基坑支護(hù)土釘墻與微型樁復(fù)合支護(hù)的構(gòu)成及其技術(shù)關(guān)鍵

譚宗輝

(湖南建材地質(zhì)工程勘察院有限公司,株洲 412000)

在眾多的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)形式中,土釘墻與微型樁相結(jié)合的復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)具備獨(dú)特的技術(shù)特征和技術(shù)特點(diǎn)。論文梳理總結(jié)基坑支護(hù)工程中土釘墻與微型樁復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的組成,并圍繞有關(guān)原理開(kāi)展基于土釘墻和微型樁復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力模型分析。這對(duì)于指導(dǎo)土釘墻與微型樁復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)踐應(yīng)用而言具有一定的積極意義。

1 基坑支護(hù)工程土釘墻與微型樁復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的組成

基坑支護(hù)工程中土釘墻與微型樁復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)主要包含土釘、面層、微型樁三個(gè)部分[1]。通過(guò)圖1可以看出,土釘墻與微型樁的復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)充分利用了基坑四周土體的自承能力,首先借助微型樁增強(qiáng)基坑臨空邊界地帶的穩(wěn)定性,利用土釘增強(qiáng)微型樁對(duì)于土體的抵抗能力,通過(guò)噴射混凝土面層、混凝土護(hù)頂增強(qiáng)整個(gè)復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

1.1 土釘?shù)募夹g(shù)特征

在土釘與微型樁復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)中,土釘?shù)牟馁|(zhì)、設(shè)置長(zhǎng)度、布置間距、土釘在土體內(nèi)的摩擦傾角等均是關(guān)乎其支護(hù)效能的重要技術(shù)特征[2]。常見(jiàn)土體的土釘技術(shù)特征值如表1所示。

表1 常見(jiàn)土體的土釘技術(shù)特征值

1.2 混凝土面層的技術(shù)特征

在我國(guó)大多數(shù)工程項(xiàng)目中,常用的面層施工厚度為100 mm、混凝土標(biāo)號(hào)常為C20商品混凝土或C25商品混凝土。面層鋼筋網(wǎng)片多為HRB400型鋼筋。若使用的鋼筋直徑為6.5 mm,那么鋼筋的橫向和縱向布置間距多為150 mm;若使用的鋼筋直徑為8 mm,那么鋼筋的橫向和縱向布置間距多為200 mm[3]。

1.3 微型樁的技術(shù)特征

所謂微型樁主要指的是直徑較小的鉆掘樁,這種小口徑鉆掘樁的直徑長(zhǎng)度一般在100～300 mm之間。樁體的構(gòu)成材料主要為“鋼筋加水泥砂漿”或“鋼筋加細(xì)石混凝土”。此外,也會(huì)有工程項(xiàng)目根據(jù)具體的支護(hù)需求使用密排木樁或竹樁作為微型樁。

2 土釘墻與微型樁復(fù)合支護(hù)的穩(wěn)定性原理及其技術(shù)關(guān)鍵

土釘墻與微型樁復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性原理及其技術(shù)關(guān)鍵主要包含以下兩個(gè)部分:1)土釘對(duì)于土體的補(bǔ)強(qiáng)作用原理及其技術(shù)關(guān)鍵,2)微型樁的支護(hù)原理及其技術(shù)關(guān)鍵。

2.1 土釘對(duì)于土體的補(bǔ)強(qiáng)作用原理以及技術(shù)關(guān)鍵

根據(jù)土體的準(zhǔn)粘聚力有關(guān)理論,當(dāng)土釘被植入需要被加固的土體之后,土體相對(duì)于土釘會(huì)產(chǎn)生一定的橫向位移,土釘對(duì)于其周邊鄰近的土體也會(huì)產(chǎn)生一定的變形抑制作用。因此在土釘與需要被加固的土體之間就會(huì)產(chǎn)生一定的摩擦阻力,從而引起被加固土體受到的主應(yīng)力方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)變化,亦使得土釘與其周邊鄰近土體之間達(dá)到一種新的力學(xué)平衡狀態(tài)。在這種新的力學(xué)平衡狀態(tài)下,植入土釘后的被加固土體的最大主應(yīng)力值、最小主應(yīng)力值等均得到了明顯的提升,由此體現(xiàn)了土釘對(duì)于土體的補(bǔ)強(qiáng)作用[4]。由于土釘對(duì)于被加固土體的補(bǔ)強(qiáng)作用是借助摩擦阻力而實(shí)現(xiàn)的,因此確定土釘在土體內(nèi)的最佳摩擦傾角,便成為了施工階段土釘布設(shè)施工方案的技術(shù)關(guān)鍵。

