土钉墙支护设计与施工在深基坑工程中的分析应用.docx

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土钉墙支护设计与施工在深基坑工程中的分析应用

土钉墙支护设计与施工在深基坑工程中的分析应用

　　摘要：

土钉支护技术在深基坑支护工程中应用愈来愈广泛。

本文结合工程实例，分析阐述了深基坑工程土钉墙支护设计方案，并在基坑开挖施工三个阶段基坑结构可靠度的详细验算论证的基础上，对土钉墙支护施工技术及监测等方面进行了深入的探讨，可供同行参考借鉴。

　　关键词：

深基坑；土钉墙支护；结构可靠度；验算；监测

　　1引言

　　土钉支护技术以尽可能提高和最大限度地利用基坑边壁土体固有力学强度、变土体荷载为支护结构体系的一部分作为其基本原理，土钉主动支护土体，并与土体共同作用，具有施工简便、快速及时、机动灵活、适应性强、随挖随支，以及安全经济等特点，因而在基坑中得到了广泛地应用。

但是在基坑支护过程中，也发生了不少地面开裂，坑壁塌方，坑地土隆失稳，邻近地下管破裂破坏等事故，因此《建筑施工安全检查标准》（JGJ59-99）将基坑施工列为一项安全检查内容，并要求对于较深的基坑必须进行专项设计和支护,并通过专家论证。

　　在工作机理上，土钉墙是高强度土钉、网喷混凝土面层及原状土三者共同受力，增强了土体破坏延性，很好地改变了边坡突然塌方的性质，有利安全施工；在工艺上，采用了边开挖边支护的方法，工作面不受限制，缩短了工期；在投资方面，因土钉利用了土体的自承载能力，使基坑周围土体转化为支护结构的一部分，经济效益可观。

土钉墙支护一般适合于地下水位以上或经过降排措施后的素填土、普通性粘土、粘性的砂土和粉土等较为均匀土体边坡。

当场地同时存在土层和不同风化程度岩体时，应用土钉墙支护特别有利。

　　2工程概况

　　湖南永州某商住楼工程，地下2层，地上18层，框架-剪力墙结构，筏板基础，建筑面积35000m2，其基坑东西长45.8m，南北宽17.5m，基础埋深约10m。

本工程西侧、北侧场地较为宽敞，拟建工程分别距城市道路及既有建筑约为36m和42m，而东侧、南侧场地极为狭窄，仅距围墙3～5m，但围墙外既有建筑均较远，不必考虑基坑开挖对相邻建筑的影响,见图1。

