土钉墙在深基坑开挖支护中的应用

2022-09-11

土钉墙是由间距较小、长度较短 (相对于普通喷锚结构而言) 的土钉 (注浆锚杆) 、喷射混凝土面层和被加固土体组合而成的加筋式复合土体的支护结构体系。现代土钉墙施工技术于20世纪70年代产生, 90年代后逐渐应用于高层建筑的深基坑开挖的支护工程中。土钉墙因其经济、施工简便、施工周期短、对场地要求较小等特点, 在边坡工程、基坑工程中得到了广泛的认可和应用。

土钉墙支护结构适用于地下水位以上或人工降水后的粘土、粉土、杂填土以及非松散砂土、碎石土等, 在淤泥质土以及未经降水处理的地下水位以下的土层中采用土钉墙要十分谨慎[1]。

1 土钉墙的构造与适用范围

1.1 土钉墙的构造

土钉墙结构由土钉和面层两部分构成, 土钉主要包括:钻孔注浆土钉和打入式土钉两种形式。

钻孔注浆土钉为最常用的土钉, 一般采用Φ6mm-Φ32mm的HRB335, HRB400钢筋, 置于Φ70-Φ120mm钻孔中。浆液一般采用强度等级不低于M 10的水泥浆或水泥砂浆。水泥浆水灰比般为0.5左右, 水泥砂浆配合比一般介于1:1~1:2之间, 水灰比介于0.38~0.4 5。注浆土钉设定位支架以使钢筋居中, 孔口宜设置止浆来及排气管。

打入式土钉一般采用钢管打入土中形成。打入式土钉一般钉长较短施工简单快速, 但不易用于密实胶结土中。当打入钢管为周围带孔的闭口钢管时, 可在打入后管内注浆, 增强土钉与土的粘结力, 提高土钉的抗拔能力。注浆方式有低压注浆与高压喷射注浆等方式。

土钉长度一般为开挖深度的0.5~1.2倍, 间距1~2 m, 与水平夹角一般为5°~2 0°, 适用的土钉墙墙面坡度不宜大于1:0.1。

面层为土钉墙的重要组成部分, 一般采用Φ6mm~Φ10mm、间距150~300mm的钢筋网, 强度等级不低于C20的喷射混凝土组成, 面层厚度一般为80~150mm。为保证土休与墙面的有效连接, 可采用加强钢筋与土钉和分布钢筋连接, 也可采用承压垫板方法连接。

1.2 土钉墙的适用范围

土钉墙支护结构是一种原位土体加固技术, 它是将土钉安设或打人基坑边坡土体内, 将土体加固成能自稳的挡土结构。土钉墙的支护作用为:沿通长与周围土体接触, 以群体与土体接触界面上的粘聚力或摩擦力, 使土钉被动受拉给土体以约束, 使其达到稳定边坡的作用。

土钉必须和面层有效边接, 应设置承压板或加强钢筋等构造措施, 承压板或加强钢筋应与土钉螺栓连接或钢筋焊接连接。土钉墙基坑侧壁安全等级宜为二、三级的非软土场地, 基坑深度不宜大于12米。当直截了当下水位高于基坑底面时, 应采取降水或截水措施。土钉墙属于重力式支护结构。

土钉墙支护应用范围非常广泛, 主要有: (1) 土体开挖时的临时支护, 高层建筑等深基坑开挖, 地下机构施工开挖, 土坡开挖等; (2) 永久挡土结构, 这类工程一般与施工开挖时的临时支护结合, 如隧道洞口端部挡墙; (3) 现有挡土结构和支护的修理, 改建与抢修加固等; (4) 边坡稳定, 用于加固可能失稳的堤坡[2]。

2 土钉墙的设计与施工

2.1 土钉墙的设计

土钉墙支护作为一种挡土结构应满足规定的强度、稳定性、变形、抗基底隆起等要求。实际工程中一般采用内部稳定性分析和外部整体稳定性分析方法。内部稳定性是假定破裂面为圆弧形, 仅考虑土钉的抗拉作用;而外部整体性分析是将土钉墙简化成一个重力式墙进行稳定性分析。

内部稳定性分析包括最危险破裂面及土钉内力的确定。最危险破裂面的确定该分析方法假定破裂面为圆弧形, 破坏是由圆弧形破裂面确定的刚性体整体滑动而产生。大量的工程实例与理论研究结果表明, 破裂面是圆弧面的假定是可以满足工程设计要求。确定最危险破坏面的位置后, 采用普通条分法计算 (如图1) , 可求得稳定性安全系数。

由土钉与土体界面抗剪强度计算:

