浅析软土深基坑支护的土钉施工技术等方面问题

万远海

摘要:土钉技术常用于粒状土及砂卵石层等地层边坡或深基坑支护,在软土深基坑支护工程中的应用较少,并存在一些问题。以立式风洞深基坑为例,对土钉技术在软土深基坑支护工程中的有关问题进行了探讨分析,分析结果及实践表明,土钉技术可以应用于复杂软土深基坑的支护。

关键词基坑支护土钉技术施工

中图分类号：TV551.4

前言

随着城市现代化发展的需要的适应,旧城改造和新城建设步伐的加快, 充分利用土地资源, 出现了众多的高层建筑, 使基础不断加深, 给基坑提出更高的要求。为了充分利用土地资源, 在建筑容量增大的同时, 出现了众多超高层建筑, 使基础不断加深, 给基坑支护提出了更高的要求。

1 工程场地及岩土工程条件概况

1. 1 工程概况

拟建建筑物性质如下:立式5 m 风洞,风洞厂房5层,框剪结构,高30. 2 m; 风洞洞体为混凝土筒体结构,高54. 6 m ,地面上39. 41 m ,地面以下- 15. 68 m。基坑长37. 2 m ,宽17～21 m ,开挖深度14. 4 m。

1. 2 场地岩土构成及其特征

①素填土:褐黄色,褐灰色,松散,稍湿,其成分以粉质粘土为主,局部含少量强风化的石灰岩碎块,其均匀性差,为新近填土。层厚0. 70～4. 50 m。

②粉质粘土: 黄色,灰黄色,可塑。层厚0. 80～17. 10 m。粉质粘土:灰色,灰白色,软塑。层厚1. 40～12. 30m。

淤泥质粉质粘土:灰色,深灰色,有光泽,嗅味,流塑,含较多有机质。该层分布于软～可塑粉质粘土中,呈透镜体,局部分布。最大揭露厚度3. 00 m。

淤泥:灰色,深灰色,有光泽,嗅味,流塑,含较多有机质。该层分布于软～可塑粉质粘土中,呈透镜体,局部分布。最大揭露厚度1. 50 m。

③含角砾粉质粘土:灰白色,粉质粘土呈可塑～硬塑状态,稍有光滑,韧性低,角砾直径2～5 cm ,含量约20 %～40 % ,其成分是强～中等风化的白云质灰岩,呈棱角形。层厚0. 30～8. 30 m。

④碎石:黄灰色,稍密～中密,湿,中等～微风化;充填少量的粉质粘土;局部含粒径大于20 cm 的块石。层厚0. 80～3. 30 m。

⑤中等风化白云质灰岩:灰色,灰白色,风化裂隙较发育,中厚层构造,岩石坚硬程度为较硬岩,岩体完整程序为较完整,岩体基本质量等级为Ⅲ级,最大揭露厚度9. 17 m。

根据试验资料分析所得各层的物理力学参数见表1。

表1 土层主要物理力学指标取值(标准值)

1. 3 场区地下水

场区地下水主要有两类, 其一是赋存于第四系素填土和碎石层之间,局部位于淤泥质粉质粘土、淤泥中下部的上层滞水,其分布不连续,直接受大气降水及地表水补给。其二是赋存于基岩裂隙中的潜水。根据井点抽水试验确定的综合渗透系数K = 0. 45 m/ d、综合流量Q = 107. 40 m3/ d ,影响半径R = 108. 77 m。

1. 4 场地周边不良地质现象

(1) 溶洞:场地东南边缘分布的白云质灰岩均为易溶岩石,以沿层面溶解的落水洞居多,局部地区呈窜珠状分布,地表溶沟,溶芽也较发育。

(2) 崩塌:场地周围山麓一带均有大小不等的崩塌体分布,大部分崩塌体裸露地表,最大体积在150 m3左右。坡度均匀,基本处于休止阶段。

(3) 冲沟: 集中分布在场地的东面,其横断面呈“V”字形,纵断面坡度约35 %左右,多梯级流水,沟底大部分白云质灰岩出露。冲沟上部汇水面积较大,在暴雨时节,沿沟两侧易形成水灾。

