有关深基坑围护中土钉墙支护技术的问题探讨
时间：2022-01-26 04:47:00
摘 要: 本文结合工程实例，对工程地质条件、土钉墙支护各组成部分参数及土钉墙支护技术与其它支护方案比较等问题进行了探讨。
土钉墙支护技术 ,是在被加固土体内植入一定长度和密度的细长杆件与喷射混凝土面板相结合 ,形成一个类似重力式挡土墙。锚杆一般采用 Ф18～ Ф32 的螺纹钢筋或 Ф50 钢管制作 ,并采用高压注浆而形成。其抗拔力主要由锚杆与土体的磨擦力及一部分抗剪力组成。土钉墙支护一般按下列工序施工:首先对局部开挖修整后的土壁进行一次砼喷射 ,随即布孔 ,用机钻或洛阳铲等设备成孔 ,成孔至设计深度后 ,置入杆件再进行压力注浆 ,在第 1 次喷层上安装绑扎钢筋网和销定锚头 ,然后喷砼到设计厚度。特殊情况下也可将上述程序进行调整变通使用 ,可以先装锚杆后喷砼 ,施工灵活性较大 。
砼在高压空气作用下高速喷向受喷面 ,在喷层与土层面产生嵌固效应。锚杆深固于土体内部 ,主动支护土体 ,并与土体共同作用 ,有效保持和提高围土强度 ,使土体变荷载为支护结构。钢筋网能有效地调整喷层与锚杆内应力分布 ,增强支护体的柔性和整体性 ,将传统支护被动受力结构体系变为主动受力结构体系 。该文以某办公楼为例 ,对土钉墙支护技术加以介绍。
1 工程概况
某办公楼基坑开挖深度为 4.10 m ,四周场地狭小 ,不能大开挖 ,需要进行基坑支护。经验算 ,水泥搅拌桩、松木桩不能满足抵抗土体压力的要求 ,若采用沉管灌注桩和搅拌桩相结合的方案 ,不但工期长 ,而且造价相对较高 ,综合比较后决定采用土钉墙支护技术。
2 工程地质条件
根据地质勘察报告 ,该场地地下水埋深 1.70～1. 92 m ,为浅表孔隙潜水 ,对砼无侵蚀性 ,基坑影响范围内的地层分布叙述如下:
第1 层: ①号土 ,人工杂填土:厚度 2.68～3.45 m ,土体灰色 ,含砖头碎石 ,局部夹有大量块石及粉质粘土 ,土质不均匀 ,具高压缩性。
第 2 层: ③号土 ,淤泥质粘土:厚度 2.68～4.03 m ,土体灰色 ,很湿 ,软流塑状 ,具高压缩性 ,基坑底落在该层土上。
第 3 层: ④- 1 号 ,可塑粘土:厚度 0.85～2.03 m ,土体灰黄褐色 ,稍湿 ,中压缩性。
3 土钉墙支护各组成部分参数的确定及设计计算
鉴于该场地施工条件及工程地质条件,为了确保开挖后边坡的稳定与安全 ,同时降低造价 ,在场地允许的范围内 ,先将基坑边壁外四周土挖去1～1.5 m深 ,按1∶1 比例放坡 ,以减少土体压力。由于基坑作用在 ③号淤泥质粘土层上 ,施工时需采取基底的抗滑措施 ,即在开挖前先打一排超前锚杆 (Ф18 @300 长 3 000 )以阻止基坑土的隆起 ,俗称“烂脚”。
3.1 锚杆各参数的确定、注浆的控制、支护面层的做法
3.1.1 水平锚杆间距
根据目前的理论和实践 ,锚杆的间距大小与土体的整体作用之间尚不能给出明确的定量关系。为了便于操作及减少土体的扰动 ,锚杆纵、横间距一般取 1.0～2.0 m ,上下锚杆交错排列。该工程锚杆双向间距均取 1.0 m。
3.1.2 锚杆的长度
在支护深度范围内 ,锚杆内力一般为中部大、上部和底部较小。中部锚杆所起的作用至关重要 ,顶部锚杆主要作用是限制支护的最大水平位移 ,底部锚杆主要用于抵抗基底滑动 ,防止围护体系倾覆或失稳。所以一般做法顶部锚杆稍长 ,底部锚杆稍短。
