再依次安插一定间距的土钉（钢筋）,以达到土体加筋作用,接着在土坡上绑扎成品钢筋网,最后喷射混凝土材料形成边坡面层。对于常规的土钉支护结构而言,其主要由被加固的土体、伸入土体的土钉以及边坡面层三部分构成,形成能够起到挡土功能的类似重力墙结构,并具备自稳定性,从而使基坑或边坡稳定。土钉墙在实际边坡防护中具有较多的应用优势,如造价成本低、对环境影响小、结构较为轻便、能充分发挥土体自承能力以及施工占地面积少等[3]。

对于土钉墙支护体系中的面层而言,以往大多采用“灰色”的混凝土材料,而混凝土材料在生产与应用过程中均有大量污染物质产生,不利于环境保护,也不符合绿色施工理念[4-5]。因此,采用绿色的柔性面层材料用于替代传统混凝土面层的新型土钉墙支护体系具有广阔的研究与应用前景[6]。本文就柔性复合材料——土工合成材料在新型土钉墙支护体系结构中的应用进行了介绍,阐述了利用土工格栅、土工布以及复合土工布等材料形成柔性面层的土钉墙构成与工作原理,同时依托工程实践,探讨了柔性复合材料面层的支护效果。

1 柔性复合材料概述

复合材料一般由两种及以上不同性质的物质以特定方式结合而成,属于新型材料,在应用中也被称为高性能组合材料。经组合而成的复合材料,除沿袭各组分材料的独特优点外,还具备单一材料所没有的综合性能。在微观层面,复合材料的各组分材料以某种特定方式实现融合,融合中存在着显著的界面,且于界面处相互发生作用力,属于不均匀材料,其特性主要由基体、增强体以及两者间的复合方式决定。

按照刚性大小不同,复合材料可分为刚性复合材料与柔性复合材料。其中,柔性复合材料的刚度较小,具备一定的弹性与变形延性,其主要是在纺织基布的基础上,通过涂层等工序而制成,应用中也叫作膜结构复合材料。作为一种增强材料,纺织基布所形成的复合材料性能优异,具有材质柔软、防水能力强以及强度高等特点。

作为建设工程领域应用较为频繁的一类柔性复合材料,土工合成材料的产品较为多样化,可以塑造出各种特定形状。在生产中,合成橡胶、化学纤维或塑料等均可作为制作原料。土工合成材料可用于土体表面、内部或衔接处,起到加强或保护土体的功能。根据规范,土工合成材料主要分为土工膜、土工织物、土工特种材料及土工复合材料等四种。其中,土工膜的不透水性能优异,弹性大、耐老化好,不同环境下的适应能力强,其突出的防渗与防水特性,使其在蓄水池、水电站等水利工程中应用广泛[7]；土工织物重量小、抗拉强度高、耐腐蚀性好,且抗微生物侵蚀能力强,常用于加筋垫层或道路防裂措施中[8]；土工特种材料成品种类繁多,如土工膜袋、膨润土垫、土工格栅以及三维植被网等,可用于土体加筋、护坡加固或地基处理等[9]；土工复合材料种类较广,如复合土工膜、复合土工织物及塑料排水管等,一般具有成本较低、施工便捷、排水性能优良等特点,可用于排水加固工程,以提高软基承载力,减少地基沉降[10]。

2 柔性复合材料面层土钉墙

柔性复合材料面层土钉墙区别于传统土钉墙之处,主要在于其边坡面层并非为原先的钢筋网喷混凝土形式,而是柔性复合材料（主要为土工合成材料,见图1）。柔性复合材料面层土钉墙支护体系能省去传统铺设钢筋网与喷射混凝土等繁杂的工序,提高基坑支护施工效率,加快施工进度。同时,所用材料节能环保,可在有效控制基坑边坡变形的同时,降低基坑支护造价,是一种新型的边坡支护体系[11]。

图1 柔性复合材料面层土钉墙支护体系Fig. 1 Flexible composite surface soil nailing wall support system

2.1 体系构成

柔性复合材料面层土钉墙大致由三部分构成,即土钉、柔性复合材料面层以及两者之间的连接结构。在支护过程中,三者相互制约、协同受力,共同发挥作用,减少边坡变形。在新型柔性面层土钉墙中,所谓的柔性面层一般是指具有一定张力的柔性复合材料,包括土工织物、土工膜或土工特种材料等各种土工合成材料,均可根据实际情况进行应用,常见的柔性复合材料产品如图2所示。