2 支护设计

2. 1 基坑工程的特点

本深基坑工程具有如下特点:

(1) 土质条件差。

(2) 地下水位高。地下水位距天然地表仅1. 2 m ,且渗水量大。

(3) 工期紧。该工程支护部分要求35～40 天完成。

(4) 施工面狭小。基坑东面及南北侧均有围墙,距南侧12 m 处有一四层高的办公用房。

(5) 对基坑的位移变形控制要求高。由于基坑周边有细长的工程桩,为保证其正常使用,基坑周边不能有较大的变形。

2. 2 支护方案的选择

基坑边坡支护设计必须满足以下要求:

(1) 保证边坡的安全与稳定。

(2) 保证边坡的水平及垂直位移不得危及周围建筑物的安全及正常使用。

(3) 为基坑底部桩基础施工提供足够的工作面。

(4) 经济、快速。

根据地层特性及深基坑情况,该深基坑应采用内支撑,土钉墙、桩或地下连续墙对基坑壁进行支护。采用内支撑将会影响主体结构的施工,在不知道主体结构详细情况的条件下,不宜采用内支撑方式,地下连续墙在之前几乎很少用过。桩支护可分为锚拉桩或悬臂桩支护。若采用锚拉桩,虽然可以减小桩的嵌入度,但由于本场地土层平均内摩擦角不到6°,每延长米锚杆(索) 的抗拉力较小,势必造成锚杆的长度增加;若采用悬臂桩支护,则地质资料不能满足设计要求。就场地地质条件而言,护壁成桩方式只能采用钻孔成桩方式,桩径须大于1. 40 m ,否则会对厂房桩基产生干扰,且两种方式桩间土仍须进行支护。若采用土钉墙支护结构,由于结构单一,施工速度快,且不会对厂房桩基施工造成干扰。根据国内外资料分析,土钉墙工程造价比其他支护类型的工程造价低30 %～40 %。

根据上面所述,考虑到施工场地的条件限制,经过论证,决定采用土钉对该基坑进行支护。

2. 3 基坑支护设计

支护设计主导思想是稳妥可靠,节省工期,并根据施工过程中得到的信息,反馈后改进设计。基坑支护设计按以下步骤进行:

(1) 根据基坑开挖深度、工程地质条件及工程性质选择土钉墙支护形式,确定土钉墙支护的平面、剖面尺寸及分段开挖长度和高度。

(2) 根据土体抗剪强度,并参考类似工程的经验,确定土钉类型、直径、长度、间距、倾角及在空间的方向。

(3) 确定注浆方式及浆体强度指标,进行注浆配方设计。

(4) 设计喷射混凝土面层和支护顶防护措施。

(5) 进行内部稳定性分析和土钉抗拔力验算。

(6) 进行外部稳定性分析: 土钉墙抗滑稳定性验算,土钉墙抗倾覆稳定性验算,土钉墙基底承载能力验算。

(7) 进行施工图设计、构造设计。编制施工质量控制要求和现场监测要求。

本工程设计验算时未考虑工程桩的作用,设计偏于保守。本工程的剖面形式见图1。土钉采用Φ48 架管,壁厚3. 5 mm ,管壁预钻Φ8 的灌浆孔洞,每隔50 cm焊长10cmΦ16倒刺,管内灌注纯水泥浆,土钉纵、横向加强筋均为Φ16 1000。钢筋网按Φ6. 5 @200 ×200布置。喷射C25 细石砼,厚度100 mm。排水管采用Φ25PVC管,长度300 mm ,横向间距3 m ,纵向间距2m。钢筋网翻卷宽度3. 0 m ,其上作护顶。护顶之上作120 砖砌体挡水。