根据经验及相关规定 ,在非饱和土中 ,锚杆有效长度 L 与开挖深度 H 之比为 La/ H = 0.6～1.2 之间。该工程上排锚杆长度取 7 m ,下排锚杆长度取 6 m。
3.1.3 锚杆直径
锚杆常用材料通常为 Ф18～ Ф32 的 Ⅱ级螺纹钢或 Ф50 钢管 L5 ×50 ×50 角钢也有使用 。该工程根据地质条件及锚杆的间距采用 Ф18 螺纹钢。
3.1.4 锚杆倾角
θ锚杆倾角 一般不宜过大 ,常取值 0～20°,以方便注浆为目的 ,尽量小角度置入 ,具体施工时倾角也不θ
易精确控制。该工程按最不利情况考虑 ,取 =20°。
3.1.5 注浆的控制
注浆材料一般用水泥砂浆或水泥素浆 ,根据工程地质情况及施工安排可适当掺加早凝剂或减水剂。该工程采用 525 级普通硅酸盐纯水泥浆 ,水灰比为 1∶0. 5 ,注浆的控制是通过注浆机压力表的读数值来控制的 ,注浆压力一般不大于上覆土压力的 2 倍 ,同时也不得大于 8 MPa。止浆塞安放的好坏 ,注浆排气管放置的正确与否 ,直接影响注浆压力值的读取及注浆饱满度。
3.1.6 支护面层
土钉墙围护设计中 ,面层的工作机理尚不明确 ,只能根据通常做法按构造规定的厚度及配筋喷射砼 ,往往不做计算。该工程采用 C25 厚 150 mm内配 6 @200 双向单层钢筋。喷射砼配合比按 GBJ86285 国家标( )准《锚杆喷射混凝土支护技术规范》配制。
根据试验质量配比:水∶水泥∶砂∶石子 =0.4∶1∶2∶2。实际施工时根据天气情况、基坑地质情况、施工
位现场调整配合比。
3.2 设计计算
该工程土体内粘聚力 C 取23 kPa ,内摩擦角Ψ取21°,土体重度γ 取20 kN/ m ,地面堆载 q 取18 kPa
3.2.1 土钉( 锚杆)长度和截面的验算
如图 1 所示 ,按土体侧压力全部由土钉承担的原则 ,将土钉所在深度 Z 处的侧压力 e 乘以土钉纵向间距 Sv 和横向间距Sh ,即为土钉所受的最大拉力 T。按最不利条件考虑 ,以第 2排土钉为计算对象 ,取 Z =3 m。)
土体侧压力 e = (γZ+ q) Ka其中: Ka =tan2( 45°-Ψ/ 2 =0. 47故: T = eS v Sh =38.46 kN土钉的设计长度根据滑移面由下式确定: L设= L o+ L a +0.15 H/ cos (45°-Ψ/ 2 θ)其中:La = K1 T/πDτ ; K1 为安全系数取 1. 5; D 为土钉孔径按 100 mm 计τ为周围土体的界面粘结强度查表取 42 kPa。经计算 L设 =5.648 m故此实际取第2 排土钉长为 6 m,第1 排土钉适当加长取 7 m。
图1 锚杆长度计算简图
土钉钢筋截面的取定由下式确定:
Ag = K2 T/ f y式中f y为钢筋的抗拉强度设计值 310 N/ mm2 ; K2 为相应安全系数取 1.2。经计算 Ag =148.88 mm2故此Φ18 满足强度要求。
3. 2.2 边坡内部整体稳定性验算
如图2 所示,按圆弧滑动面条分法进行简化计算,其总安全系数为 K总。
图2 内部稳定性分析计算简图