式中:D为钻孔直径, m;LB为土钉伸入破裂面外约束区的长度, m;τf为土钉砂浆与土体间的极限抗剪强度, k P a。

由土钉钢筋强度fy计算:

由钢筋与砂浆间的粘结强度计算:

式中:d为钢筋直径, m;LB为约束区的长度, m;τg为钢筋与砂浆间的粘结强度, k Pa。

以上三者取最小值作为土钉的抗拉能力。

外部稳定性分析。研究表明:以土钉加固土体, 形成一个“土墙”, 它的作用机理类似重力式挡墙。因此, 可采用类似重力式挡墙的稳定性分析方法进行分析。

抗滑动稳定验算:

式中:Eax为主动土压力的水平分力, k N/m2;Ft为墙底断面上产生的抗滑合力, kN/m2。

抗倾覆稳定性验算:

式中:为抗倾覆力矩;为土压力产生的倾覆力矩。

墙底土承载力验算:

式中:Q0为墙底部分处部分塑性承载力, k N/m2;P0为墙底处最大压应力, k N/m2。

2.2 土钉墙施工

2.2.1 施工工艺流程

一般地层按土方开挖-人工清坡到位-锚杆机就位-土钉施工-挂钢筋网及焊接加强筋-喷射混凝土-一次土钉灌浆-待凝-二次灌浆-下一层土方开挖

当施工遇见砂层或砂卵石地层时, 则在人工清坡后锚杆施工前进行初喷混凝土及挂钢筋网, 以防止基坑发生坍塌事故。

2.2.2 施工过程控制要点

土钉墙支护作为一种挡土结构应满足规定的强度、稳定性, 变形、抗基底隆起等要求。深基坑开挖土钉墙支护的施工注意下列几点。

(1) 在基坑边坡开挖后及时跟进土钉墙施工, 防止开挖边坡 (尤其是砂层) 的长时间裸露;

(2) 注浆质量是保证土钉拉拔力的关键, 故应严格控制注浆质量, 主要应掌握好注浆结束标准以及注浆压力的控制;

(3) 施工过程中必须自始至终与现场监控相结合。基坑开挖过程中的监测包括深层位移、地面沉降及周边构筑物、管线的监测.监测点的布t应由结构设计人员确定, 在基坑开挖过程中, 设计人员应根据监测数据及时调整设计方案, 做到动态设计, 信息化施工;

(4) 要充分考虑地表径流和地下水的影响。如施工时渗水严重, 就不能喷射面层混凝土, 而且容易引起塌坡和塌孔。当地下水的流量较大, 施工时应采取专门措施降低地下水位。竣工后的支护在地下水位的作用下, 其而层压力和土钉内力均会有明显增加, 尤其是粘土的抗剪能力及粘土中的土钉抗拔粘结能力与含水量有很大关系[3]。

3 土钉墙支护结构失衡机理与对策

数值分析及一些实测结果表明, 基坑底部往往是剪应力集中区, 基坑的破坏经常从底部开始向上逐渐破坏。土钉墙施工阶段失稳原因有两种, 其一是施工超挖或在上层土钉及坡面还未发生效应即开始开挖下层土方, 这为超挖失稳;其二是在上部土钉墙发生较大水平位移时, 下部新开挖的土体将受到上部较大局压而失稳, 这为局压失稳。超挖失稳是从新开挖的土层下部开始坍塌, 可采用削坡压脚或袋装土回填措施加固。局压失稳是从新开挖的土层上部开始崩塌, 除应在土钉墙下部采取加固措施外, 必须在上部采取增加预应力锚索的措施, 以控制土钉墙的变形, 减少局压[4]。

4 工程实例

某高层办公楼, 采用箱形基础, 南侧距邻近建筑物仅9m, 且建筑物正在使用, 开工时间正属雨季, 结合现场实际情况, 决定在基坑周圈采用粉喷桩加土钉墙支护结构。场地地层主要由填土、黄土及古土壤组成, 地下水2m。地质报告表明:基坑范围内地层从上至下主要为: (1) 第四系全新统人工堆积层 (Qml) 质不均, 厚2m; (2) 黄土 (Qed2) :黄褐色、大孔, 含钙质条纹, 流塑状态, 厚2m;黄土 (Qeol2) 黄褐色, 可塑状态, 厚7m。该工程地下为两层车库, 地上22层, 基础开挖深度约10m。

根据基坑周边条件及土层情况, 结合地区的基坑支护经验, 认为土钉支护从理论上能满足要求。土钉墙坡比1:0.3, 挂网用Φ8钢筋200mm@200mm, 制作, 并喷射1 0 c m厚的C 2 0混凝土。