2.2 微型樁的支護(hù)原理及其技術(shù)關(guān)鍵

關(guān)于微型樁的支護(hù)原理及其技術(shù)關(guān)鍵,需要從改善原土體的初始應(yīng)力場(chǎng)、減少挖掘階段土體次生應(yīng)力變化、降低基坑邊坡位移量保障基坑穩(wěn)定性三個(gè)角度進(jìn)行說(shuō)明。

1)改善原土體的初始應(yīng)力場(chǎng) 利用“鋼筋加水泥砂漿”微型樁或“鋼筋加細(xì)石混凝土”微型樁與基坑原始土體間的性能差異,在基坑開(kāi)挖之前便沿著基坑四周的外邊線將微型樁植入土體之內(nèi),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于樁體周?chē)欢▍^(qū)域內(nèi)土體的變形抑制約束,由此實(shí)現(xiàn)對(duì)于基坑四周部分土體初始應(yīng)力場(chǎng)的改善提升,尤其是對(duì)于改善微型樁支護(hù)前的基坑裸坡自承能力,效果明顯[5]。雖然基坑土體挖掘前植入微型樁能明顯改善土體初始應(yīng)力場(chǎng),但是每?jī)筛⑿蜆吨g的布置間距應(yīng)該如何設(shè)置是微型樁施工方案的技術(shù)關(guān)鍵之一。

2)減少挖掘階段土體次生應(yīng)力變化 基坑土體在挖掘期間,隨著基坑挖掘深度的逐漸增加,土體的次生應(yīng)力也會(huì)產(chǎn)生一定的變化[6]。因?yàn)槲⑿蜆赌軌蚶米陨淼膹?qiáng)度和基坑施工區(qū)域原始土體之間的強(qiáng)度差異增強(qiáng)原始土體的整體剛度,達(dá)到減少基坑瞬時(shí)挖掘階段次生應(yīng)力變化差異值的功效,因此具備一定的支護(hù)加固效果。故而確定鋼筋的最佳規(guī)格、型號(hào)、數(shù)量以及確定水泥砂漿或細(xì)石混凝土的強(qiáng)度標(biāo)號(hào)也是微型樁施工方案的技術(shù)關(guān)鍵之一。

3)降低基坑邊坡位移量保障基坑穩(wěn)定性 通過(guò)改善基坑施工區(qū)域范圍內(nèi)原土體的初始應(yīng)力場(chǎng),減少基坑施工區(qū)域范圍內(nèi)土體的次生應(yīng)力差異變化,其最直接的成效表現(xiàn)就是降低基坑邊坡的橫向位移量和豎向位移量。一旦基坑邊坡的橫向位移或豎向位移超出了安全控制范圍,就可能導(dǎo)致基坑施工質(zhì)量安全事故的發(fā)生。因此,在采取土釘墻與微型樁復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行基坑施工支護(hù)期間,監(jiān)測(cè)基坑邊坡的位移量便成為保障施工質(zhì)量和安全的技術(shù)關(guān)鍵之一。

3 基坑支護(hù)工程土釘墻與微型樁復(fù)合支護(hù)穩(wěn)定性驗(yàn)證原理

在確定了上述施工技術(shù)關(guān)鍵內(nèi)容之后,應(yīng)從復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部穩(wěn)定性、復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)外部穩(wěn)定性這兩個(gè)層面計(jì)算驗(yàn)證土釘墻與微型樁復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3.1 復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部穩(wěn)定性的驗(yàn)證

