深基坑上部土釘墻土釘軸力監(jiān)測(cè)及分析

劉安寧，來(lái)慶專，吳瑞剛，蘇長(zhǎng)毅

（長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院，西安710054）

深基坑上部土釘墻土釘軸力監(jiān)測(cè)及分析

劉安寧，來(lái)慶專，吳瑞剛，蘇長(zhǎng)毅

（長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院，西安710054）

以某建筑深基坑工程為例，對(duì)基坑開(kāi)挖各階段上部土釘墻土釘軸力進(jìn)行實(shí)測(cè)，分析并研究了基坑開(kāi)挖及支護(hù)過(guò)程對(duì)土釘軸力的影響，具體考慮了基坑開(kāi)挖時(shí)間與土釘軸力、土釘軸力變化速率以及同一土釘不同節(jié)點(diǎn)位置處軸力變化趨勢(shì)之間的關(guān)系。對(duì)今后類似的基坑工程中的上部土釘墻的設(shè)計(jì)和分析提供借鑒和參考。

開(kāi)挖與支護(hù)；土釘墻；土釘軸力

西安作為西部地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的中心之一，城市化步伐逐漸加快，因而在城市化用地日益緊張的今天，地下空間的開(kāi)發(fā)已成為一種必然趨勢(shì)［1］。為充分挖掘地下空間的利用率，深基坑的規(guī)模和深度均在不斷加大。近些年上部土釘下部樁錨聯(lián)合支護(hù)體系在西北地區(qū)發(fā)展十分迅猛，其優(yōu)點(diǎn)是占用空間小、受地下水影響小、施工速度快、受力性能較好、可有效控制基坑開(kāi)挖過(guò)程中產(chǎn)生的變形，適合大型深基坑開(kāi)挖支護(hù)［2-4］。然而由于下部支護(hù)結(jié)構(gòu)及不同地區(qū)地質(zhì)條件等因素的影響，土釘墻中土釘軸力的發(fā)展規(guī)律以及設(shè)計(jì)方法還處于探索之中［5-10］。本文通過(guò)西安高新區(qū)某建筑深基坑工程的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行了分析及討論。

1 工程概況

擬建場(chǎng)地位于西安市高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)內(nèi)，基坑支護(hù)長(zhǎng)度約530m，開(kāi)挖深度約為14.5～18.8 m，總支護(hù)面積約9000 m2。擬建的場(chǎng)地呈東南低（開(kāi)挖深度4.5～7.0 m）?？碧近c(diǎn)孔口標(biāo)高介于405.58～411.18 m之間，地貌單元屬皂河I級(jí)階地。

根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告，基坑支護(hù)設(shè)計(jì)影響范圍內(nèi)主要地層自上至下具體參數(shù)見(jiàn)表1。

場(chǎng)地地下水屬于孔隙潛水類型，穩(wěn)定水位深度2.30～8.00 m，相應(yīng)標(biāo)高為402.94～403.36 m。場(chǎng)地內(nèi)水位變化幅度大于2 m。

表1土層物理力學(xué)參數(shù)

1．1 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

本文所依托的深基坑工程形狀呈現(xiàn)近似正方形，基坑采用上部土釘墻下部樁錨聯(lián)合支護(hù)體系，支護(hù)形式如圖1所示。上部土釘墻高度為6 m，坡度為1∶0.2，設(shè)置四排土釘，土釘長(zhǎng)度自上而下均為6 m，土釘布置采用梅花形布置，垂直間距和水平間距皆為1.5 m，土釘孔徑120 mm，土釘傾角15°；土釘孔內(nèi)灌注水泥漿體強(qiáng)度等級(jí)為M15，采用C20的噴射混凝土面層厚度為100 mm。在下部樁錨聯(lián)合支護(hù)體系中，護(hù)坡樁采用混凝土灌注樁，樁長(zhǎng)為22.5 m，鑲固深度為10.5 m，上部澆筑冠梁，在基坑開(kāi)挖過(guò)程中，設(shè)置4排擴(kuò)大頭預(yù)應(yīng)力錨索，錨索傾角為15°間距為1.5 m，并施加預(yù)拉張荷載350－450 kN。在支護(hù)結(jié)構(gòu)施工和基坑開(kāi)挖期間，采用人工井點(diǎn)降水法降低地下水位，施工不受地下水干擾。