　　图1建筑基坑平面示意图

　　拟建场地地貌地势较平坦，西部略低，据地质报告，边坡范围场地土层自上而下依次为：

①杂填土，褐色或红褐色，松散，平均厚约4.2m，主要由建筑垃圾及生活垃圾组成；②粉土，可塑，厚6.3m；③粉砂，浅黄，可塑～软塑状，湿度饱和，厚4.5m。

地下水属潜水类型，水位较深，位于基底以下3m左右，因此基坑开挖不考虑地下水的影响。

根据本工程岩土勘察报告，各土层基本参数如下：

　　表1各土层基本参数

　　土层号厚度h（m）重度（kN/m3）

　　粘聚力C（kPa）内摩擦角（度）

　　摩阻力标准值qsik（kPa）

　　14.2017.0018.0013.0020.00

　　26.3018.0028.0018.5055.00

　　34.5019.7025.008.5035.00

　　3土钉墙支护设计与基坑稳定性验算

　　由于工程基坑边坡为临时性支护，因此要考虑支护方案的经济合理性，在众多支护形式中，放坡是最经济的方案。

本工程满足放坡条件的西侧和北侧边坡采用了坡率法；而不能采取放坡开挖的东侧和南侧采用了土钉墙支护技术方案。

　　3.1坡率法方案设计

　　1）边坡坡度设计。

本工程的西侧和北侧边坡按两级放坡开挖，即杂填土层按1：

0.5坡率放坡，而其下的黄土层按1：

0.7坡率放坡，在两级边坡之间设2m宽坡台。

　　2）边坡稳定性验算。

工程放坡面紧邻施工场地，坡顶周围难免存在施工荷载，为安全起见，在验算边坡稳定性时，放坡面坡顶上考虑了10kPa的均布荷载，计算简图如图2。

　　图2边坡剖面及滑裂面示意图

　　边坡稳定性验算采用瑞典条分法，对每个土条进行极限平衡分析，得出边坡丧失稳定性的安全系数最小的危险滑弧面，根据《建筑边坡工程技术规范》，当最小安全系数大于1.25时，本边坡即满足要求，公式如下：

　　式中：

K为边坡稳定安全系数；、为土条i滑动面上土的粘聚力与内摩擦角，采用固结块剪峰值指标；为第i分条滑裂面处中点切线与水平面夹角；为第i分条土重；n为分条数。

　　在上式中，将坡顶均布荷载换算成当量的土重，即用假想的土重代替均布荷载进行处理。

由于条分法计算繁杂，一般利用计算软件进行计算。

由于本工程边坡分两级放坡，按规程应分两级进行验算，验算结果如表2，滑裂面位置如图2所示。

　　表2边坡验算结果

　　级数开挖深度（m）安全系数X座标（m）Y座标（m）半径（m）

　　14.201.314.683.177.81

　　210.001.2810.906.9317.15

　　由计算可知安全系数均大于1.25，边坡设计满足要求。

　　3．2土钉墙支护设计方案

　　土钉采用梅花形布置自上而下共设7道，孔径110mm，第一道钉自坡顶标高以下1.6m开始布置，水平间距为1.6m；第二道土钉竖向间距和水平间距为1.4m及1.3m；其余土钉坚向间距和水平间距均为1.3m。

土钉与水平面倾角设为8°，第1、2、3、4道土钉钢筋采用Φ18，第5、6、7道土钉钢筋采用Φ22，土钉墙剖面具体尺寸详见图3。

　　图3土钉墙剖面图

　　砼面层厚度80mm，设计强度C20，分两次喷射。

面层结构钢筋网片取Φ6.5@250mm×250mm，钢筋网片上加水平和斜拉加强筋Φ16。

注浆选用水：

水泥：

砂=（0.40～0.45）:

1:

1的水泥砂浆，强度大于20MPa。

注浆管插至距孔底250～500mm处开始注浆。

　　考虑到本工程土钉支护侧施工场地狭小，决定从地下工程外边线向外1m作为地下结构施工的工作面，也作为土钉墙的坡角起点。

土钉墙上口向外倾斜约1.76m，使边坡倾角约呈80°角。

　　3.3土钉墙设计验算

　　本基坑开挖分三次进行，第一次挖除4.2m的杂填土层，第二次再挖3.2m，最后一次挖至基底标高。

按规程规定，上述三个开挖阶段要分别进行整体稳定性验算。

　　3．3．1土钉直径验算

　　按公式进行验算，式中：

为第根土钉钢筋截面积；为钢筋抗拉强度标准值。

　　计算得：

A1=6.9mm2，A2=67.32mm2，A3=72.54mm2，A4=88.59mm2，A5=149.78mm2，A6=210.97mm2，A7=237.59mm2，根据设计方案可知，土钉墙上面四道选用Φ18的钢筋为307.8mm2，土钉墙的下面三道选用Φ22的钢筋为380.1mm2均大于计算值，符合要求。

　　3．3．2基坑开挖过程土钉墙整体稳定性验算

　　3.3.2.1第一开挖阶段整体稳定性验算：

　　采用瑞典条分法得出边坡丧失稳定性的安全系数最小的危险滑弧面，方法同坡率法方案设计，本开挖阶段最危险滑弧面为：

圆心坐标=8.83m，=5.83m，R=12.88m（滑弧半径），计算简图如图4。

由图可计算得，分条面积（单位m2）s1=1.08，s2=2.21，s3=1.72，s4=1.13，s5=0.4；值：

，，，，；值：

第一道53°，第二道46°。

　　图4第一阶段整体稳定计算简图

　　按图示计算简图，本验算取分条宽度为681mm，即将滑弧内土体按五等份均分，为便于计算，弧长及土条体积可按近似取值。

根据计算简图，将求出的各值代入整体稳定性验算公式得：

　　97.2+22.67+19.71+39.68-147.83=31.43；kN?