使用土釘墻與微型樁復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)開(kāi)展基坑支護(hù)的過(guò)程中,需要確定整個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的抗拉斷裂極限狀態(tài),以此作為測(cè)量監(jiān)控支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部穩(wěn)定性和安全性的依據(jù)。在基坑進(jìn)行挖掘施工的過(guò)程中,復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)體系在面層土體的作用力影響下,將形成一定的抗拉應(yīng)力,在此種情況下,需要確保復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)中土釘加筋桿的直徑db滿(mǎn)足如式(1)、式(2)所示的抗拉強(qiáng)度要求。

(1)

Ei=Pi×Sx×Sy

(2)

式中,Ei為整個(gè)復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)體系中第i根土釘所屬支承范圍內(nèi)的面層土體壓力,MPa;db為整個(gè)復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)體系中土釘加筋桿的直徑,mm;fk為整個(gè)復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)體系中加筋桿抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值;Pi為整個(gè)復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)體系中第i根土釘所屬支承范圍內(nèi)的面層土壓力分布強(qiáng)度,MPa;Sx為整個(gè)復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)體系中第i根土釘所屬支承范圍內(nèi)的面層土體在x方向上的長(zhǎng)度,m;Sy為整個(gè)復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)體系中第i根土釘所屬支承范圍內(nèi)的面層土體在y方向上的長(zhǎng)度,m。此外,在整個(gè)復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)體系中,第i根土釘所屬支承范圍內(nèi)的面層土壓力分布強(qiáng)度Pi的計(jì)算式見(jiàn)式(3)和圖2。

Pi=me×K×γ×hi

(3)

在式(3)和圖2中,hi為土體的壓力作用點(diǎn)到基坑坡頂?shù)木嚯x;當(dāng)hi≤H/2時(shí)、hi按照其實(shí)際距離進(jìn)行取值,當(dāng)hi≥H/2時(shí)、hi按照0.5H進(jìn)行取值;H為基坑土坡的垂直高度,m;γ為基坑施工范圍內(nèi)土體的重度;me為整個(gè)復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)體系中土釘?shù)墓ぷ鳁l件系數(shù),當(dāng)土釘工作期限為2年時(shí),其工作條件系數(shù)me的取值一般為1.10,當(dāng)土釘工作期限為2年以上時(shí),其工作條件系數(shù)me的取值一般為1.20;K為復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)支承范圍內(nèi)土體的壓力系數(shù)。

3.2 復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)外部穩(wěn)定性的驗(yàn)證

在對(duì)土釘墻與微型樁組成的復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)開(kāi)展外部穩(wěn)定性計(jì)算驗(yàn)證的時(shí)候,可將整個(gè)復(fù)合結(jié)構(gòu)支承體系看作是重力式擋土墻進(jìn)行考慮,在此情況下,根據(jù)式(4)進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算。

(4)

式中,KK為復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的滑動(dòng)安全系數(shù);G為單位長(zhǎng)度復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的重力,kN/m;Ex為復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)體系中,作用于單位長(zhǎng)度復(fù)合結(jié)構(gòu)支護(hù)體系的主動(dòng)土壓力在水平方向的分力,kN/m;Ey為復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)體系中,作用于單位長(zhǎng)度復(fù)合結(jié)構(gòu)支護(hù)體系的主動(dòng)土壓力在垂直方向的分力,kN/m;μ為土體對(duì)于單位長(zhǎng)度復(fù)合結(jié)構(gòu)支護(hù)體系底部的摩擦系數(shù),該系數(shù)可按照表2進(jìn)行選取。

表2 摩擦系數(shù)取值表

4 基坑支護(hù)工程土釘墻與微型樁復(fù)合支護(hù)案例分析

在充分掌握了基坑支護(hù)工程中土釘墻與微型樁復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的組成、土釘墻與微型樁復(fù)合支護(hù)的穩(wěn)定性原理及其技術(shù)關(guān)鍵、土釘墻與微型樁復(fù)合支護(hù)穩(wěn)定性驗(yàn)證原理之后,依據(jù)某工程項(xiàng)目開(kāi)展案例分析,從而為該種復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)踐應(yīng)用提供參考。

