基坑土釘支護技術淺析

摘 要：土釘支護技術是一種新型基坑支護形式，近年來己在我國基坑工程中廣泛應用，并取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。本文對土釘支護技術的特點做了簡要分析，并探討了土釘支護的構造與施工。

關鍵詞：土釘支護；構造；施工

中圖分類號：TU94+2

文獻標識碼：B

文章編號：1008-0422（2009）06-0196-02

1土釘支護技術的概念及特點

土釘墻又稱為土釘支護技術，它是在原位土中敷設較為密集的土釘，并在土邊坡表面構筑鋼絲網(wǎng)噴射混凝土面層，通過土釘、面層和原位土體三者的共同作用而支護邊坡或邊壁。土釘墻體同時也構成了一個就地加固的類似重力式擋土結(jié)構。與已有的各種支護方法相比，它具有施工容易、設備簡單、需要場地小，開挖與支護作業(yè)可以并行、總體進度快、成本低，以及無污染、噪聲小、穩(wěn)定可靠、社會效益與經(jīng)濟效益好等許多優(yōu)點，因而在國內(nèi)外的邊坡加固與基坑支護中得到了廣泛迅速的應用。

土釘墻的施工技術是一種由上而下分步修建的過程，可按下列順序進行:按設計要求開挖工作面，修整邊坡，埋設噴射混凝土厚度控制標志;噴射第一層混凝土;鉆孔安設土釘、注漿、安設連接件;綁扎鋼筋網(wǎng)，噴射第二層混凝土;設置坡頂、坡面和坡腳的排水系統(tǒng)。

土釘支護法:以盡可能保持、顯著提高、最大限度地利用基坑邊壁土體固有力學強度，變土體荷載為支護結(jié)構體系一部分。噴射混凝土在高壓氣流的作用下高速噴向土層表面，在噴層與土層間產(chǎn)生“嵌固效應”，并隨開挖逐步形成全封閉支護系統(tǒng)，噴層與嵌固層同具有保護和加固表層土，使之避免風化和雨水沖刷、淺層坍塌、局部剝落，以及隔水防滲作用。土釘?shù)奶厥饪貕鹤{可使被加固介質(zhì)物理力學性能大為改善并使之成為一種新地質(zhì)體，其內(nèi)固段深固于滑移面之外的土體內(nèi)部，其外固端同噴網(wǎng)面層聯(lián)為一體，可把邊壁不穩(wěn)定的傾向轉(zhuǎn)移到內(nèi)固段及其附近并消除。鋼筋網(wǎng)可使噴層具有更好的整體性和柔性，能有效地調(diào)整噴層與土釘內(nèi)應力分布。土釘主動支護土體并與土體共同作用，具有施工簡便、快速及時，機動靈活、適用性強、隨挖隨支、安全經(jīng)濟等特點。其工期一般比傳統(tǒng)法節(jié)省30-60d以上，工程造價低10%-30%，支護最大垂直坑深目前已達到21.5m，建成淤泥(局部雜填土)基坑深達10m。該方法不僅能有效地用于一般巖土深基坑工程支護，而且通常還采用一些其他輔助支護措施，能有效地用于支護流砂、淤泥、復雜填土、飽和土、軟土等不良地質(zhì)條件下的深基坑。此外，它還能快速、可靠、經(jīng)濟地對采用傳統(tǒng)法或改良法施作的將要或已經(jīng)失穩(wěn)的基坑進行搶險加固處理。

土釘支護似乎與加筋土和錨桿等擋土結(jié)構一樣，然而土釘支護在結(jié)構施工等方面與加筋土和錨桿有許多不同點。

首先，土釘支護與加筋土邊坡或擋墻不相同，主要表現(xiàn)在:施工方法不同。土釘支擴從上到下分布進行修建，邊開挖邊支護，充分利用原狀土的強度。加筋土結(jié)構由下到上分層填土構筑，填料可以選擇，密實度和強度可以控制;加筋體最大拉力的變化規(guī)律不同。在加筋土結(jié)構中，一般處于下部的筋體受力最大。在土釘支護結(jié)構中，一般介于中部的土釘受力最大，上部和底部的土釘受力較小;變形性能不同。土釘支護最大位移發(fā)生在支護邊坡頂部或接近頂部，加筋土結(jié)構的最大位移在底部。

