【摘要】随着经济的快速发展，城市建设用地日益紧张，导致地下工程的发展与地下空间的开发利用成为城市工程建设的一种趋势。有效、经济、快速地进行深基坑、高边坡的开挖支护已成为许多工程控制性关键技术之一。以新奥法为核心的土钉设计理论研究也成为岩土工程瞩目的重点课题。本文尝试从突变理论的角度来浅析突变对土钉支护体系的影响。
1基坑工程的特点
基坑工程是一项综合性很强的系统工程，且大部分都是临时结构。地下工程施工完后就不再需要。其具有以下几个特点：
1）安全储备小，具有较大的风险。因为是临时结构体系，与永久结构体系相比，其安全储备要求较小，所以具有较大的风险。施工过程中应加以监测，并有应急措施。
2）单件性强，区域性强。由于工程地质、水文条件和工程地点的不同，导致基坑工程的差异性很大，同时受周围场地环境影响大。其设计要因地制宜。
3）综合性强。基坑工程的设计与施工需要多方面专业人员的配合协同进行。
4）较强的时效性。由于土体是蠕变体，特别是软黏土，具有较强蠕变性。基坑开挖同时会导致周围地下水位和应力场的变化。随着土压力和土体环境的改变，围护结构的受力变化将影响其稳定性。
2土钉支护的概述
土钉支护由于其施工机具轻便灵巧，适用多种地层、工艺简单，占地小，时间短、造价低等优势，受到广泛重视，并得以迅速推广与应用。
“土钉”就是用来加固或同时锚固现场原位土体的细长杆件。通常采取土中钻孔置入钢筋，沿孔全长注浆的方法做成土钉。依靠与土体之间的界面粘结力或摩擦力在土体发生变形的条件下被动受力并主要承受拉力作用。土钉也可用钢管角钢等作为钉体，采用直接击入的方法置入土中。
3土钉支护的优缺点
与其他挡土技术或类型相比，土钉支护其有独特的优点。
1）材料用量少、工程量少、施工速度快。土钉支护土方开挖量、砼用量、用钢量比桩和连续墙节省很多。部分施工工期可缩短一半。
2）施工设备轻便，操作简单。
3）适应性较强。适合于一定粘性的砂土、粉土、硬塑与干硬黏土，局部有软塑性粘土层，采取一定措施后也可采用。
4）结构轻巧，柔性大，延性较好。土钉支护自重小，无需专门基础结构，并有良好的抗震能力。破坏时有明显变形发展过程，不会彻底倒塌。
5）施工场地小。土钉支护系统在受地面场地限制时，甚至可以做成向里倾斜。
6）安全可靠。土钉支护采用边挖边支护的作业方式，根据场地开挖出现的土质情况和现场监测的土体变形数据，可随时修改土钉间距及长度，采取及时加固，避免事故发生。
7）经济。据国外经验，土钉支护比一般锚杆支护节约总造价10~30%，工时缩短50~30%。国内数据表明，土钉支护比灌注桩等支护节约造价1/3~2/3。
土钉支护也有其缺点和局限性。
1）需有允许设置土钉支护的地下空间。倘若为永久性土钉，需长期占用这些地下空间，当基坑附近有地下管线或建筑物基础时，施工时有产生相互干扰的可能。
2）在松散砂土、软塑、流塑粘土及丰富地下水的情况下不能单独使用，必须与其他支护方式组合。
4突变理论在土钉支护中的提出
在物质世界中普遍存在无连续和突变现象，如地震、滑坡等对工程建设的稳定性造成巨大影响。类似的突变对土钉支护结构同样产生破坏性影响。
以保护基坑安全施工为目的，针对土钉支护，将突变理论数学模型[3]引入该支护体系中，以土弹塑性力学和突变理论为分析工具，揭示基坑开挖过程中位移和稳定性之间的关系，以期为土钉支护体系的设计与施工提供必要的理论依据。
5突变理论在土钉支护中的引入
突变理论在边坡工程中的应用大部分局限于岩石突变分析，在土的应用上较少，具体到土钉支护方面的就更为稀少。
土钉支护体系的土体稳定破坏分为两个方面：体外破坏和体内破坏。
1）体外破坏。支护发生刚体失稳。其破坏方式与重力式挡土墙在主动土压力作用下失稳类同，可参照《建筑地基基础设计规范》GBJ7-1989相关规定计算。
2）体内破坏。体内破坏是土钉支护体系破坏的一般形式。分为土体破坏和土钉与土体之间粘结摩擦力破坏。
土体破坏表现为土体破坏面全部或部分穿过加固土体内部。如德国的Stocker和Gasler法只取可能发生的破坏面由两部分组成，土体上部分破坏发生在支护背面，受背后破坏土体楔块的主动土压力作用，下部穿过部分土钉并与趾部相连。
土钉与土体之间依靠界面间的粘结摩擦力共同作用。双方在变形条件下由于材料特性不同而产生的粘结摩擦力的失效标志着土钉支护体系作用丧失，体系失去其原有的稳定性，土钉与土体之间粘结摩擦力的失效，土钉被拔出。
除此之外，土钉与面层的破坏也是支护体系发生破坏的原因之一。
6土钉支护突变浅析
土的抗剪强度很低，抗拉强度可忽略，基坑开挖时土体存在着在一定边坡范围内保持土体直立的临界高度。当超过这一临界深度或发生地面超载等其他因素将导致土体发生突发性整体破坏。土钉与土体的共同作用，使原状土形成了强度和刚度大大提高的复合土体，改变了土坡的变形与破坏形态，通过土钉在复合土体的箍束骨架作用、分担作用和应力传递与扩散作用显著提高了土体整体稳定性。
通过对土钉支护体系变形及受力特点的分析，支护体系中土体变形张量的分析，土钉、土体的应变与受力分析，计算土钉支护体系稳定与否的临界条件，以此来确定体系中土体发生突变的临界位移。在此基础上，利用极限平衡的方法提出土钉支护体系的安全系数，为判定土钉支护体系的安全提供了一定依据。
7工程实例分析：广州广场深基坑支护
广州广场，占地面积2700m2，地上12层，地下一层。基坑周围环境复杂，相邻建筑物最近处不足1m。根据场地地质资料，基坑采用垂直开挖，土钉支护。依据基坑支护设计、面层土压力及土层在土钉范围内的分布，分析土钉工作范围内的土性及土钉，借助支护设计软件计算边坡潜在滑裂面位置及每一道土钉临界位移值和粘结摩擦临界位移量。分析结果表明土钉支护体系的体内破坏属于土体失稳破坏。以此可见，运用突变理论对土钉支护体系进行分析，并以结果来指导工程设计是可行的。
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