土钉施工采用16mm~32mm土钉, 施工时将钢管前端封闭, 在管壁上沿长度方向每隔3 0 0 m m设置Φ8圆孔, 圆孔从离坑壁2500mm开始设置直至管底。在钢管入土部位加焊倒钩以增强摩擦力。土钉与水平而夹角15°, 土钉水平、间距均为1000mm, 土钉注浆体外径不小于100mm。注浆料中添加早强剂, 注浆压力稳定时间持续15min以上确保无盈度。上层土钉注浆剂喷射混凝土面层达到设计强度的70%后, 方可开挖下层土方以及进行下层土钉施工。而层采用挂网喷射细石混凝土, 分两次喷射。基坑壁开挖并快速修整后, 立即补喷30mm~50mm厚混凝土, 并安设土钉和钢筋网后修喷到位, 钢筋焊接成型150@150方格网片, 并与土钉焊接牢固。

施工的重点与难点:

(1) 遇障碍施工方案的调整。在基坑周边有污水管道、电缆管沟、邻近建筑物基础等, 土钉施工至相近标高时必须减慢施工速度, 成孔时如遇较大阻力应停止施工, 仔细核对原始管线、基础图纸, 合理避让, 根据实际情况调整施工方案, 采取缩短土钉长度及调整土钉高度进行处理, 但必须以不损害结构设计原定的安全程度为原则。

(2) 为控制周边建筑的沉降采取的回灌技术。该工程地基较软, 且周边建筑物较多, 长时间降水将会带出部分细微土粒, 土壤产生固结, 引起过大的地面沉降, 带来较严重的后果。为此, 支护方案采用了回灌技术, 在基坑周边设置了回灌井点, 在降水井点抽水的同时, 直接将抽出的一定量的水通过灌井点向周边土层内灌入, 形成一道隔水帷幕, 从而阻止并减少了基坑外建筑物及道路部位土体的地下水流失, 防止因降水使地基自重应力增加而引起地而沉降。通过对基坑周边的监测, 回灌技术有效地控制了周边建筑物的沉降和变形, 从而为基坑周边的整体稳定打下了良好的基础。

(3) 土方开挖施工时边坡稳定及基坑变形的控制。在基坑开挖时, 采用分层分段全面开挖, 基坑土体大面积卸荷, 引起土体位移场和应力场变形, 土钉墙向基坑内位移, 引起坑外土体产生横向移动, 因此确保开挖边坡的稳定性是关键。

实际施工过程中常发生边坡局部坍塌, 主要原因是:场地狭小, 放坡空间有限, 边坡较陡;注浆土钉和混凝土喷浆面发挥作用有一定的凝结时间, 土钉及混凝土喷浆面未能及时发挥作用。

根据本文上面介绍措施并结合现场实际, 在实施施工时采取了以下应对措施:对已出现裂缝的土体回灌泥浆, 同时, 局部砌筑临时性重力式挡土墙来控制边坡坍塌;对修整后的边坡, 立即喷上一层薄混凝土, 凝结后再进行土钉钻孔;加强降水来改善土层的物理力学性能。

为保证基坑周围建筑物、道路安全, 施工过程中对基坑边坡实施安全监测, 以便根据边坡位移随时间的变化掌握边坡稳定情况。边坡位移监测以精密经纬仪和水准仪测量, 由专业技术人员对测量成果进行分析处理。施工期间每天在固定时间测量一次, 做好记录。边坡允许位移量为槽深的2‰。本工程边坡位移累计不超过2cm, 属于正常范围。施工中实际观测, 边坡最大水平位移仅为10mm, 平均4mm。若在开挖过程中, 边坡位移发展异常, 要增加测量次数。当有事故征兆时, 连续监测, 并做详细记录, 以便及时发现问题, 采取相应的措施。

通过对围护结构的水平变形进行全而监测, 该工程基坑开挖完成后, 除东侧出现局部轻微裂缝外, 其余周边变形基本稳定在允许范围内。

5 结语

土钉墙是近年来发展起来用于土体开挖和边坡稳定的一种新型挡土结构, 它是由放置于原位土体中的土钉群、被加固的原位土体、混凝土面层组成的, 土钉墙可充分利用土, 且施工方便, 效率高, 经济效益显著, 目前该技术已在建筑基坑中得到广泛应体的自稳能力, 借助土体的主动加固作用, 从而显著提高基坑边坡的稳定性用。.

摘要：介绍了土钉墙的构造和适用范围、土钉墙的常用设计方法、土钉墙的施工与土钉墙支护结构失衡机理与对策。并结合具体的工程实例讨论了土钉墙在基坑支护方案中的施工工艺与施工中的难点与重点。为土钉墙的施工、设计提供了参考。

关键词：土钉墙,基坑,支护,应用