0，整体稳定性满足要求。

　　3.3.2.2第二开挖阶段整体稳定性验算：

　　本开挖阶段最危险滑弧面为：

圆心坐标：

x=13.59m，y=8.22m，R=19.94m（滑弧半径），计算简图如图5。

由图可计算得：

分条面积（单位m2）:

=0.09，=1.32；=2.71，=1.95；=3.60，=1.24；=3.60，=0.43；=3.10；=2.02；=0.72；值：

，，，，，，。

值：

第一道59°，第二道54°，第三道50°，第四道45°，第五道40°。

　　图5第二阶段整体稳定计算简图

　　将已知代入公式得：

　　224.4+84.81+283.81-418.13=174.89；kN?

0，整体稳定满足要求。

　　3.3.2.3第三开挖阶段整体稳定性验算：

　　本开挖阶段最危险滑弧面为：

圆心坐标：

x=13.59m，y=8.22m，R=19.94m（滑弧半径），计算简图如图6。

由图可计算得：

分条面积（单位m2）：

=0.79；=1.23，=4.66；=4.61，=3.95；=4.63，=2.52；=4.63；=0.88；=3.60；=1.28；值：

，，，，，，。

值：

第一道62°，第二道59°，第三道56°，第四道53°，第五道49°，第六道46°，第七道43°。

　　将已知代入公式得：

　　302.00+129.00+399.38-668.49=161.89；kN?

0，整体稳定满足要求。

　　图6第三阶段整体稳定计算简图

　　4基坑土钉墙支护施工与监测

　　4.1施工工艺流程

　　1）放坡支护施工工艺：

施工放样→挖土→修边坡→植筋、挂钢丝网→喷（抹）水泥砂浆护坡

　　2）土钉支护施工工艺：

施工放样→挖土→修边坡→钻孔→置土钉→第一次注浆→扎钢筋网片→喷第一层砼→第二次注浆→喷第二层砼

　　本工程采用挖掘机开挖，开挖时，挖掘机应离预定边坡线0.4m以上开挖，以保证土方开挖少扰动边坡壁的原状土，严格按设计确定的4.2m-3.3m-2.5m三个阶段进行开挖，开挖后，用人工及时修整。

边坡修整后，立即喷射第一层砼，厚度为40mm；放坡面要及时做水泥砂浆护坡。

　　4.2土钉墙支护施工技术

　　1）放线：

根据设计图纸，确定基坑开挖边线，用木桩和白灰作出开挖线标记。

　　2）制锚：

锚长误差10cm，杆体第隔2m做对中架，锚杆搭焊长度≥5d，双面焊。

　　3）土方开挖：

分三次开挖，第一次至-4.2m，第二次至-3.2m，第三次至坑底。

边开挖边支护，分层开挖，分层支护，挖完亦支护完。

土方开挖必须和支护施工密切配合，前一层土钉完成注浆1天以上方可进行下一层边坡面的开挖。

开挖时铲头不得撞击网壁和钉头，开挖进程和土钉墙施工形成循环作业。

　　4）修坡：

由于本工程地下室施工面十分狭窄,部分区位仅300mm，为确保喷射砼质量，必须严格控制坡面到地下室的墙体距离。

　　5）土钉制作、成孔：

土钉按照设计方案制作，钢管四周开注浆小孔，小孔直径11mm，小孔在钢管上呈螺旋状布置，小孔间距50mm，孔深允许误差-20cm，成孔角度为8°～100，钢管口部1m范围不设注浆孔，钢管末端封闭。