式中, W i 、Q i 为作用于土条 i 的土体自重和荷载( kN/ m) ; αi为土条 i 圆弧滑裂面切线与水平面之间的夹角(°)；i为土条 i 的宽度m）; Ψi为土条i圆弧破坏面所处第 j 层的内摩擦角 (°); C j 为土条 i 圆弧破坏面所处第 j 层的内粘聚力(°); TRK为破坏面上第 K 排锚杆的最大抗力; βK为第K 排土钉轴线与该处破坏面切线之间的夹角(°); Sh为第 K 排土钉的横向间距。经计算本工程稳定性总安全系数 K总>1.2。
3. 2.3 外部整体稳定验算
3. 2.3.1 抗滑移验算
为简化计算土钉墙背摩擦角δ取0,墙体宽度 B 取5 m,墙底土体粘结强度 C 1取42 kPa,于是有土钉墙所受主动土压力
Ea= (γH2/2+ qB) Ka = 121.26 Kh=(γHB + qB)tanΨ+ BC1/ Ea= 2. 52 > 1. 5
3. 2.3.2 抗倾覆验算
K = (WB/ 2 + qB2/ 2)/(EaH/ 3)= 2. 15 > 1.5
3. 2.3.3 基坑底稳定验算
Φ基坑底部已打有 18 @300 长 3 000 m 超前锚杆,无需再验算。
经计算后该工程土钉墙具体参数确定如下:
(1) 土钉由Ф18 螺纹钢和 Ф6 圆钢（井字销头）制作,倾角 20°安装
第1 排: Ф18 @1 000 长 7 000
第2 排: Ф18 @1 000 长 6 000
超前锚杆: Ф18 @300 长 3 000;
2) 钢筋网Ф6 @200 双向单层满布。
3) 喷射砼:设计强度等级: C25,边壁喷砼厚 150 mm;
4 土钉墙支护技术与其它支护方案比较如表 1 所示,几种方案比较。
表 1 土钉墙支护技术与其它支护方案比较
围护方式 优 点 缺 点 说 明
灌注桩围护 可靠、安全 ,便于施工。 造价高 ,占用施工工期相对较长。 外加一排搅拌桩起围护和阻水作用。
土钉墙支护 快速、高效不占用正常施工时间和空间。 施工专业性强 ,方案可移植性差。 基坑沿四周先分层开挖 ,土钉墙配合分层施工。
搅拌桩围护 造价较省 ,不影响正常施工。 可靠性不高 ,地表土层中含有碎石、块石 ,不利于搅拌施工。 按两排密排 ,桩径重叠 100 考虑。
松木桩围护 造价省 ,速度快 ,施工灵活性大。 要占用正常施工时间和空间;理论计算桩长须 7 m以上 ,且可靠性不高 ,上端拉撑都不便;降水排水麻烦。 人工填土层无法理论计算 ,只能估算;松木桩超过 6 m 稍径太小 ,且施工不便。
5 结论
综合土钉墙支护技术 ,在达到支护边坡稳定安全的同时 ,它还具有以下优点:
a.相对于灌注桩围护方案 ,具有投资经济 ,造价可降低 20 %以上。
b.随基坑土方开挖 ,即可施工支护 ,不占和少占作业时间。一旦土方开挖完成 ,边坡支护也基本结束。
c.作为一种静态施工方法 ,施工噪声和振动小 ,无污染 ,施工文明。
d.施工不单独占用场地 ,工艺简单 ,设备小 ,可以最大限度地利用施工场地。
e.相对于内支撑加固 ,不占用空间 ,给挖土、结构施工带来很大方便。
f.施工时应做好全面监测工作 ,及时把边坡水平位移、周围建筑物及塔吊的沉降与倾斜、土钉的应力变化数据记录汇总 ,发现异常情况 ,做好应急与抢险工作。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