4.1 案例工程項(xiàng)目概況

位于我國(guó)中南地區(qū)的某建設(shè)工程項(xiàng)目,基坑深度10 m,基坑施工區(qū)域范圍的長(zhǎng)度為60 m、寬度為42 m,屬于大型深基坑施工。該項(xiàng)目的施工技術(shù)人員擬采用土釘墻與微型樁相結(jié)合的復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)基坑的挖掘施工進(jìn)行加固保護(hù)。此外,經(jīng)試驗(yàn)測(cè)定,案例工程項(xiàng)目基坑施工區(qū)域范圍內(nèi)的土體為堅(jiān)硬性粉質(zhì)土體,其土體對(duì)于土釘墻與微型樁復(fù)合結(jié)構(gòu)支護(hù)體系底部的摩擦系數(shù)μ=0.45。

4.2 案例工程復(fù)合結(jié)構(gòu)技術(shù)方案

為了使得案例項(xiàng)目在基坑挖掘期間,能夠獲得可靠的質(zhì)量和安全保障,施工技術(shù)人員根據(jù)過(guò)往的基坑支護(hù)經(jīng)驗(yàn),將土釘墻與微型樁復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的技術(shù)方案設(shè)置如下:1)由于基坑施工區(qū)域土體為堅(jiān)硬粉質(zhì)土體,故而將土釘?shù)拈L(zhǎng)度設(shè)定為18 m、土釘?shù)牟贾瞄g距設(shè)定為1 m,土釘在土體內(nèi)的摩擦傾角設(shè)定為20°,土釘?shù)闹谱鞑牧蠟?根直徑為16 mm的HRB400型鋼筋加標(biāo)號(hào)為M7.5的水泥砂漿;2)微型樁的孔徑設(shè)定為200 mm,每2根微型樁孔徑圓心之間的間距設(shè)定為200 mm,微型樁的制作材料為4根直徑為22 mm的HRB400型鋼筋加標(biāo)號(hào)為C25的細(xì)石混凝土;3)支護(hù)結(jié)構(gòu)的面層混凝土采用鋼筋混凝土的形式,面層橫向、縱向鋼筋均為直徑12 mm的HRB400型鋼筋,橫向、縱向鋼筋的布設(shè)間距為150 mm,面層混凝土采用C20細(xì)石混凝土,面層混凝土厚度控制在20 mm。

4.3 案例工程的模型分析驗(yàn)算結(jié)果

利用有限元建模軟件,根據(jù)案例工程項(xiàng)目的特征,以及4.2節(jié)所示內(nèi)容建立模型,同時(shí)在軟件中錄入式(1)～式(4),開(kāi)展有關(guān)案例項(xiàng)目復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的驗(yàn)證測(cè)算。得到的測(cè)算結(jié)果表明,依照4.2節(jié)的施工技術(shù)方案開(kāi)展案例項(xiàng)目的基坑支護(hù),能夠滿(mǎn)足土釘加筋桿抗拉強(qiáng)度≥1.5,滑動(dòng)穩(wěn)定性系數(shù)≥1.3的安裝保障條件。隨后,案例項(xiàng)目的施工人員根據(jù)4.2節(jié)所示的技術(shù)方案對(duì)案例項(xiàng)目進(jìn)行土釘墻與微型樁相結(jié)合的復(fù)合結(jié)構(gòu)支護(hù),取得了良好的支護(hù)效果,保障了基坑施工期間的安全。

5 結(jié) 語(yǔ)

土釘墻與微型樁相結(jié)合的復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)具備許多獨(dú)特的技術(shù)特征,在實(shí)踐運(yùn)用該種支護(hù)結(jié)構(gòu)之前,需要充分掌握該種復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的組成形式,明確有關(guān)施工技術(shù)方案的關(guān)鍵內(nèi)容。同時(shí),對(duì)該種復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的內(nèi)部穩(wěn)定性驗(yàn)算和外部穩(wěn)定性驗(yàn)算要了然于胸,才能有效保障該種復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)形式的安全運(yùn)用。論文借助某案例工程項(xiàng)目開(kāi)展模型驗(yàn)算分析和實(shí)踐應(yīng)用結(jié)果闡釋,為基坑施工階段土釘墻和微型樁這類(lèi)復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的技術(shù)運(yùn)用提供參考。