深基坑土釘支護(hù)實(shí)例與分析

楊 彥

（山東省冶金設(shè)計(jì)院股份有限公司，山東 濟(jì)南250101）

1 前言

深基坑支護(hù)是基礎(chǔ)工程和地下工程施工的一個(gè)傳統(tǒng)課題，同時(shí)又是綜合性的難題，土釘支護(hù)在其中占有重要的地位。土釘支護(hù)有效地調(diào)用了土體自身的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，成為解決復(fù)雜巖土問題的經(jīng)濟(jì)有效的方法之一。以濟(jì)南市市中區(qū)某三角地小區(qū)為例，從深基坑支護(hù)中土釘支護(hù)的作用原理、特點(diǎn)、應(yīng)用范圍入手，給出了土釘支護(hù)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。通過對(duì)該小區(qū)7.7～9.1 m深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)的方案和監(jiān)測(cè)方案的闡述和分析總結(jié)，做出了對(duì)實(shí)際設(shè)計(jì)有價(jià)值的設(shè)計(jì)建議和應(yīng)用前景的分析預(yù)測(cè)。

2 土釘支護(hù)設(shè)計(jì)

2.1 土釘支護(hù)的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍

1）復(fù)合土釘體提高了邊坡整體穩(wěn)定和承受坡頂超載能力，增強(qiáng)了土體的破壞延性；施工采用邊開挖邊支護(hù)和分層分段開挖，提高了施工安全性。

2）支護(hù)結(jié)構(gòu)輕巧，柔性大，有良好的延性和抗震性。

3）施工機(jī)具簡(jiǎn)單，易于操作和推廣；施工不單獨(dú)占用場(chǎng)地。

4）可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，及時(shí)調(diào)整土釘長(zhǎng)度和間距，提高了施工和后期的安全可靠性。

5）經(jīng)濟(jì)效益好，造價(jià)低廉，可以節(jié)約投資30%～50%。

6）土釘由低強(qiáng)度鋼材制作，防腐性能好。

7）基坑位移變形小，對(duì)場(chǎng)地周圍環(huán)境影響較??；對(duì)場(chǎng)地土層的適應(yīng)性較強(qiáng)；個(gè)別土釘出現(xiàn)問題或失效對(duì)整個(gè)支護(hù)體系的影響不大。

8）土釘支護(hù)適用于有一定黏性的砂土、黏性土、粉土、黃土、雜填土及弱膠結(jié)的砂土邊坡；如果場(chǎng)地同時(shí)存在砂土、黏土和不同風(fēng)化程度的巖體，采用土釘支護(hù)會(huì)更加有利。

9）在施工場(chǎng)地狹小、放坡困難、有相鄰低層建筑或堆放材料、大型護(hù)坡施工設(shè)備不能進(jìn)場(chǎng)的情況時(shí)，土釘支護(hù)顯示出獨(dú)特的優(yōu)越性。

10）土釘支護(hù)的深度一般不超過12 m；場(chǎng)地土層特別好時(shí),可以放寬到14～16 m。當(dāng)基坑周圍有重要建筑物時(shí)，在距離基坑一倍的坑深范圍內(nèi)，或?qū)幼冃斡袊?yán)格要求時(shí)，不宜采用土釘支護(hù)。

2.2 土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)作用原理

由土釘自身的強(qiáng)度、剛度和其在土體內(nèi)高密度的空間分布形成的復(fù)合土體的骨架，有約束土體變形的作用。在復(fù)合土體內(nèi)，土釘與土體共同承擔(dān)外荷載和自重；由于土釘有很高抗拉、抗剪強(qiáng)度和遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于土體的抗彎剛度，所以在土體在進(jìn)入塑性狀態(tài)后，應(yīng)力逐漸向土釘轉(zhuǎn)移。當(dāng)土體開裂時(shí)，土釘?shù)姆謸?dān)作用更突出，這時(shí)土釘內(nèi)出現(xiàn)了彎剪、拉剪等復(fù)合應(yīng)力，從而使土釘體中漿結(jié)體碎裂、鋼筋屈服。土釘?shù)纳鲜鲎饔檬沟脧?fù)合土體在超載作用下表現(xiàn)出塑性變形延遲、漸進(jìn)式開裂的特征。同時(shí)，土釘體可以把滑裂區(qū)域內(nèi)部分應(yīng)力傳遞到后邊穩(wěn)定土體中，并分散到較大范圍的土體內(nèi)，降低復(fù)合土體中的應(yīng)力集中程度，從而推遲了滑裂域的形成與發(fā)展。

噴射混凝土面板起到約束變形作用，面板約束力取決于土釘體表面與土的摩阻力以及與土釘?shù)倪B接程度，當(dāng)復(fù)合土體開裂區(qū)域擴(kuò)大并連成片時(shí)，摩阻力由開裂區(qū)域后的穩(wěn)定復(fù)合土體提供。這種復(fù)合體彌補(bǔ)了土體自身強(qiáng)度的不足，充分調(diào)動(dòng)了土體自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度潛力，改變了邊坡變形和破壞形態(tài)，增強(qiáng)了土體的自身穩(wěn)定性，屬于主動(dòng)制約機(jī)制的支擋結(jié)構(gòu)體系。