圖1樁錨與土釘墻聯(lián)合支護(hù)體系

1．2 土釘軸力監(jiān)測(cè)方案

選擇了上部土釘墻的一個(gè)剖面布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在1、2排土釘上布置3個(gè)軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在3、4排土釘上布置4個(gè)軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)。第一以及第二排土釘各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離為1.5 m。第三、第四排各監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離為1.2 m。圖2、圖3為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的HXG型振弦式土釘鋼筋計(jì)和讀數(shù)儀，圖4為本工程基坑北側(cè)土釘監(jiān)測(cè)儀器布置圖，后文均以此剖面為例進(jìn)行說(shuō)明。

圖2土釘軸力監(jiān)測(cè)計(jì)

圖3振弦式頻率讀數(shù)儀

圖4土釘監(jiān)測(cè)儀器布置圖

2 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

2．1 基坑開(kāi)挖情況下的土釘軸力變化分析

從土釘軸力曲線圖5可以看出：隨著下部土體的開(kāi)挖，土釘墻中各排土釘?shù)妮S力是呈逐漸增大的趨勢(shì)。從施工開(kāi)始到挖至基坑底部的過(guò)程中，1、2排中的土釘軸力增長(zhǎng)幅度較小，最大土釘軸力不超過(guò)6 kN，其中T411L及T423L土釘監(jiān)測(cè)器它們的軸力不超過(guò)1 kN，這可以認(rèn)為在該儀器所在位置土體的變化幅度很小。由于基坑土體的開(kāi)挖，導(dǎo)致土釘墻中的應(yīng)力發(fā)生變化。應(yīng)力主要集中在土釘墻中第三排以及第四排土釘所處的位置。在基坑開(kāi)挖初期，同一排不同位置的軸力曲線存在交叉現(xiàn)象，這種交叉現(xiàn)象表明了土釘墻正逐漸朝穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變。

2．2 沿釘長(zhǎng)分布的土釘軸力變化分析

土釘軸力沿釘長(zhǎng)分布曲線如圖6所示。在基坑開(kāi)挖的初期，第一、二排土釘中土釘軸力呈現(xiàn)釘頭受力大，中部受力次之，釘尾小的受力形式。第三排土釘在儀器埋設(shè)初期（0～21 d左右）釘頭處的土釘軸力變化幅度較大，受力主要集中于土釘中部，土釘端尾處受力相對(duì)較小，而第四排土釘在儀器埋設(shè)初期，軸力主要產(chǎn)生在土釘尾部，土釘中部及釘頭處相對(duì)于尾部受力較小。在基坑開(kāi)挖初期各排土釘所受軸力很小，擋土墻中土體處于穩(wěn)定狀態(tài)。隨著基坑開(kāi)挖的進(jìn)行（開(kāi)挖到35 d左右），土釘?shù)氖芰Τ霈F(xiàn)較大變化，具體表現(xiàn)在：第三、四排土釘軸力呈現(xiàn)出釘頭及中間部位大釘尾小的受力形式，這表明下部樁錨支護(hù)部分土體開(kāi)挖及支護(hù)導(dǎo)致基坑產(chǎn)生變形及上部土體沉降，上部土釘墻中土體滑移破壞面發(fā)生變化，使土釘軸力受力狀態(tài)產(chǎn)生改變。

2．3 土釘軸力變化速率分析

隨著下部樁錨支護(hù)部分土體開(kāi)挖和基坑支護(hù)的進(jìn)行，土釘軸力變化速率曲線（圖7）呈現(xiàn)波浪式的形態(tài)，基坑開(kāi)挖完成后土釘軸力變化速率趨于穩(wěn)定。尤其對(duì)于第三、四排土釘，每次基坑進(jìn)行開(kāi)挖作業(yè)后，土釘軸力的變化速率都具有明顯上升的趨勢(shì)。而在每次錨索施工張拉后土釘軸力的變化速率又有明顯的下降趨勢(shì)，因此樁錨與土釘聯(lián)合支護(hù)中，上部土釘墻設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)當(dāng)考慮下部土體開(kāi)挖對(duì)其上部的影響。

