土釘支護(hù)技術(shù)在臨近鐵路深基坑工程中的應(yīng)用

高峰

（1.山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西大同037003；2.武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北武漢430070）

土釘支護(hù)技術(shù)在臨近鐵路深基坑工程中的應(yīng)用

高峰1，2

（1.山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西大同037003；2.武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北武漢430070）

應(yīng)用VisualSlope6.0對(duì)晉北地區(qū)臨近鐵路的一棟31層商住樓深基坑工程進(jìn)行土釘支護(hù)內(nèi)力和變形分析，對(duì)6種基坑土釘支護(hù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行數(shù)值模擬，優(yōu)化了土釘支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)。數(shù)值分析結(jié)果表明:土釘間距、直徑和長(zhǎng)度對(duì)基坑安全系數(shù)影響較大，施工設(shè)備和經(jīng)濟(jì)條件允許時(shí)，應(yīng)在保持一定的土釘密度的基礎(chǔ)上，適當(dāng)增加土釘直徑和長(zhǎng)度，以便有效提高土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性。實(shí)踐證明土釘支護(hù)技術(shù)適用于晉北地區(qū)的工程地質(zhì)條件。

鐵路；深基坑；土釘支護(hù)；設(shè)計(jì)參數(shù)；VisualSlope6.0

自1972年法國(guó)承包商Bouygues在坡度為70°的鐵路黏性沙土邊坡開挖工程中采用25000多根鋼筋形成臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)以來(lái)，土釘支護(hù)技術(shù)在世界范圍內(nèi)得到迅速發(fā)展。我國(guó)90年代中期開始利用該項(xiàng)技術(shù)，是目前深基坑支護(hù)中優(yōu)先選用的方法。土釘支護(hù)技術(shù)源于新奧法基本原理，在支護(hù)結(jié)構(gòu)體系中，土釘通過(guò)水泥漿體與周圍土體接觸，約束土體的變形并與土體共同作用。實(shí)際工程中，土釘受力復(fù)雜，主要承受拉力，為防止開挖面上的局部土體崩落和受到侵蝕而噴射的混凝土面層也起到調(diào)節(jié)表面應(yīng)力分布作用，兩者共同作用以充分發(fā)揮土層自承能力，形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，承受一定的變形壓力［1-2］。同時(shí)，土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)施工簡(jiǎn)便、造價(jià)較低，施工過(guò)程中調(diào)整設(shè)計(jì)方便，在深基坑支護(hù)中應(yīng)用十分廣泛［3］。

伴隨著晉北地區(qū)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，深基坑工程日趨增多，深入研究土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其應(yīng)用顯得很有必要?，F(xiàn)行有關(guān)建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程［4-6］給出了圓弧滑動(dòng)條分法驗(yàn)算土釘墻整體穩(wěn)定性和土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)的基本設(shè)計(jì)方法。但傳統(tǒng)理論分析和常規(guī)分析方法難以反映土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)多個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)支護(hù)效果的影響［7］。VisualSlope系列是由美國(guó)VisualSlope公司開發(fā)的新一代巖土工程專用計(jì)算軟件，簡(jiǎn)單易行，倍受用戶青睞；尤其是最新VisualSlope6.0加入了很多符合中國(guó)設(shè)計(jì)規(guī)范的計(jì)算方法，用戶可通過(guò)選擇適合當(dāng)?shù)氐囊?guī)范進(jìn)一步方便、快速地優(yōu)化支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)［8］。

本文應(yīng)用VisualSlope6.0，對(duì)晉北地區(qū)臨近鐵路復(fù)雜環(huán)境中的某31層商住樓深基坑工程進(jìn)行土釘支護(hù)內(nèi)力和變形分析，對(duì)所提出的土釘支護(hù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，為土釘支護(hù)技術(shù)在本地區(qū)的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1　工程概況

擬建7#，8#兩商住樓相鄰，位于晉北地區(qū)的大同市，均設(shè)2層地下室，采用整體筏板基礎(chǔ)，基底絕對(duì)標(biāo)高1062m，基礎(chǔ)埋深為10.6～11.4m，持力層為⑤含礫粗砂層，其修正后的承載能力特征值為43.0MPa。根據(jù)總平面布置要求，場(chǎng)地整平后將形成高11.0m、長(zhǎng)約200m的土質(zhì)高邊坡；距坡頂3.0m處有一條寬3.5m的混凝土道路，距坡頂12.0m處有一條廠區(qū)鐵路。

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告，該場(chǎng)地地下水位較深，建筑物基坑設(shè)計(jì)和施工可不考慮地下水影響。在基坑開挖深度范圍內(nèi)，主要土層分布及其物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