图2 常见的柔性复合材料产品Fig. 2 Common flexible composite products

与以往的钢筋混凝土面层相比,土工合成材料属于柔性复合材料,使用过程中的延展性良好,在铺设过程中可对其预加一定的预应力,使其与坡面紧密贴合,起到保护边坡的功能。

2.2 工作原理

在工作原理方面,柔性复合材料面层土钉墙与传统工艺并没有太大的差异。在工程实践中,完成土钉墙支护后,随着土方开挖,坑壁内部的土体有向坑内滑动的趋势,由此对支护体系产生作用力。其中,锚杆会通过深部稳定土体的锚固作用产生抵抗该种变形的拉力,而柔性复合材料面层则既可起到稳定锚杆间土体的作用,并将所受到的作用力传递至滑动范围以外的锚杆,同时也能依靠自身张力保证局部土坡的稳定,其工作原理如图3所示。

图3 柔性复合材料面层边坡支护体系的工作原理Fig. 3 Working principle of flexible composite surface slope support system

3 基于柔性复合材料面层的土钉墙支护应用

某工程位于我国东部沿海地区,拟建的建筑物包括居民楼、购物大厦以及地下停车库等。其中地下停车库的建筑面积约为35000m2。该工程的基坑挖深普遍在4～9 m之间,适合采用土钉墙支护,支护周长约1000m,设计使用期限为一年。项目地质勘察资料显示,施工现场地层分布较稳定,大致包含7个土层,各土层的物理力学参数详见表1。

表1 各土层物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of each soil layer

3.1 支护方案设计

根据规范,本基坑安全等级为二级。基坑呈现不规则形状（如图4所示）,实际施工时,为兼顾基坑安全与造价成本,将基坑分为7个支护单元,划分考虑因素主要为附近环境、地质状况及土方挖深等。本基坑的主要支护方案为土钉墙与复合土钉墙。

图4 基坑形状与监测点位示意Fig. 4 Schematic diagram of foundation pit shape and monitoring points

本工程南边的地下停车库外墙边线距离用地红线较远,现场施工场地较充裕,具备放坡支护条件。因此,本工程拟在基坑南侧的EFG区段采取以柔性复合材料为面层的新型土钉墙支护体系,摈弃传统的混凝土材料形式。EFG区段边坡的长度约为244m。EFG区段边坡的放坡比例为1：1.2,支护设计采取5排坡面土钉与1排坡顶土钉形式,如图5所示。其中,坡面土钉设计直径为2cm,土钉长1.5m,水平与垂直间距均为1.5m。坡顶土钉采取击入式,直径为2cm,土钉长1.0m,水平间距为2.0m。坡面柔性面层采用复合土工布材料,如图6所示,自边坡坡顶向坡底依次展开铺设。复合土工布每幅宽6m,铺设时在坡顶处外延1.5m,并采用尼龙绳对坡面的分幅复合土工布格栅进行缝合处理,保证形成整体。本工程所用柔性复合材料由短纤土工布与双向塑料土工格栅热合制成。为保证柔性复合材料面层的综合性能,防止边坡失稳,选取的短纤土工布规格为400g,双向塑料土工格栅的抗拉、抗裂强度均为50kN/m,伸长率约为14%。本工程柔性复合材料面层的铺设面积约为3000m2。

图5 EFG边坡支护设计剖面图 Fig. 5 Design section of EFG slope support

图6 复合土工布格栅 Fig. 6 Composite geotextile grid

3.2 支护体系稳定性验算

3.2.1 整体稳定性

对于二级基坑,为保证其整体稳定性,分析时按规范取圆弧滑动整体稳定安全系数为1.3。借助圆弧滑动条分法,通过遍历各滑动圆弧,从中找出抗滑力矩与滑动力矩的最小比值,判断其是否满足规程中相应公式的要求。

以基坑最大挖深8.37m为例,土方开挖共分为四步。通过采用相应软件进行稳定性计算可知,各土方开挖工况下,抗滑力矩与滑动力矩之比分别为1.546、1.747、1.753、1.596,均大于1.3的安全系数,故整体稳定性满足要求。

3.2.2 平行于坡面的抗滑安全性

针对平行于坡面的抗滑安全性,主要基于文献[12]中的GTC主动加固系统,即高强度钢丝格栅的作用原理进行验算,即Sd≤SR/Fs,其中,Sd为锚杆最小抗剪力设计值,SR为锚杆极限抗剪能力值,Fs为抗纯剪安全系数。