其次，土釘支護與錨桿支護或擋墻也不相同，主要在于:各部分的受力和作用不同。錨桿支護或擋墻中的錨桿一般都有錨固段和自由段，利用滑動面以外的錨固段提供抗力，設置錨桿一般要施加預應力，自由段受到均勻的拉力作用，通過錨座傳遞到坡面的擋土構件上，擋土構件的剛度較大，主要通過受彎矩提供抗力，是主要的受力部件之一。土釘設置后一般不施加預拉力，只是在土體發(fā)生微小變形后才被動受力，受力的大小沿土釘延長的分布不均勻，中間大兩邊小，所作用在面層上的力較小，噴射混凝土面層不是主要受力部件，其作用是穩(wěn)定開挖面上的局部土體，防止崩落和受到侵蝕;設置密度不同。在錨桿支護中，單位支護面積上設置的錨桿數(shù)量通常較少，對每根錨桿的施工精度和要求都十分嚴格。在土釘支護中，支護面上土釘排列得較密，對單個土釘?shù)氖┕ぞ群唾|(zhì)量要求相對較低;設計長度不同。在錨桿支護中，設計要求每根錨桿都要達到要求的抗力，所以錨桿的錨固段需要深入到穩(wěn)定的土層中，設計長度較長。在土釘支護中，土釘排列較密，數(shù)量眾多，與周圍土層共同作用，能夠保持加固區(qū)土體的自身的穩(wěn)定，并抵抗加固區(qū)以外的土壓力的作用，設計長度較短。當然，錨桿有許多種類，也有不加預應力、長度比一般的土釘還要短，但這種錨桿主要用于隧道或地下工程的噴錨支護上，長度比一般的土釘還要短，常用只有2-4m。

2土釘支護的構造與施工

2.1土釘構造

2.2.1結(jié)構組成

土釘支護是以土釘作為主要受力構件的邊坡支護技術，它由密集的土釘群、被加固的原位土體、噴射混凝土面層和必要的防水系統(tǒng)組成。

2.1.2結(jié)構材料

鋼材:鋼筋的種類、型號及尺寸規(guī)格應符合設計要求，宜采用H級或工H級鋼筋，鋼筋購進后應妥善保管，防止銹蝕，制作時應調(diào)直、除銹、除油，應進行物理力學性能或化學成份分析試驗，焊接用的鋼材，應作可焊性和焊接質(zhì)量的試驗檢測其焊接強度應大于材料整體強度;

水泥:采用普通硅酸鹽水泥，標號P032.5，必要時采用抗硫酸水泥，不得使用高鋁水泥。水泥應符合現(xiàn)行水泥標準的規(guī)定要求，必須有制造廠的試驗報告單、質(zhì)量檢驗單、出廠證等證明文件，并按其品種、標號、試驗編號等進行檢查驗收并取樣檢驗，按檢驗結(jié)果合理使用。袋裝水泥在儲運時應妥善保管、防雨、防潮，堆放在距離地面一定高度的堆架上，嚴禁拋摔和損壞包裝袋，嚴禁使用受潮或不同標號品種混雜的水泥。

骨料:石料和砂料(瓜子片、中細砂)應有檢驗報告單，石料的檢驗方法和質(zhì)量標準按JGJ53-92，砂料的檢驗方法和質(zhì)量標準按JGJ52-92。粒徑小于2mm的中砂，砂的含泥量按重量計不大于3%，粒徑小于12mm碎石或瓜子片，含泥量按重量計不大于3%。

拌合用水:水中不含有影響水泥正常凝結(jié)硬化的有害雜質(zhì)，不得含油脂、糖類及游離酸等;污水、PH值小于4的酸性水和含硫酸根離子超過水重1%的水均不得使用;使用自來水或清潔的天然水作拌合用水，可免作試驗。

速凝劑:所用速凝劑為J85、711或紅星1號，應有專人負責掌握，添加重量為水泥重量的3%，噴射時由機器自動添加。

焊條:采用THJ422。

混凝土配合比:噴射混凝土的配合比除應達到設計標準強度外，還應滿足施工工藝要求，配合比為1:0.4:2:2(水泥:水:砂:瓜子片)，瓜子片的最大直徑不大于12mm.

注漿配合比:一次注漿采用1:1水泥砂漿，二次注漿采用水灰比為0.5的純水泥漿，水泥砂漿與水泥純漿必須攪拌均勻，一次拌和的漿必須在初凝前(一般為2h)用完。

早強減水劑:根據(jù)工程性質(zhì)，采用不同類型的早強劑，常用紅星四號、3F、NC、NNOF、NS2-1等。

2.1.3土釘及鋼筋網(wǎng)制作

土釘制作尺寸允許偏差:長度±100mm，彎曲度

鋼筋制作要求:鋼筋使用前應調(diào)直并清除污垢，鋼筋網(wǎng)宜在噴射一層混凝土后鋪設，鋼筋與坡面的間隙不宜小于20mm，鋼筋網(wǎng)宜采用綁扎，鋼筋網(wǎng)與土釘應連接牢固，鋼筋網(wǎng)外側(cè)宜用加強筋固定在土釘上。