2　無(wú)支護(hù)基坑邊坡穩(wěn)定性分析

《高層建筑巖土工程勘察規(guī)程》（JGJ72—2004）規(guī)定，基坑安全等級(jí)為二級(jí)時(shí)，其重要性系數(shù)取1.0，安全系數(shù)取1.3。建筑場(chǎng)地周圍雖然不存在既有建筑物，但限于施工場(chǎng)地、施工臨時(shí)道路和廠區(qū)鐵路正常運(yùn)行要求，基坑北側(cè)不能放坡開挖。參考有關(guān)規(guī)范和文獻(xiàn)［4-6，9-11］，數(shù)值分析時(shí)將列車荷載折算成靜力荷載，地面超載可取30kN/m，邊坡坡角設(shè)計(jì)為80°。所建立的VisualSlope6.0力學(xué)計(jì)算模型見圖1。

采用Bishop法即圓弧滑動(dòng)條分法時(shí)，邊坡整體穩(wěn)定性安全系數(shù)Fs計(jì)算公式為

式中：n，m分別為滑動(dòng)體條分?jǐn)?shù)和滑動(dòng)體內(nèi)土釘排數(shù)；Wi，Pi分別為土條i的自重和坡頂超載；αi為土條i的圓弧破裂面中點(diǎn)的切線與水平面的夾角；bi為土條i的寬度；cj，φj分別為土條i圓弧破裂面所在第j層土的黏聚力與內(nèi)摩擦角；Tk為第k排土釘提供的拉力，Tk=πDLaτ（D為第k排土釘注漿后直徑；La為第k排土釘有效長(zhǎng)度；τ為第k排土釘與土體間的界面粘結(jié)強(qiáng)度）；Sxk為第k排土釘?shù)乃介g距；βk為第k排土釘軸線與破壞面切線之間的夾角，βk=θ+αi（其中θ為土釘下傾角）。

利用VisualSlope6.0分析邊坡穩(wěn)定性時(shí)，首先在下拉菜單中選擇“Bishop法”；然后用鼠標(biāo)選取或鍵盤輸入指定圓弧滑動(dòng)面起始的可能范圍，可與地面超載施加范圍相同。當(dāng)最大破壞面數(shù)定義為500時(shí)，分析該土質(zhì)高邊坡穩(wěn)定性，得到未支護(hù)邊坡的危險(xiǎn)滑動(dòng)破壞面，見圖2。

深基坑不采取支護(hù)措施時(shí)，邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見表2。

綜上，特洛細(xì)胞存在于ApoE-/-小鼠的心臟、肝臟和腎臟內(nèi)，在特定的區(qū)域內(nèi)形成明顯的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，且因不同的組織結(jié)構(gòu)表達(dá)不同的生物免疫學(xué)指標(biāo)。由于本研究重點(diǎn)在于應(yīng)用不同的免疫組織化學(xué)方法對(duì)特洛細(xì)胞進(jìn)行研究，因生物標(biāo)記物的不全面而難以全面地推測(cè)特洛細(xì)胞可能存在的功能，在接下來(lái)的研究中，需要增加免疫熒光、蛋白組學(xué)和光學(xué)透視電鏡，甚至基因測(cè)序等不同實(shí)驗(yàn)方法綜合性地對(duì)特洛細(xì)胞進(jìn)行研究，明確其在特殊實(shí)驗(yàn)動(dòng)物體內(nèi)真正的調(diào)節(jié)功能。

由表2可知：若基坑不支護(hù)，邊坡整體穩(wěn)定性安全系數(shù)的最小值Fs，min=0.58；尤其是第4滑動(dòng)面，其邊坡整體穩(wěn)定性安全系數(shù)Fs為0.61時(shí)，水平滑動(dòng)力高達(dá)739kN/m?？梢?，基坑開挖后形成的土質(zhì)高邊坡極不穩(wěn)定，對(duì)基坑內(nèi)工程的安全生產(chǎn)構(gòu)成極大威脅，必須進(jìn)行合理支護(hù)設(shè)計(jì)。

表1　主要土層物理力學(xué)指標(biāo)

圖1　力學(xué)計(jì)算模型

圖2　邊坡滑動(dòng)面示意

表2　未支護(hù)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

3　土釘支護(hù)邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析

土釘支護(hù)一般適用于安全等級(jí)為二、三級(jí)的基坑［4-6］，深基坑土釘支護(hù)技術(shù)在南方應(yīng)用較多，晉北地區(qū)少有報(bào)道?？紤]到該基坑平面尺寸較大、深度較深，地下水位普遍較低，在填土、粉土、砂土等土層中普通鉆機(jī)即可成孔等因素，經(jīng)對(duì)可實(shí)施的地下連續(xù)墻、護(hù)坡樁+錨桿支護(hù)、水泥土墻、小放坡土釘支護(hù)等多種基坑支護(hù)方案的分析比較，拋棄了土釘支護(hù)只適用于本地區(qū)低邊坡支護(hù)的傳統(tǒng)理念，決定采用具有施工方便、工程造價(jià)低、對(duì)周圍環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)的小放坡土釘支護(hù)技術(shù)，在整個(gè)地下工程施工期間對(duì)該深基坑邊坡進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)。