2．4 土釘墻設(shè)計(jì)分析

土釘墻屬于被動(dòng)受力結(jié)構(gòu)，只有土體產(chǎn)生了一定的變形才能發(fā)揮土釘抗拉作用。本文土釘墻內(nèi)力監(jiān)測(cè)值總體偏小，其中最大值為10.48 kN，土釘?shù)膬?nèi)力沒(méi)有完全發(fā)揮，尤其是第一、二排土釘所受軸力最大值更是僅為6 kN左右，所以在今后類似的基坑支護(hù)土釘墻設(shè)計(jì)中可以適當(dāng)減少第一、二排的土釘桿體直徑。

圖5各排土釘各測(cè)點(diǎn)軸力曲線圖

圖6沿釘長(zhǎng)分布的土釘軸力曲線圖

3 結(jié)論

本文根據(jù)詳細(xì)的土釘監(jiān)測(cè)資料，得出了以下結(jié)論：

（1）基坑開(kāi)挖支護(hù)過(guò)程中，土釘墻中各排土釘?shù)妮S力是呈逐漸增大的趨勢(shì)。基坑開(kāi)挖初期上部土釘墻軸力增長(zhǎng)速率比較顯著，隨著基坑開(kāi)挖進(jìn)行，土釘軸力變化逐漸趨于緩和，并在開(kāi)挖到基坑底部后趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）基坑開(kāi)挖初期，各排土釘軸力均較小，第一、第二排土釘軸力呈釘頭大、中間次之、釘尾小的受力形式，第三排土釘軸力表現(xiàn)為中間大兩端小的受力形式，而第四排土釘軸力在釘尾處呈現(xiàn)最大值。由于下部樁錨支護(hù)部分土體開(kāi)挖對(duì)上部土釘墻整體穩(wěn)定性造成影響，使上部土體中應(yīng)力發(fā)生轉(zhuǎn)移，引起土釘軸力逐漸發(fā)展為釘頭及中間部位大釘尾小的受力形式。

（3）基坑的開(kāi)挖以及錨索的張拉均對(duì)土釘軸力產(chǎn)生影響，開(kāi)挖導(dǎo)致土釘軸力變化速率增大，下部預(yù)應(yīng)力錨索張拉導(dǎo)致土釘軸力變化速率減小，因此上部土釘墻設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮下部土體開(kāi)挖及支護(hù)對(duì)上部土釘墻的影響。

圖7土釘軸力變化速率曲線

（4）各排土釘?shù)耐玲斴S力均不大，考慮到土釘墻為被動(dòng)受力結(jié)構(gòu)，因此，可以推測(cè)本次土釘墻整體變形較小。所以，對(duì)于類似的基坑支護(hù)工程，上部土釘墻的設(shè)計(jì)可以考慮通過(guò)適當(dāng)增大各排土釘距離，以減少土釘墻中的土釘?shù)呐艛?shù)或者適當(dāng)減少土釘?shù)闹睆揭赃_(dá)到節(jié)約成本的目的。

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Monitoring and Analysis of Soil Nail Axial Force on the Upper Part of a Soil NailWall for the Deep Foundation

LIU Anning1，LAIQingzhuan2，WU Ruigang3，SU Changyi4
（School of Highway，Chang＇an University，Xi＇an 710054，China）

With a deep foundation pit engineering an example，for each stage of excavation，the soil nail axial force of upper soil nailwall ismonitored.The effectof the process of foundation pitexcavation and support on soil nails axial force is analysed and studied，specially，the relationship between excavation time and axis-force of soil nailing，changing rate of axisforce，aswell as changing trend of axial force in different positions with the same soil nail，is considered.It can provide a reference for the design and analysis of top soil-nailed wall in those similar foundation pit engineerings.

excavation and support；soil nail wall；soil nail axial force

TU472.3＋4

A

1673-1549（2015）01-0059-04

10．11863／j．suse．2015．01．14

2014-10-11

劉安寧（1987-），男，陜西西安人，碩士生，主要從事基坑設(shè)計(jì)與監(jiān)測(cè)方面的研究，（E-mail）429439365＠qq.com