土钉位置、间距及角度根据设计图纸要求，用空压机带动冲击器将加工好的土钉分段焊接打入土中。

　　6）编制钢筋网：

将Φ6钢筋拉直，钢筋网片按照设计之间距绑扎。

土钉成孔后，端部用Φ16螺纹联系筋、井字加强筋焊接压在钢筋网上，使钢筋网片、土钉连成整体。

土钉与加强筋、联系筋之间均焊接联接，焊缝长度符合规范要求。

钢筋网编扎接长度及相临搭接接头错开长度符合规范要求，在不能满足规范要求的，必须用电焊焊接牢固，制成网筋Ф6@300×300。

　　7）喷射砼：

在土方开挖、修坡之后，钢筋网编焊完成后，进行混凝土喷射。

喷枪距作业面控制在1.5～2.0m，砼喷射机将水泥、砂石、添加剂均匀通过管路，用风压送至作业面，在作业面的枪头出口处有一注水装置，水和水泥、砂石在枪头处通过风压向外喷射时均匀的混合在一起，喷至作业面。

一次喷射总厚度≥100mm，石子粒径5～10mm，最大粒径＜12mm，专用喷射混凝土速凝剂掺入量不小于5％。

喷射砼在每一层、每一段之间的施工搭接之前，将搭接处泥土等杂质清除，确保喷射砼搭接良好，保证喷射砼质量，不发生渗漏水现象。

　　8）土钉注浆：

在面层喷射砼达到一定强度时才能注浆。

对于土钉注浆，注浆前将注浆管插入土钉底部，从土钉底部注浆，边注浆边拔注浆管，再到口部压力灌浆。

水泥浆按照设计拌制，搅拌充分，并用细筛网过滤，然后通过挤压泵注浆。

土钉注浆通过两方面控制，一是注浆压力控制在第一层土钉0.1Mpa，第二、三层土钉0.3～0.4MPa；二是单管注浆量控制在80L左右。

为防止土钉端部发生渗水现象，在土钉成孔之后，喷射砼施工之前，将土钉周围用粘土及水泥袋填塞捣实，喷射砼时先将土头喷射填塞密实，注浆饱满，即可避免出现土钉头渗水现象。

　　9）开挖下层：

开挖下层土方时间与上层喷射混凝土面层强度、注浆强度、地质条件、边壁位移量有关，根据本工程情况，上层混凝土喷射28h后可进行下层土方开挖。

　　4.3施工监测

　　本工程对边坡支护的施工全过程进行了位移日观测，目的是及时掌握土钉墙位移速率的变化和位移累积总量，以便采取措施对其稳定性进行控制。

由于严格按设计要求分层进行开挖支护，未出现异常现象，见图7。

　　图7边坡土体水平位移s¬¬¬――h曲线图

　　从上图可以看出，坡顶沉降量2.8mm～22.4mm，周边道路地面垂直位移5.0mm～10mm，从监测结果可以看出，本次基坑开挖对周边环境影响较小，表明工程基坑支护设计与施工是成功的。

　　5结语

　　综上所述，通过详细的验算及周密的施工组织，加上开挖阶段对基坑支护结构施工的监测，该土钉支护技术在该工程取得了成功，自始至终没有发生大的位移和偏差。

实践证明，只要科学设计，规范施工，多方面考虑工程各种潜在的影响因素，深基坑工程施工效果就能得到良好保证。

　　参考文献：

　　[1]JGJ120-99,建筑基坑支护技术规程[S].

　　[2]黄武,李勋晖.基坑支护结构土压力与抗力研究[J].山西建筑,2007,33.

　　[3]GB5007-2001，建筑地基与基础设计规范[S].北京，中国建筑工业出版社,2001.

　　[4]余志成,施文华,深基坑支护设计与施工,中国建筑工业出版社,2006年.

　　注：

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