土釘墻和高壓旋噴樁在泛海·花園基坑中的應用

汪志鵬

(江西省贛西土木工程勘測設計院,江西 宜春 336000)

1 前 言

基坑支護設計與施工是我國城市基本建設工程的重要關鍵問題,隨著經濟的高速發展,高層建筑愈來愈多,由于受周邊環境的限制,比如毗鄰舊建筑或道路、地下管網等,如何科學地進行支護體系設計和施工,是高層建筑基礎施工必須首先解決的課題。本文結合“泛海·花園”工程的實際情況,較詳細地介紹了高層建筑深基礎擋土支護和防水體系的設計和施工。

2 工程概況

擬建的泛海·花園場地位于貴陽市南山區前海填海區,介于前海物流區、大南山生態公園和旅游度假公園之間,北臨月亮灣大道,南臨荔枝路。該工程包括地下室一層、2棟 18層及 1棟 21層高層住宅。現場分為兩個區域,區域Ⅰ(深基坑)基坑底標高為-0.65m,區域Ⅱ(淺基坑)基坑底標高為 1.40m;現場坪高為 5.15m,基坑支護高度分別為 5.80m和3.75m。本工程離周圍建筑物較近,土方開挖無法進行放坡護坡。根據土質情況,通過現場勘察和技術分析,綜合考慮經濟、技術、施工、條件與工期等因素,支護結構采用土釘墻噴錨支護。基坑底部位于第二層淤泥質粉質黏土上,局部有礫砂,為確保基坑的穩定性和防水性,要求對基坑進行加固和防水設計,防水帷幕采用高壓旋噴樁。

3 工程地質情況

3.1 巖土條件

根據本工程的地質工程勘察報告:地貌屬山前濱海地貌,經填海改造,但現場較為平坦,地面標高平均為 5.15m。基坑開挖深度范圍內土層分布大致為:①填石;②-1淤泥質粉質黏土;②-1礫砂;③砂質黏性土。

3.2 地下水

上部人工填石層含上層滯水,接受大氣降水和地表水的補給,一般水量不大;局部礫砂層含孔隙水,為強透水層,是主要含水層,厚度較大,水量較大;強風化巖及中風化巖裂隙較發育,但多被泥質充填,含少量裂隙水。穩定水位埋深 2.20～3.50m,平均2.89m。

4 支護方案設計

土釘墻是由天然土體通過土釘墻就地加固并與噴射混凝土面板相結合,形成一個類似重力擋墻來抵抗墻后的土壓力,從而保持開挖面的穩定,這個土擋墻稱為土釘墻。土釘墻是通過鉆孔、插筋、注漿來設置的,一般稱砂漿錨桿,也可以直接打入角鋼、粗鋼筋形成土釘,也稱為噴錨網擋墻。本工程采用土釘加固原位土體以維護基坑穩定,支護結構由土釘和鋼筋網噴射混凝土面板組成,局部與預應力錨桿結合,形成復合土釘墻;同時為確保基坑的穩定性和防水性,止水帷幕采用高壓旋噴樁對基坑進行加固和防水設計。基坑表面荷載由擋土結構承擔,擋土結構一般應考慮以下荷載:(1)自重;(2)施工階段的水、土壓力及鄰近建筑物基底壓力產生的土壓力;(3)地面堆載、車輛或機械等活載及其產生的土壓力;(4)其它荷載,包括通過支撐對土釘墻施加的預壓力以及在基坑附近進行的工程活動(如地層加固、開挖)對墻體產生的作用力等,必要時應考慮支撐溫度變化的影響。土釘墻通過握裹力和摩擦力把基坑表面荷載傳至基坑深部。

4.1 止水帷幕樁

對地層進行人工降水防止高水位,可采用旋噴樁。在旋噴樁正式施工之前,應選定典型地層,進行旋噴樁工藝和成樁效果試驗,成樁后 3天,開挖出樁體,成樁的直徑不得小于設計要求,否則應改進施工工藝。采用的高壓旋噴樁,樁徑1100mm,間距 900mm。樁頂標高自然地表下 -0.53m,有效樁長 15m,單樁彼此交割 100mm。噴素水泥漿,水灰比為 0.5左右。高壓旋噴樁水泥用量:在砂層及卵石層不小于 500kg/m,其余地層不小于 350kg/m。樁位偏差不宜大于 50mm,垂直度偏差不宜大于 1.0%。在砂層及卵石層采用復噴工藝:在第一次噴射注漿結束后對砂層及卵石層進行第二次噴射注漿。在填石層中施工旋噴樁,需要引孔后再施工。

4.2 土釘墻噴錨支護結構設計

基本參數如下:(1)基坑深度 3.750m;(2)基坑內地下水深度 4.000m;(3)基坑外地下水深度3.000m;(4)基坑側壁重要性系數 0.900;(5)土釘荷載分項系數 1.250;(6)土釘抗拉抗力分項系數1.300;(7)整體滑動分項系數 1.300。

土釘和土層參數見表1、2。

表1 土釘參數

表2 土層參數

土釘支護需要分層開挖,應該進行以下四個工況計算:

工況 1:基坑開挖至 1.1m;