2.1.4排水系統(tǒng)

土釘支護宜在排除地下水的條件下進行施工，應采取恰當?shù)呐潘胧?，包括地表排水、支護內(nèi)部排水以及基坑排水，以避免土體處于飽和狀態(tài)并減輕作用于面層上的靜水壓力。

基坑四周支護范圍內(nèi)的地表應加修整，構筑排水溝和水泥砂漿或混凝土地面防水地表降水向地下滲透?？拷悠马攲?-4m的地面應適當墊高，并且里高外低，便于徑流遠離邊坡。在支護面層背部應插入長度為400-600mm，直徑不小于40mm的水平排水管，其外端伸出支護面層，間距可為1.5-2m，以便將噴射混凝土面層后的積水排出。為了排除積聚在基坑內(nèi)的滲水和雨水，應在坑底設置300mm×300mm排水溝，通至600mm×600mm×600mm集水坑。排水溝應離開邊壁0.5-1m，排水溝及集水坑宜用磚砌并用砂漿抹面以防止?jié)B漏，坑中積水應及時抽出。

2.2土釘支護施工組織

為了確保土釘支護施工的質(zhì)量和進度，現(xiàn)場設立由三名人員組成的工程技術組:一名總負責人，一名工程技術負責人，一名質(zhì)量安全負責人。

現(xiàn)場設四個作業(yè)班:

一班:土釘加工、焊接、制作鋼筋掛網(wǎng);

二班:專門機械成孔班;

三班:注漿。自孔內(nèi)注入一次水泥砂漿，在PVC管內(nèi)作二次注漿;

四班:噴射混凝土班;

各班組做到分工不分家，必須互相配合，精心施工。

工藝流程詳見圖2。

3復合土釘支護受力機理

3.1復合土釘受力機理

在土釘支護體系中，土釘是重要的受力構件，土釘?shù)淖饔脤⒆饔糜诿鎸踊蛩嗤翗渡系乃?、土壓力，通過土釘與土體的磨阻力傳遞到穩(wěn)定的地層中去，類似于土層錨桿;通過密而短的土釘將支護后土體的變形約束起來，形成由土體、注漿體及土釘組成的復合土體，復合土體類似于重力式壩受力。這種作用類似于加筋土擋支護;不管用什么形式施工的土釘(鉆孔法、打入法和頂入法)，土釘通道都是注漿孔，該注漿不僅形成了土釘擋墻與地層之間的摩擦帶，同時以劈裂、滲透及壓密注漿的形式加固了支護后土體，這種作用類似于壓密注漿機理。

3.2土釘?shù)氖芰^程

量測表明，土釘?shù)氖芰^程可分為三個階段:

第一階段:土釘安設的初期，完成注漿但注漿體與土層之間的粘結(jié)尚未形成，這時該土釘基本不受力。

第二階段:注漿體將土釘粘結(jié)于地層中，隨著開挖深度的增加，土釘逐漸產(chǎn)生拉力，并將拉力集中在與面層粘結(jié)的部位，這時內(nèi)力分布類似于無自由變形段的土層錨桿靠近面層處拉力最大，往后逐漸減小。

第三階段:開挖足夠深度，土釘?shù)拇蟛糠萏幱诨逊秶畠?nèi)。這時土釘內(nèi)力表現(xiàn)為中間部位(近滑裂面)最大，兩端最小。力的分布類似于加筋土擋墻中的拉筋。

4結(jié)束語

土釘支護技術能有效調(diào)用土體自身的強度和自身的穩(wěn)定性，是提高巖土工程穩(wěn)定性和解決復雜巖土工程穩(wěn)定問題最經(jīng)濟最有效的之一。盡管土釘支護技術從設計計算理論到施工工藝，尚有若干探討改進和完善處;盡管理論落后于實踐的情況十分突出，尚需編制可供遵循的設計、施工規(guī)范;盡管許多專業(yè)設計、建設及管理工程技術人員仍處在邊實踐邊學習階段，但伴隨著良好社會環(huán)境與經(jīng)濟體制的發(fā)展，土釘支護技術以其顯著的造價、經(jīng)濟、施工工藝等方面的優(yōu)點，除廣泛的應用于一般土層和軟土支護外，還將大量地運用于流砂、復雜填土、強膨脹土和砂礫等不良土層中，那些待解決的問題也必將在廣大工作者的努力中為人們探知!

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