土釘墻支護(hù)在長(zhǎng)春某基坑中的應(yīng)用研究

袁鵬 趙大軍 謝俊革 周宇

摘 要：文章分析了長(zhǎng)春某基坑工程地質(zhì)條件，對(duì)基坑支護(hù)方案進(jìn)行分析論證，并對(duì)所采用的土釘墻支護(hù)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。文章采用單因素分析法，在土釘傾角合理區(qū)間內(nèi)，對(duì)土釘傾角進(jìn)行最優(yōu)設(shè)計(jì)，得出了土釘傾角對(duì)基坑邊坡穩(wěn)定性影響規(guī)律。實(shí)踐證明，本工程采用土釘墻支護(hù)的方案，短時(shí)高效地完成了工程任務(wù)，實(shí)現(xiàn)工程利潤(rùn)的最大化，并通過(guò)土釘傾角優(yōu)化設(shè)計(jì)，在工程造價(jià)不變的情況下，大幅提升施工安全。為土釘墻支護(hù)在長(zhǎng)春基坑工程中的應(yīng)用研究提供借鑒。

關(guān)鍵詞：基坑支護(hù)；土釘支護(hù)；土釘傾角；監(jiān)測(cè)與檢測(cè)

1 工程介紹

本建設(shè)項(xiàng)目，臨近長(zhǎng)春市南四環(huán)，位于吉林省長(zhǎng)春市東風(fēng)大街以北，大眾街以東，凱達(dá)北街以西，丙九路以南。基坑支護(hù)整體平面圖如圖1所示。需要說(shuō)明的是圖中部分采用土釘墻支護(hù)，部分采用鋼管樁+擴(kuò)大頭錨索支護(hù)。文章主要介紹土釘墻支護(hù)。

圖1 基坑支護(hù)總平面圖

本工程包括前期策劃辦公樓（地下一層，地上七層），項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)樓（六層），研發(fā)設(shè)計(jì)綜合樓（五層），停車樓（七層），整車對(duì)標(biāo)試驗(yàn)室（局部二層）等建筑物和調(diào)車場(chǎng)試車跑道。工程建筑物±0.000相當(dāng)于海平面高程202.0m?；又荛L(zhǎng)約3073m，支護(hù)深度5.15m-10m，總支護(hù)面積約20000m2。

2 場(chǎng)地的工程地質(zhì)條件（表1）

表1 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)表

勘察期間，場(chǎng)地所有鉆孔均遇見(jiàn)地下水，地下水類型為潛水，主要賦存于粉質(zhì)粘土，穩(wěn)定水位埋深為5.20-8.50m，其主要補(bǔ)給來(lái)源為大氣降水，勘察期間正值冬季，豐水季節(jié)水位將有所上升。

3 支護(hù)方案的選定

本基坑支護(hù)工程安全等級(jí)為二級(jí)，并具有以下特點(diǎn)：（1）基坑面積較大，面積約20000m2，周長(zhǎng)約3073m，基坑實(shí)際挖深度5.15m-10m。（2）基坑影響深度范圍內(nèi)的土層以粉質(zhì)粘土為主，土質(zhì)較好。（3）基坑開挖深度內(nèi)無(wú)承壓水含水層，僅部分支護(hù)段有少量潛水，并主要賦存于粉質(zhì)粘土，對(duì)基坑開挖并無(wú)重大影響，支護(hù)墻面設(shè)置排水孔，基坑底設(shè)置排水溝。（4）基坑周邊無(wú)重要建筑物和管線，對(duì)基坑變形要求較低，允許放坡。

根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ120-2012）“土釘墻適用于基坑深度不宜大于12m的基坑側(cè)壁安全等級(jí)宜為二、三級(jí)的非軟土場(chǎng)地[1]”土釘墻施工方便靈活，能合理利用土體的自穩(wěn)能力，需要的施工場(chǎng)地小、施工簡(jiǎn)便速度快，工期短等優(yōu)點(diǎn)。

本工程地質(zhì)條件及周邊環(huán)境較為簡(jiǎn)單，并在保證安全的情況下，應(yīng)盡量選擇安全、經(jīng)濟(jì)、施工方便的支護(hù)方案。

根據(jù)支護(hù)設(shè)計(jì)總平面圖和現(xiàn)場(chǎng)具體工程條件，土釘墻支護(hù)段分為9種，如表2所示。

表2 支護(hù)段分類表

支護(hù)段土釘參數(shù)。本基坑支護(hù)工程安全等級(jí)為二級(jí)。取土釘水平間距SX=1.5m，土釘傾角？茲=15°?；铀闹車?yán)禁堆土或堆載，本區(qū)段考慮施工車輛通行，地面超載應(yīng)控制在30kPa以內(nèi)，取超載10kPa。支護(hù)段1-9，如表3所示。