2.3 土釘支護(hù)設(shè)計(jì)內(nèi)容

1）確定土釘支護(hù)參數(shù)：根據(jù)邊坡高度、土質(zhì)條件、工程性質(zhì)等初步確定土釘支護(hù)的結(jié)構(gòu)尺寸、土釘類型、布置方式、布置間距、分段開挖高度等。

2）確定土釘?shù)膮?shù)：根據(jù)土壓力分布、現(xiàn)場(chǎng)拉拔試驗(yàn)結(jié)果或者土的抗剪強(qiáng)度，參考經(jīng)驗(yàn)，確定土釘直徑和長(zhǎng)度。

3）外部和內(nèi)部穩(wěn)定性計(jì)算：從外部來看，土釘支護(hù)需要足夠承受其后部土體的推理和上部傳來的荷載，類似擋土墻，因此需要考慮土釘支護(hù)的抗滑移穩(wěn)定性驗(yàn)算、抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算、土釘支護(hù)底部地基承載能力驗(yàn)算、深部滑動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算。從內(nèi)部來看，內(nèi)部穩(wěn)定破壞時(shí)土釘本身的強(qiáng)度破壞，包括不同開挖階段、不同位置處沿最危險(xiǎn)破裂面的滑動(dòng)破壞、土釘本身的強(qiáng)度破壞、拔出破壞和噴射混凝土面板的破壞等。因此，應(yīng)考慮施工過程中不同開挖階段的最危險(xiǎn)滑動(dòng)面驗(yàn)算、使用階段不同位置的最危險(xiǎn)滑動(dòng)面驗(yàn)算、土釘本身的強(qiáng)度與抗拔力驗(yàn)算、噴射混凝土面板強(qiáng)度和土釘與面板連接強(qiáng)度的驗(yàn)算。

4）修改參數(shù)：根據(jù)穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果，修改土釘支護(hù)和土釘參數(shù)，主要是土釘?shù)拈L(zhǎng)度和布置，然后再進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算，重復(fù)進(jìn)行直到得到合理結(jié)果。

5）施工圖設(shè)計(jì)及監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)：將施工過程信息化，把現(xiàn)場(chǎng)所得數(shù)據(jù)及時(shí)反饋給計(jì)算機(jī)，及時(shí)指導(dǎo)隨后的施工，并做好安全防護(hù)。

3 工程設(shè)計(jì)應(yīng)用實(shí)例

以下以濟(jì)南市市中區(qū)一三角地塊某小區(qū)基坑支護(hù)工程為例。

該小區(qū)地形東南高、西側(cè)和北側(cè)低，地面標(biāo)高74.85～68.83 m。項(xiàng)目主體為剪力墻結(jié)構(gòu)，人工挖孔樁基礎(chǔ)；15～26層，基底標(biāo)高為+65.30 m，基坑深7.7～9.1 m。場(chǎng)地原為沖溝，后期填埋10余a。在基槽邊坡進(jìn)行基坑支護(hù)設(shè)計(jì)之前，場(chǎng)地東南側(cè)已經(jīng)按1∶0.5坡率系數(shù)初步修坡完成?；幽蟼?cè)為1條次干道，距擬開挖基坑上口線10 m左右，其他邊坡場(chǎng)地開闊。場(chǎng)地北側(cè)緊靠1條季節(jié)性河流，勘察期間水面標(biāo)高65.86 m。在鉆探深度范圍內(nèi)，未見地下水；在基坑開挖后，也未見地下水。

該工程基坑主要有如下特點(diǎn)：1）基坑開挖范圍較大、無地下水。開挖邊線距用地邊線較遠(yuǎn)，基坑支護(hù)設(shè)計(jì)可以適當(dāng)放坡；挖深較深，相對(duì)自然地表下挖約7.7～9.1 m。2）填土較厚，根據(jù)勘察報(bào)告及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際開挖情況，東南側(cè)邊坡在開挖深度范圍內(nèi)存在大量填土，需要考慮可靠的施工手段。

基于場(chǎng)地周邊環(huán)境及工程地質(zhì)水文條件等因素,根據(jù)基坑工程有關(guān)技術(shù)規(guī)程規(guī)范，該工程兩個(gè)剖面（1-1剖面，位于基坑南側(cè)東段；2-2剖面，位于基坑南側(cè)西段）的基坑側(cè)壁安全等級(jí)均為二級(jí)，一個(gè)剖面（3-3剖面，位于基坑北側(cè)和東側(cè)北段）基坑側(cè)壁安全等級(jí)為三級(jí)。綜合考慮場(chǎng)地工程地質(zhì)、基坑周邊環(huán)境及基坑深度，結(jié)合周邊類似工程經(jīng)驗(yàn)，采用適當(dāng)卸載放坡、兼用土釘墻作為擋土支護(hù)的基坑支護(hù)，局部地段掛網(wǎng)噴混凝土放坡支護(hù)。監(jiān)測(cè)方案針對(duì)基坑坡頂水平、垂直位移予以監(jiān)測(cè)。