工況 2:基坑開挖至 2.4m,完成一道土釘墻支護;

工況 3:基坑開挖至 3.7m,完成兩道土釘墻支護;

工況 4:基坑開挖至設計深度 3.75m,完成三道土釘墻支護,開始底板澆筑。

需要計算土釘抗拉能力標準值 Tjk和拉力設計值Tj。

土釘的抗拉作用具體計算為該土釘與破裂面交點處的土釘拉力。簡化后的破裂面與土釘相交處的土釘抗拉能力標準值 Tjk可計算如下:

式中 LB——土釘伸入破裂面外約束區內長度,m;

τf——土釘與土體間的抗剪強度標準值(一般由試驗資料確定,如果無試驗資料,可由該處土體抗剪強度換算),kN/m2。

每根土釘產生的拉力可假設為作用土釘所控制坡面面層上的側向土壓力。由于面層上的側向土壓力是隨著土釘設置深度的增大而增大,由此最底層的土釘上的拉力最大,其值可按下式計算:

式中 Tj——土釘的拉力設計值 ,kN;

hm——最底層土釘的深度,m;

Sx,Sy——土釘間的水平間距和垂直間距,m;

γ——土的容重 ,kN/m3;

β,φ——邊坡坡角和土的內摩擦角 ,(°)。

土釘抗拉設計計算結果見表3。

表3 土釘抗拉設計結果

計算完拉力后還需對土釘墻進行內部和外部穩定性分析。進行內部穩定分析是為保證土釘墻本身的穩定,常采用極限平衡分析法,找出臨界破壞面的位置并給出相應的安全系數。對于土釘原位加固土體,當土釘達到一定密度時所形成的復合體就會出現類似錨定板群錨現象中的破裂面后移現象,在土釘加固范圍內形成一個“土墻”,在內部自身穩定得到保證的情況下,采用重力式擋墻的穩定性分析方法對其進行外部穩定性分析。

4.3 土釘墻施工

(1)土釘采用 φ25鋼筋制作,土釘長度、間距不等,采用梅花形布置。土釘設計抗拔力為 100kN。土釘施工成孔困難時可采用壓漿型鋼花管土釘替代,桿體為 φ48δ3.0鋼花管。鋼花管土釘的設計抗拔力按照 8kN/m確定。

(2)土釘外露長度不小于 80mm。土釘頭部用2根加強鋼筋 φ16壓緊焊牢。網筋采用 φ6@200×200,加強筋 2φ16通長。

(3)土釘孔位和孔深允許偏差均為 50mm,成孔直徑 100mm;土釘注漿材料為純 P.O.32.5R普通硅酸鹽水泥漿,水灰比 0.5,水泥漿應隨拌隨用,常壓灌注(注漿壓力為 0.6～0.8MPa);注漿必須密實飽滿,注漿管應綁扎在土釘上,插至距孔底 300mm處。如是鋼花管注漿,則只需要將注漿管直接插入管中離底部 500mm處即可。

4.4 掛網噴混凝土施工

(1)噴射混凝土原材料宜采用新鮮的P.O.32.5R普通硅酸鹽水泥、干凈的中粗砂和粒徑小于 15mm的礫石,土釘墻面層混凝土強度等級為C20,配合比約為水泥 ∶砂 ∶石子 =1∶2∶2.5,采用噴射機高壓噴射,網筋采用 φ6@200×200。

(2)土釘施工完畢,立即掛網噴混凝土;噴錨支護施工 24h后方可進行下一層土方開挖。土方開挖時注意保護錨頭不被破壞,坡頂掛網噴混凝土寬度應不小于 50cm。

土釘墻噴錨支護結構設計見圖1。

圖1 土釘墻噴錨支護結構設計剖面(4-4剖面)

4.5 施工注意事項

(1)為了確保基坑穩定,便于基坑開挖和主體結構的澆筑,應認真作好基坑內地下水和施工廢水的排水,在基坑內設置排水溝、集水井。

(2)基坑開挖從上到下依次進行,基坑的開挖深度應嚴格按設計圖中給出的標高進行,嚴禁超挖,基坑開挖至基坑底以上 300mm時,應進行基坑驗收。

(3)基坑土方開挖必須配合支護進行分段、分層施工。每層深度不大于 2m(土釘段 1.2m或 1.5m),每段長度不大于 25m。分層開挖至土釘下 0.3m,暫停開挖并及時安裝土釘,所有暴露開挖土層掛網噴混凝土護面結束 24h后,方可繼續向下開挖。

(4)高壓旋噴樁施工時應嚴格控制工程質量,保證防水效果。高壓旋噴樁施工時注漿對環境的危害很大,應該在施工現場加強清理,確保外流的混凝土漿液能夠得到及時清理,注意環境保護。

(5)基坑出現涌水、涌砂時立即停止開挖,進行帷幕堵漏加固處理。

5 結束語

土釘支護技術作為一種新的深基坑支護技術改變了傳統支護結構的被動制約機制。泛海·花園基坑工程的支護和防水設計,應用了土釘墻與高壓旋噴樁技術,確保了基坑的安全性和防水效果,取得了良好的經濟效益。

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