表3 支護(hù)段土釘參數(shù)表

噴射面層：面層厚度為100mm，強(qiáng)度C20，掛單層6.5@200×200的鋼筋網(wǎng)，允許誤差±10mm，加強(qiáng)筋2？覫14?？捎煤附踊蚪壴?，搭接長(zhǎng)度不小于一個(gè)網(wǎng)格邊長(zhǎng)。土釘鋼筋與網(wǎng)片用2？覫14主筋橫向焊接在一起，在土釘端部用“井”字架與網(wǎng)片焊接在一起。面層頂部上翻地面1.0m。

4 土釘傾角優(yōu)化設(shè)計(jì)

在工程建設(shè)中，土釘施工與土方開挖往往存在一些配合上的問(wèn)題，工作面平整度對(duì)土釘傾角也造成影響，因此人們?yōu)楹?jiǎn)化施工和設(shè)計(jì)，常采用水平或略傾斜角度[2]。根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ120-2012）：土釘傾角宜為5°-20°。同時(shí)土釘水平放置比斜向大傾角側(cè)向位移要小而所受摩阻力卻大于后者[3]，因此本部分在水平或小角度合理范圍內(nèi)對(duì)土釘傾角進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮土釘應(yīng)有的效能，在原有工程造價(jià)不變的情況下，大幅提高施工安全。

4.1 理論分析

根據(jù)彈塑性力學(xué)理論，土單元沿著？滓1方向產(chǎn)生壓縮變形，而沿著？滓3方向產(chǎn)生伸長(zhǎng)變形。土體加固就是要限制這種變形，因此，從理論上講，沿？滓3方向插入土釘，可以最大程度地限制土體沿？滓3方向的伸長(zhǎng)變形，使其加固效果比沿垂直于斜面方向插入的加固效果更為明顯[4]。相關(guān)研究人員運(yùn)用ADINA有限元探討了土釘傾角對(duì)無(wú)粘性及稍含粘粒粒狀體邊坡加固，得出？滓3大致稱平行線排列[5]。土體單元應(yīng)力分布情況及土釘插入方向如圖2所示。

圖2 土體單元應(yīng)力分布情況及土釘插入方向

考慮工程實(shí)際及地層復(fù)雜性和不可復(fù)制性，土層內(nèi)最小主應(yīng)力？滓3的方向是個(gè)變量，工程上土釘?shù)牟迦牒茈y嚴(yán)格按照變化的最小主應(yīng)力？滓3的方向插入，這就需要用一個(gè)平均的角度來(lái)替代變化的最小主應(yīng)力？滓3的方向[5]。因此我們通過(guò)基坑整體穩(wěn)定性系數(shù)，在水平或小傾角范圍內(nèi)，大致尋找？滓3主方向，得出土釘最優(yōu)傾角。

4.2 土釘傾角優(yōu)化計(jì)算

基坑整體穩(wěn)定性采用圓弧滑動(dòng)條分法計(jì)算，可運(yùn)用理正進(jìn)行計(jì)算。

4.2.1 單因素分析法

土釘墻支護(hù)五個(gè)常見(jiàn)參數(shù)：土釘長(zhǎng)度、土釘傾角、土釘?shù)闹睆剑ㄤ摻钪睆剑?、水平間距和垂直間距。采用單因素分析法，即選取一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模型，然后變化土釘傾角，其余四個(gè)因素保持不變，分析土釘傾角對(duì)基坑穩(wěn)定性的影響[6]。

4.2.2 標(biāo)準(zhǔn)模型

選取支護(hù)段9進(jìn)行介紹：基坑開挖10m，土釘參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表3，傾角15°，土釘配筋均為HRB400級(jí)鋼筋，土釘孔徑120mm，水平間距Sx=1.5m，邊坡超載個(gè)數(shù)為1，荷載值為10kPa。對(duì)傾角進(jìn)行遞增，變化范圍為 3°-19°，其余四個(gè)參數(shù)固定不變。得到土釘傾角和安全系數(shù)之間的關(guān)系，如圖3所示。

土釘傾角對(duì)基坑整體穩(wěn)定性的影響呈拋物線變化，在一定范圍內(nèi)，隨著傾角增大，安全系數(shù)增加；土釘傾角持續(xù)增加，安全系數(shù)減小，存在一個(gè)極值為土釘最優(yōu)傾角。本工程土釘傾角選取11°支護(hù)效果最明顯；從施工工藝來(lái)說(shuō)，11°傾角的土釘，施工要求也比較低。實(shí)際施工中，為便于施工，可適當(dāng)降低下部土釘傾角。因下部土釘?shù)膬A角所起的作用 （迫使?jié)撛谖ｋU(xiǎn)滑面的滑弧頂點(diǎn)改變位置）不如上部土釘?shù)拿黠@，因此下部土釘傾角小一些，可使土釘拉力對(duì)安全系數(shù)的貢獻(xiàn)最大[7]。