水泥采用P.O 42.5普通硅酸鹽水泥；噴射混凝土強(qiáng)度等級(jí)C20，厚度≮80 mm；注漿材料選用水灰比為0.5的水泥漿。

土釘桿體材料采用Ф20鋼管，鉆孔直徑110 mm。無成孔條件時(shí)采用Ф42（壁厚6 mm）的鋼管替代，自鉆式錨桿工藝施工。護(hù)面鋼筋網(wǎng)采用Ф6.5@250×250，外翻2.0 m。

在距離坡頂3.0 m和填土與基巖或黏性土界面處設(shè)置一排瀉水孔，水平間距3.0 m，孔深500 mm，外孔徑100 mm，插Ф75PVC管，外包兩層細(xì)眼濾網(wǎng)。局部雜填土或滲水較嚴(yán)重的部位加長(zhǎng)加密排水孔,水平和豎向間距≯1.5 m，長(zhǎng)度≮0.5 m。

3.1 基坑南側(cè)東段1-1剖面支護(hù)方案

基坑挖深約7.7 m～8.7 m，按1∶0.50放坡；距離坡頂2.0 m處設(shè)置一平臺(tái)，平臺(tái)寬度2.0 m。平臺(tái)以上，在邊坡內(nèi)水平和豎向間距均為1.5 m，插入長(zhǎng)度1.0 m的Ф20鋼筋。平臺(tái)以上設(shè)置一排長(zhǎng)度6.0 m@1.5 m的土釘；平臺(tái)以下設(shè)置四排土釘，長(zhǎng)度分別為9.0、9.0、9.0和6.0 m,水平間距1.5 m，垂直間距1.5 m;掛網(wǎng)噴射混凝土。

3.2 基坑南側(cè)西段2-2剖面支護(hù)方案

挖深約9.10 m，按1:0.50放坡，距離坡頂2.0 m處設(shè)置平臺(tái)，平臺(tái)寬度2.0 m。平臺(tái)以上，在邊坡內(nèi)水平和豎向間距均為1.5 m插入長(zhǎng)度1.0 m的Ф20鋼筋。平臺(tái)以上設(shè)置一排土釘（6.0 m@1.5 m）；平臺(tái)以下設(shè)置4排土釘，長(zhǎng)度分別為9.0 m、9.0 m、9.0 m和6.0 m，水平間距1.5 m，垂直間距1.5 m；掛網(wǎng)噴射混凝土。

3.3 基坑北側(cè)和東側(cè)北段3-3剖面支護(hù)方案

將上部厚約4.0 m的填土外運(yùn)后進(jìn)行放坡支護(hù)?；由?.0 m，按1∶1.0放坡，掛網(wǎng)噴射混凝土，水平和豎向間距均為2.0 m，布設(shè)固定鋼筋（長(zhǎng)度1.5 m，規(guī)格1Ф20）。

3.4 監(jiān)測(cè)變形統(tǒng)計(jì)

1）支護(hù)結(jié)構(gòu)坡頂水平和豎向位移監(jiān)測(cè)：在基坑周邊坡頂設(shè)了15個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，水平和豎向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)在坑頂按20～30 m水平間距設(shè)置。2）基坑周邊道路地表豎向位移監(jiān)測(cè)：在基坑南側(cè)的次干道上布設(shè)了7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。3）基坑變形

監(jiān)控預(yù)警值：當(dāng)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的變化速率達(dá)到表中規(guī)定值或連續(xù)3 d超過該值的70%時(shí)報(bào)警。監(jiān)測(cè)變形統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 監(jiān)測(cè)變形統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)語

該小區(qū)于2013年2月開工，2014年12月竣工，2015年正式投入使用。通過對(duì)施工過程22個(gè)月的施工擾動(dòng)持續(xù)檢測(cè)和建成后3 a多的使用監(jiān)測(cè)，變形值始終在合理的控制范圍內(nèi)，同時(shí)結(jié)合竣工結(jié)算的相關(guān)數(shù)據(jù)，證明此支護(hù)方案的合理性、有效性和經(jīng)濟(jì)性。

隨著我國(guó)基建熱點(diǎn)地區(qū)從東南沿海向中西部轉(zhuǎn)移，由于鹽漬土、濕陷性黃土、污染土等特殊性質(zhì)的巖土和巖溶等帶來的經(jīng)濟(jì)損失、工期損失等風(fēng)險(xiǎn)凸顯，這種情況下，土釘支護(hù)的應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，永久性工程將增多。土釘支護(hù)的無損檢測(cè)方法、永久性防腐技術(shù)、復(fù)合及組合支護(hù)、特殊和不良土質(zhì)中的研究及應(yīng)用，將是下一步土釘支護(hù)的方向和重點(diǎn)。