本工程采用土钉墙,且所涉及土层主要为中粗砂。因此,计算时不考虑预应力和粘聚力。经验算,本工程中的Sd为13.52kN,SR/Fs=37.39kN,表明抗滑安全性满足要求。

由上述安全性验算[13]可知,为保证基坑和周边建（构）筑物的安全,对基坑边坡采用柔性土工合成材料面层的土钉墙系统具备理论可操作性。

3.3 支护工艺

在工程实践中,柔性复合材料面层土钉墙支护体系省去了传统土钉墙中的钢筋网绑扎与混凝土喷射工序,极大缩短了支护工期,其具体工艺流程为：按坡率开挖土方,形成放坡面→清理坡面杂物,保证平整→坡顶处插打击入式土钉,自上而下铺展土工材料→浇灌坡顶处混凝土→插打坡面第1道土钉→摊铺土工材料→绑扎加强筋→随土方开挖,依次安插土钉、铺设柔性土工面层→于坡脚处采用砂袋压固。

在柔性复合材料面层铺设时（图7）,为保证面层施工质量,应重点落实过程控制,具体为：

图7 柔性复合材料面层铺设现场Fig. 7 Laying site of flexible composite surface course

（1）在铺设复合材料时,可预加一定程度的张拉力,使材料面层保持受拉状态,紧密贴合于边坡表面,形成局部受力整体。土工复合材料面层的单元幅之间采用尼龙绳接合,搭接长度不得小于25cm。

（2）铺设土工合成材料前,为避免坡面处的尖锐物划破面层材料,需先进行平整除杂工作。

3.4 支护效果

本案例工程从基坑土方开挖施工之前至基础回填完成,在200天的地下室施工期间持续进行了基坑监测。监测点布置在EFG区段边坡坡顶。由采集获得的监测数据可知,基坑在起初的土方开挖与支护施工阶段,各变形数据有显著增大,但随着开挖结束以及结构的回筑,水平位移与竖向沉降曲线趋于平缓,直至保持基本稳定。其中,最大水平位移为8.98mm,最大沉降值为7.8mm。另外,通过基坑现场的巡视观察,发现基坑周边无裂缝发生,也没有流砂、管涌等不良灾害,表明基坑处于稳定可控状态。

4 柔性复合材料面层土钉墙的支护效益

柔性复合材料面层土钉墙支护体系在实践中施工便捷、绿色环保,能有效缩短施工工期。通过案例基坑工程的监测数据可看出,与传统钢筋混凝土面层相比,使用新型的复合材料柔性面层具有明显的经济与社会效益。

（1）使用柔性土工合成材料面层代替钢筋混凝土材料,只需在修整好的坡面上进行铺设、张紧即可,节省钢筋绑扎与混凝土喷射工序,避免了混凝土养护等强时间,大幅加快施工进度,提高施工效率。

（2）对于土钉墙而言,采用柔性复合材料面层的支护造价较低。以本工程为例,传统土钉墙支护中的钢筋网一般为Ø6.5mm@200mm,混凝土等级C20,厚度80mm,根据市场价计算,可得综合造价为85元/m2。而采用柔性土工合成材料面层时,本工程基坑坡面的支护总面积约为3616m2,计算可得综合造价为40元/m2。由此可知,本工程采用新型土工合成材料柔性面层的土钉墙支护体系可降低造价约53%。

（3）在支护过程中,传统的钢筋混凝土面层需要机具或器械来配合现拌、喷射等工序,施工现场不可避免地将产生较大的扬尘与噪音问题,不利于安全文明施工。同时,钢材的生产带来大量的能源消耗与污染,混凝土的砂石开采也会破坏自然环境。因此,在绿色节能方面,柔性土工合成材料面层优势显著。

5 结束语

本文介绍了柔性复合材料——土工合成材料的概念与应用特性,阐述了其在土钉墙支护体系柔性面层中替代混凝土材料的应用原理。结合我国东部沿海地区某基坑施工案例,对新型柔性复合材料面层土钉墙支护体系的稳定性进行了安全验算,并通过现场监测数据验证其有效性和可行性。

（1）在边坡施工项目中,采用柔性土工合成材料面层土钉墙的支护方案,能实现边坡变形控制的目的,在实践中具有可行性。

（2）与以往的喷射混凝土面层相比,柔性土工合成材料面层施工过程污染小、速度快、造价低,值得在工程地质条件允许时推广应用。

（3）柔性土工合成材料面层土钉墙支护体系施工过程节能环保,在可持续发展方面应用潜力巨大。