基坑開挖后，如果采用土釘掛鋼筋網(wǎng)噴射混凝土的支護(hù)形式，土釘長(zhǎng)度、土釘直徑、土釘間距等支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)應(yīng)依據(jù)土層物理力學(xué)性能、基坑開挖深度與分層開挖高度、支護(hù)材料力學(xué)參數(shù)及安全性要求，應(yīng)用可視化計(jì)算軟件VisualSlope6.0經(jīng)詳細(xì)計(jì)算后確定。土釘入射角、鉆孔直徑可參照以往工程經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)文獻(xiàn)［12-13］進(jìn)行選取。若選用Ⅱ級(jí)螺紋鋼筋作為土釘，取其鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值310MPa，作為土釘抗拉強(qiáng)度。巖土工程設(shè)計(jì)的原則是必須保證工程的適用性、安全性、耐久性和經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)這個(gè)原則進(jìn)行多種方案的比較分析，從而最終確定最佳的設(shè)計(jì)方案。綜合已有資料，初步提出6種數(shù)值模擬計(jì)算方案，見表3。

表3　數(shù)值模擬計(jì)算方案

數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果表明：方案1，第3排土釘拉力為122kN，超過(guò)鋼筋的破斷力117kN，即土釘有被拉斷的可能，顯然該土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)不安全；方案2，邊坡整體穩(wěn)定性安全系數(shù)最小值Fs，min=2.15＞1.30，邊坡整體相當(dāng)穩(wěn)定，但材料浪費(fèi)較為嚴(yán)重，經(jīng)濟(jì)性不好；方案3，第3排、第4排土釘出現(xiàn)滑移現(xiàn)象，即土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)失效；方案4，F(xiàn)s，min=1.68仍明顯＞1.30，但材料仍偏向于浪費(fèi)；方案5，邊坡穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)性能優(yōu)良；方案6，F(xiàn)s，min=1.28＜1.30，即邊坡整體偏于不穩(wěn)定。對(duì)比方案1～方案6可見，土釘直徑和土釘長(zhǎng)度的增加可明顯提高邊坡穩(wěn)定性。若施工設(shè)備和經(jīng)濟(jì)條件允許時(shí)，應(yīng)在保持一定的土釘密度基礎(chǔ)上，適當(dāng)增加土釘?shù)闹睆胶烷L(zhǎng)度，以便有效提高基坑穩(wěn)定性。

從上述分析來(lái)看，方案5在滿足安全性的同時(shí)，經(jīng)濟(jì)性能也較好。此外，為滿足土釘邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)“保住中間、穩(wěn)定坡腳”的基本要求，還應(yīng)適當(dāng)調(diào)整土釘長(zhǎng)度。當(dāng)?shù)?～7排土釘?shù)拈L(zhǎng)度L分別為16，14，12，11，10，9，8m時(shí)，土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)受力及前6個(gè)最危險(xiǎn)滑動(dòng)面見圖3。

由圖3可知，土釘支護(hù)后Fs，min=1.41，所有Fs＞1.30；滿足了該土質(zhì)高邊坡的穩(wěn)定性要求。同時(shí)，土釘長(zhǎng)度方向上受力為6.0～102.0kN，土釘所受拉應(yīng)力為12.2～268.5MPa，均小于其抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（310MPa），滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。對(duì)比圖2與圖3還可以發(fā)現(xiàn)，設(shè)置的土釘從宏觀上提高了被加固土體強(qiáng)度，使得最危險(xiǎn)滑裂面向土釘末端方向移動(dòng)，增加了土體滑動(dòng)面積，從而有效利用了土體自身抗滑能力。

圖3　土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)受力及前6個(gè)最危險(xiǎn)滑動(dòng)面示意

4　土釘支護(hù)設(shè)計(jì)與施工

經(jīng)優(yōu)化計(jì)算，最終確定的土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)為：鉆孔直徑100mm，采用水灰比1∶0.50純水泥漿錨固；豎向設(shè)置7排土釘，豎向間距1500mm，水平間距1500mm；坡頂3排鋼筋直徑25mm，坡底4排鋼筋直徑22mm（見圖4（a））。為加強(qiáng)噴射混凝土面層強(qiáng)度，使面層受力均勻，坡面掛φ6@200mm×200mm鋼筋網(wǎng)，并噴射厚200mm的C20細(xì)石混凝土進(jìn)行護(hù)面。為了釋放網(wǎng)噴混凝土面層內(nèi)的溫度應(yīng)力，每隔30m設(shè)置1道瀝青木板伸縮縫（見圖4（b））。為確保土釘與面層有效連接，即土釘支護(hù)與坡面節(jié)點(diǎn)處傳力均勻，應(yīng)對(duì)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)（見圖4（c））。