實(shí)踐表明，本工程采用土釘墻支護(hù)的方案，短時(shí)高效地完成了工程任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了工程利潤(rùn)的最大化，在以后的支護(hù)工程中值得借鑒，并通過(guò)土釘傾角優(yōu)化設(shè)計(jì)，在工程造價(jià)不變的情況下，大幅提升施工安全。

5 基坑監(jiān)測(cè)

為了保證周圍建筑物在護(hù)坡施工過(guò)程中的安全性，對(duì)周邊進(jìn)行沉降及位移觀測(cè)。

5.1 觀測(cè)點(diǎn)建立

5.1.1 觀測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)的建立

在基坑上口每隔20m設(shè)置水平、垂直位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并在基坑中間和基坑四邊設(shè)置五個(gè)觀測(cè)井。在基坑支護(hù)及地下室施工期間，對(duì)基坑進(jìn)行監(jiān)測(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)水平、垂直位移及豎向沉降。

5.1.2 水準(zhǔn)基點(diǎn)觀測(cè)

采用《國(guó)家二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》中Ⅰ等水準(zhǔn)測(cè)量的方法和計(jì)數(shù)要求進(jìn)行觀測(cè)，雙轉(zhuǎn)點(diǎn)，視線≤15m，前后視距差≤0.3m，視距累積差≤1.5m。

其主要精度指標(biāo)如下：標(biāo)高中誤差≤±0.3mm；相鄰點(diǎn)高差中誤差≤±0.1mm；附合閉合差≤±0.15■mm（n為測(cè)站點(diǎn)）。

5.2 沉降基點(diǎn)觀測(cè)

采用Ⅰ等觀測(cè)的技術(shù)的要求進(jìn)行施測(cè)，但精度最低要達(dá)到Ⅱ等水準(zhǔn)的要求，其主要精度指標(biāo)如下：相鄰點(diǎn)高差中誤差≤±0.5mm；每站高差中誤差≤±0.13mm；附合閉合差≤±0.3■mm（n為測(cè)站點(diǎn)）。

每次觀測(cè)前，對(duì)作為起算數(shù)據(jù)的基點(diǎn)進(jìn)行高差檢測(cè)，檢查基點(diǎn)的穩(wěn)定性和可靠性，要求觀測(cè)路線形成附合或閉合路線。在沉降觀測(cè)期間，沉降點(diǎn)每觀測(cè)3次后，對(duì)沉降觀測(cè)基點(diǎn)進(jìn)行復(fù)測(cè)。

主要觀測(cè)內(nèi)容有：（1）測(cè)斜。主要觀測(cè)基坑開挖過(guò)程及土方開挖階段支護(hù)及深層土體的位移，在基坑四周（圍護(hù)樁及土體內(nèi)）埋置測(cè)斜管。（2）地下水位的觀測(cè)。布置坑內(nèi)外地下水位觀測(cè)井，監(jiān)測(cè)坑內(nèi)外地下水位的波動(dòng)情況。（3）地下管線及臨近建筑物的監(jiān)測(cè)。主要進(jìn)行地下管線及臨近建筑物的水平位移及沉降觀測(cè)。（4）坑外地表沉降觀測(cè)。

5.3 觀測(cè)周期

在圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工前，測(cè)得初始讀數(shù)。在基坑降水及開挖期間一日一測(cè)，如觀測(cè)期間數(shù)據(jù)變化較大，隨時(shí)加大觀測(cè)頻率。

6 結(jié)束語(yǔ)

（1）本工程已施工完成，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，周圍建筑物沉降量、基坑位移量都滿足規(guī)范要求。該基坑正常使用11個(gè)月，經(jīng)歷了雨季考驗(yàn)，土釘墻支護(hù)達(dá)到預(yù)想的效果，可為今后同類基坑的設(shè)計(jì)和施工提供一些參考。（2）該基坑支護(hù)中采用土釘墻支護(hù)技術(shù)，充分調(diào)用土體自身強(qiáng)度和承載能力，節(jié)省土石方工作量，節(jié)約成本，縮短施工工期。短時(shí)高效地完成了工程任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了工程利潤(rùn)的最大化，在以后的支護(hù)工程中值得借鑒。（3）對(duì)土釘傾角進(jìn)行優(yōu)化，得出傾角對(duì)基坑整體穩(wěn)定性的影響呈拋物線的現(xiàn)象，存在一個(gè)最優(yōu)傾角；該最優(yōu)傾角為11°左右，在原有工程造價(jià)不變的基礎(chǔ)上，實(shí)踐證明將原設(shè)計(jì)中土釘傾角改為11°，大幅提高了施工安全。

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