图1 基坑边坡剖面图

3 施工工艺

基坑开挖前首先进行深井井点降水,待水位稳定后再进行基坑开挖。先施工竖向长2000 @1000 土钉并压浆→一般层段按土方开挖→土钉施工→挂钢筋网→喷射砼→土钉灌浆→土方开挖程序进行循环作业。当施工至淤泥层等软弱层时,则按挂钢筋网→喷射砼→土钉施工→喷射砼→土钉灌浆→土方开挖程序进行作业,以防软弱层垮塌。

整体上的开挖和支护顺序为:先对整个基坑开挖3～6 m ,同时进行支护;然后从南段向下开挖和支护,逐步向北推进,施工中基坑底部北南方向的斜坡角度在自稳条件下尽可能的大,随时监测基坑变形情况,以便了解是否调整施工方案或采取应急措施。

4 土钉极限抗拔力、变形监测及支护效果评价

4. 1 土钉极限抗拔力

土钉的极限抗拔力是土钉设计中的关键参数,为确定该值,在现场安装4 根土钉进行抗拔试验,土钉长度均为16 m ,直径48 mm ,施工14 d 后进行拔出破坏试验,抗拔试验装置见图2。为防止支座反力影响土钉抗拔力,支座距土钉1 000 mm ,本工程中土钉的水平及横向间距均为1 000 mm ,测试结果见表2。土钉的破坏形式均为整个土钉被拔出,即土钉注浆砂浆与周围土体间的粘结遭破坏。

4. 2 变形监测

大面积基坑开挖,由于降水、开挖速度、支护进度等因素的影响,使基坑周围的土体位移、应力平衡等问题变得比较复杂。特别是在软土地基中,土钉本身的应变往往比较稳定,而基坑四周土体的位移较大。因此土钉墙深基坑支护施工,要随时掌握工程中基坑周边的变化情况,重点监控测量边坡的垂直沉降和水平位移,注意观察土钉墙土钉部附近的地表有无裂缝等,掌握其发展规律。该基坑用经纬仪监控测量,由测量经验丰富的工程师负责监测。监测点的布置如图3 所示。

从监测的结果得知,基坑的水平最大位移为图3中的4 号点和9 号点,分别为25. 63 mm和26. 38 mm。4 号点和9 号点的监测数据如图4 所示。地表最大沉降点为图3 中的14 号点,最大沉降值为19. 5 mm。

图2 抗拔试验装置图

表2土钉抗拨力试验

图3 监测点布置示意图

图4 4 号点和9 号点朝基坑内的位移变形图

4. 3 支护效果和评价

据经验,本基坑安全等级为二级,边坡位移允许值可为基坑深度的3 ‰。因此,该工程的边坡位移不得超过43. 2 mm。通过对坡顶位移观测点的观测,其位移最大值为26 . 8mm ,小于位移允许值。地表沉降值允许值为基坑深度的2 ‰,即28. 8 mm ,最大沉降值为19. 5 mm ,小于沉降允许值。在基坑开挖和支护施工过程中,尽管有几次大雨的袭击,边坡都保持稳定,未有坍塌。该项工程的造价比用排桩支护的造价节省资金约30 % ,施工日期也比原定计划提前了两天时间,证明该基坑土钉支护的设计和施工是成功的。

5 结束语

综合以上分析得出： 土钉墙支护设计与基坑边坡位置附近的地质、水文条件、周边环境条件密切相关,地基土参数的试验方法、取值、地下水的影响等往往是确定土钉墙设计的主要因素。动态设计和信息施工技术在土钉支护施工中也是具有十分重要的意义。采用动态设计与信息施工技术往往可以弥补原设计的不足。因此要求工程技术人员不离作业现场、及时处理设计中无法预料却在施工中出现的问题,根据现场情况调整参数。土钉支护技术,至今仍没有一个在工程上较为可靠的设计计算方法,迫切需要开展这方面的研究工作,用有限元进行辅助设计可能是极有发展前景的研究方向。

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