按照上述方法優(yōu)化后的土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行施工，基坑土釘支護(hù)效果見圖5。

圖4　土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)

5　基坑變形監(jiān)測(cè)與分析

5.1側(cè)向位移

基坑開挖深度11m，依據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ120—1999）［4］顯然屬于深基坑。為確保邊坡安全應(yīng)采用信息化施工技術(shù)，施工全過(guò)程監(jiān)測(cè)基坑周邊在整個(gè)深度上的側(cè)向位移，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，采取應(yīng)對(duì)措施，保證基坑安全和工程的順利進(jìn)行。按照國(guó)家二等水準(zhǔn)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施外業(yè)觀測(cè)，選取基坑中部約60m處的典型土體測(cè)斜結(jié)果，得到不同時(shí)間土釘支護(hù)剖面?zhèn)认蛭灰齐S基坑深度的變化曲線，見圖6。

圖6　基坑側(cè)向位移隨深度變化曲線

從圖6可以看出：隨著開挖深度的不斷加大，土體側(cè)向位移整體上呈現(xiàn)上大下小的特征，上層較大、下層較小，最大位移值為23mm；基坑開挖完成后土體位移增加量為3～6mm，最終逐漸趨于穩(wěn)定；地下水位低、有一定黏性的砂土和硬黏土的晉北地區(qū)基坑的側(cè)向位移增長(zhǎng)最快的部位出現(xiàn)在基坑上部約1/4處和下部約1/4處，呈現(xiàn)類似S形曲線，與地下水位埋藏淺、塑性程度較高、水平位移隨深度呈拋物線形的軟土類基坑［14-15］相比，有很大不同。

5.2地表沉降

基坑周邊地表沉降的觀測(cè)結(jié)果見表4。

表4　基坑周邊地表沉降觀測(cè)結(jié)果

從表4來(lái)看，基坑沉降普遍較小，其值界于4～13mm。可見基坑開挖和臨近運(yùn)營(yíng)鐵路荷載會(huì)增加地表沉降量，但沉降并不顯著，在規(guī)范允許范圍之內(nèi)，不會(huì)對(duì)周圍道路、管線及廠區(qū)鐵路路基造成較大影響。因此，選用的土釘支護(hù)方案可以明顯改善土質(zhì)高邊坡的側(cè)向變形，有效控制該深基坑的側(cè)向位移，保證基坑開挖和地下工程施工期間的安全。鐵路路基范圍內(nèi)的土體變形也控制在合理范圍之內(nèi)。

6　結(jié)語(yǔ)

本工程基坑開挖深度高達(dá)11m左右，基坑面積大，周邊環(huán)境較為復(fù)雜，廠區(qū)鐵路的正常運(yùn)行對(duì)變形要求較高。考慮巖土工程地質(zhì)條件，經(jīng)VisualSlope6.0數(shù)值分析結(jié)果優(yōu)化后的土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)有效控制了基坑變形，取得了良好效果，可為晉北地區(qū)深基坑支護(hù)提供借鑒。

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AbstractT aking the deep foundation pit engineering of one 31 storey commerce-residence building near the railway in Jinbei region as the research subject，the internal force and deformation of the soil nailing support were analyzed by using Visual Slope 6.0，numerical simulation of 6 kinds of soil nailing support design schemes for foundation pit was made，and design parameters of soil nailing support were optimized.T he numerical analysis results showed that the spacing，diameter and length of the soil nailing have a great effect on the safety factor of foundation pit，the diameter and length of soil nailing should be increased properly in order to improve the soil nailing support structure safety based on maintaining a certain density of the soil nailing if construction equipment conditions and economic conditions are permitted.Practice has proved that the soil nailing support technology could be applied to engineering geological conditions of Jinbei region.

KeywordsRailway；Deep foundation pit；Soil nailing support；Design parameter；Visual Slope 6.0

（責(zé)任審編葛全紅）

Application of Soil Nail Supporting in Deep Foundation Pit near Railway

GAO Feng1，2
（1.Coal Engineering School，Shanxi Datong University，Datong Shanxi 037003，China；2.School of Civil Engineering＆Architecture，Wuhan University of Technology，Wuhan Hubei 430070，China）

TU753.1

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.04.23

1003-1995（2016）04-0087-05

2015-10-20；

2016-01-25

山西省軟科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目（2014041068-4）；大同市基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目（201369）

高峰（1977—），男，副教授，博士。