復合土釘支護在某深基坑支護工程中的應用

郭 瑋

0 引言

復合土釘支護技術是指在基坑支護中,除采用土釘作為主要加固體外,還采用其他超前支護技術作為輔助手段與之聯合,并協同工作。利用超前支護措施來解決土體自穩性、隔水性及噴射混凝土面層與土體的粘結等問題,以壓密注漿和二次壓力灌漿解決土體加固及土釘抗拔力問題,以較大插入深度解決坑底的隆起、管涌和滲流等問題。

1 復合土釘支護的基本形式

復合土釘支護是土釘與攪拌樁、預應力錨桿、微型樁中的一種或幾種聯合作用于被加固土體。攪拌樁不僅起到止水帷幕作用,還有加固地層和穩定開挖面的作用;預應力錨桿可以施加初始預拉力,大大減小土釘支護結構水平位移;微型樁可以增加邊坡穩定性和減小基坑水平位移。本文主要針對土釘與攪拌樁復合土釘支護進行研究分析。

2 復合土釘支護的作用機理和工作性能

復合土釘支護一般由防滲帷幕、超前支護及土釘構成。作用機理有三點:1)攪拌樁解決基坑邊壁土體自立性及隔水性;2)水平土釘壓密注漿,增強了土釘抗拔力,同時漿液滲透對土體有加固作用;3)攪拌樁插入坑底以下,可以解決坑底抗隆起、管涌和滲流。

攪拌樁復合土釘支護與土釘支護工作性能的區別:

1)變形大小及特征不同:有攪拌樁時,最大水平位移發生在坑底上下,最大沉降發生在坑邊一定距離;而土釘支護中,最大水平位移發生在基坑頂部,最大沉降發生在坑邊處。2)支護結構后土壓力的分布不同:攪拌樁后土壓力接近于直線分布,最大土壓力接近基坑底部;土釘支護后的土壓力分布不規則,最大土壓力分布在基坑中下部。3)土釘軸力大小、分布不同:土釘支護中土釘軸力分布中間大、兩頭小,軸力最大值接近潛在滑裂破壞面;而攪拌樁復合土釘支護中,土釘軸力在樁端頭處最大。

3 復合土釘支護的設計與計算

3.1 復合土釘支護土釘抗拔力驗算

復合土釘支護土釘抗拔力的驗算與普通土釘支護土釘抗拔力的驗算相同。

對土釘支護作整體穩定性分析時,每一土釘達到的極限抗力R取下列兩式的較小值:

其中,Ki為第i根土釘抗拔力安全系數,取1.5～2.0;Ti為第i根土釘在土體破壞面外土體所能提供的極限抗拉能力;破裂面與水平面之間的夾角取(β+φ)/2,破裂面定義為直線滑裂面;SV,SH分別為土釘的水平和豎直間距;ei為第i根土釘長度中點所處深度位置上的側向土壓力。

3.2 復合土釘支護穩定性分析

復合土釘支護的整體穩定性分析也采用圓弧滑裂面計算,土條受力按照Bishop方法進行分析,并做如下假定:

1)復合土釘支護邊坡滑移面為圓弧面,破壞形式為主動土體繞圓心產生微小轉動;

2)滑移面上土體極限平衡條件符合Mohr-Coulomb破壞準則,同時假定在土體破壞時全部土釘達到抗拉或拔出的極限狀態;

3)主動區土體分割成較小寬度的豎直條塊,考慮土條法向力及切向條間力;

4)土釘采用等間距、等傾角設置;

5)只考慮土釘拉力;

6)不考慮土釘支護的三維空間效應,按平面狀態進行分析。穩定性安全系數用K表示,計算公式如下:

4 工程實例

4.1 工程概況

某基坑開挖深度為4.95 m～5.95 m,南北跨度約150 m,東西方向約240 m,總周長約720 m。

4.2 地質條件及周圍環境

基坑開挖范圍內自上而下主要地層有:①層為雜填土,層厚0.40 m～4.50 m;②-1層為粉質黏土,層厚 0.5 m～4.20 m;②-2層為粘質粉土,層厚0.60 m～4.70 m;③層為淤泥質黏土,層厚3.10 m～19.20 m;④-1層為粉質黏土,灰～青灰色,層厚0.60 m～3.70 m;④-2層為粉質黏土,褐黃～灰黃色,層厚0.60 m～3.70 m。

4.3 支護方案

基坑大范圍采用攪拌樁與土釘結合的復合土釘支護,局部采用普通土釘支護。圖1和圖2分別為復合土釘支護剖面示意圖和普通土釘支護剖面示意圖。復合土釘支護采用雙排φ 600@500攪拌樁,普通土釘支護采用i=0.5放坡。

4.4 設計與計算

表1為土釘抗力計算的各項參數值。

表1 土釘抗力計算的各項參數值

利用邊坡穩定分析程序REAME進行基坑穩定性分析。圖3和圖4分別為復合土釘支護和普通土釘支護的圓弧滑裂面示意圖。

計算得到穩定性安全系數分別為0.780和1.250,由此可以看出復合土釘支護整體穩定性有很大的提高。而攪拌樁入土深度越大,阻擋上部土體向下滑移能力就越強。

4.5 施工與監測分析

1)復合土釘支護的土體最大水平位移在基坑中下部,土體側向變形呈鼓狀,開挖面以下較深范圍內土體產生水平位移,受影響深度大約為開挖深度的1倍;普通土釘支護土體最大水平位移發生在基坑頂面,沿深度逐漸減小。說明復合土釘支護不但能調動更遠處土體參與工作,還能調動更深處土體共同抵抗荷載。

2)復合土釘支護中,地表最大沉降發生在離開挖面一定距離,隨開挖深度增加,沉降量不斷增大,并且最大沉降位置逐漸向后移動,復合土釘支護中攪拌樁最大限度限制了開挖面的水平位移,調動邊坡更多土體參與工作,變形范圍雖然較大,但變形量較小。而普通土釘支護邊坡最大沉降發生在開挖面,并且隨著開挖的不斷深入,沉降急速增加。

5 結語

工程應用表明,在地質條件較復雜的地方,復合土釘支護具有普通土釘支護無法比擬的優點。復合土釘支護極大地擴展了土釘支護的應用范圍,必將獲得更加廣泛的應用。

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