土釘支護技術在工程中的應用

張逢磊

20世紀90年代以來,隨著城鎮建設中高層、超高層建筑的大量涌現,深基坑工程愈來愈多,基坑周圍密集的建筑物、復雜的地下設施使得基坑放坡開挖這一傳統技術不再能滿足現代城鎮建設的需要。土釘支護技術在國內許多基坑工程中得到了應用推廣。

1 土釘支護的作用機理

土體的抗剪強度低,幾乎沒有抗拉強度,但土體具有一定的結構整體性。在基坑開挖的邊坡工程中,在土體內放置一定長度和分布密集的土釘,與土體共同作用,形成復合體,可彌補土體強度不足并發揮土釘作用,不僅有效地提高土體的整體剛度,又彌補了土體抗拉、抗剪的不足,通過相互作用,土體結構強度潛力得到充分發揮,改變了邊坡變形和破壞狀態,顯著提高了整體穩定性[1]。

1.1 土釘對復合體起骨架約束作用

由于土釘本身的剛度和強度,以及它在土體內分布的空間組成復合體的骨架,使復合土體構成一個整體,骨架有約束土體變形的作用。

1.2 土釘對復合體起分擔作用

在復合體內,土釘與土體共同承擔外荷載和自重應力,土釘起著分擔作用。

1.3 土釘起著應力傳遞與擴散作用

基坑開挖過程中,當荷載增至一定程度,邊坡表面和內部裂縫已發展到一定寬度,此時坡腳應力最大。這時下層土釘伸入到滑裂域外穩定土體中的部分仍能提供較大的抗拉力。土釘通過其應力傳遞作用,將滑裂域內部應力傳到后邊穩定土體中,并分散在較大范圍的土體內,降低應力集中程度。

1.4 對坡面變形的約束作用

在坡面上設置與土釘連在一起的鋼筋網噴混凝土面板,是發揮土釘有效作用的重要組成部分。噴混凝土面板起到坡面變形的約束作用,面板約束力取決于土釘表面與土體的摩阻力,當復合土體開裂面區域擴大并連成片時,摩阻力主要來自開裂區域后的穩定復合體。

2 工程實例應用

2.1 工程概況

杭州市某大廈位于某住宅區附近,主樓為18層,高度為56 m,裙樓為7層,剪力墻結構(1層～3層為框架結構),總建筑面積42 000 m2,主樓地下2層,裙樓地下1層,筏板基礎。基礎最大開挖深度為8.9 m。該工程南側圍墻以外12 m為城市交通道路,西側緊鄰12層住宅樓,基坑距建筑外圍墻最遠為2 m,最近為1.2 m,且該住宅樓北側有一平房距基坑僅為0.4 m。

2.2 工程地質條件

該場地地層自上而下依次為:①人工填土層,包括素填土和雜填土,成分為粉質黏土、灰渣及碎磚、瓦片等,結構松散;②淤泥質粉質黏土:灰黑色,軟塑～流塑,飽和;③黏土:棕紅～褐色,可塑～硬塑,含少量姜石;④殘積土:灰綠色,可塑～硬塑,中密,很濕,為閃長巖風化。地下水位埋深為1.4 m。

2.3 基坑支護方案的擬定

分析該工程的地質勘察報告和周圍環境條件,基坑具有以下特點:1)土質條件差,在整個開挖深度范圍內均為雜填土及淤泥質土,其中雜填土結構松散,淤泥質土強度低且靈敏度高。2)地下水位高:地下水位距天然地坪僅為1.4 m。3)施工面狹小:基坑西側距原建筑物最近處僅為0.4 m,采用一般常用的支護方法沒有施工空間,施作較為困難。

根據基坑的特點,考慮到施工場地的條件限制,經過反復論證,決定采用土釘對該基坑進行支護,且根據基坑四周環境及開挖深度,采用不同的剖面形式。

2.3.1 東、北側邊坡的支護

采用 1∶0.2放坡,普通水泥砂漿土釘,土釘直徑為100 mm,內配一根B25 mm鋼筋。土釘長度及豎向間距如圖1所示,水平間距為1.7 m,梅花形布置。面層厚100 m,內配A8 mm@200 mm×200 mm鋼筋網。

2.3.2 西側邊坡的支護

因場地條件限制,只能采用直立邊坡。住宅樓部分邊坡土釘長度及豎向間距如圖2所示,水平間距為1.2 m,梅花形布置。土釘直徑為100 mm,內配一根B28 mm鋼筋。面層厚150 mm,內配A14 mm@200 mm×200 mm雙層鋼筋網。在淤泥質土中采用土釘支護,其最主要的問題是基坑邊坡的水平位移及坡頂沉降的控制。據有關資料,對淤泥質土邊坡其坡頂位移一般為坡高的0.5%～0.7%,由于建筑物距基坑太近,為防止邊坡位移過大造成臨近建筑物產生裂縫,該部分土釘長度加長且為非全錨固型,即將面層以內1.5 m～2 m范圍內的鋼筋做成非錨固段。鋼筋端頭焊螺栓,待面層強度達到設計強度的70%后,對土釘進行張拉,張拉力為土釘極限抗拉力的25%。

2.4 土釘支護施工工藝

1)基坑開挖前首先進行深井井點降水,待水位穩定后再進行基坑開挖。土釘施工工藝為:挖土→修坡→成孔→安放鋼筋→注漿→綁扎面層鋼筋→噴射混凝土→養護→張拉→鎖緊。

2)工藝要點。a.按照設計的要求開挖工作面,分層開挖。因土質條件差,每層開挖深度為西側1.2 m,東、北側為1.3 m。必要時采用鋸齒形開挖方式,以減少淤泥質土的側向擠出。b.挖完一層后應及時進行土釘施工,按照梅花形布置土釘,避免土坡暴露時間過長,保證挖完一層支護一層。成孔采用機械及人工相結合的方法進行。鋼筋端部1.5 m～2 m部分涂抹潤滑劑后外套塑料管,做成非錨固段。注漿采用壓力注水泥砂漿,內摻三乙醇胺高效減水劑,對較長土釘首先采用孔底注漿,注滿后再封口采用壓力注漿,注漿壓力為0.2 MPa～0.3 MPa。c.面層鋪設網格尺寸為200 mm×200 mm的鋼筋網,東、北側邊坡鋼筋網鋼筋直徑為8 mm,西側邊坡鋼筋網鋼筋直徑為14 mm,并在釘頭處縱橫各加一根直徑為18 mm的加強筋,與土釘焊接牢固。d.依照設計要求噴射混凝土面層,面層混凝土采用C20,混凝土配合比為水泥∶砂∶石=1∶2∶2,內摻速凝劑及早強劑,混凝土噴射完成后立即將土釘周圍表面抹平并安裝鋼板,鋼板厚12 mm,面積為300 mm×300 mm。注意做到一次到位,一次成功,使之成為整體,穩定邊坡。e.噴射混凝土終凝2 h后作噴水養護,24 h后方可進行下一層開挖。

2.5 基坑變形監測

為保證基坑支護結構在開挖及基礎施工期間的安全與穩定,確保西側建筑物的安全。根據本工程的實際情況,對本工程擬進行以下項目的監測:支護系統周圍地表沉降監控,基坑周圍臨近建筑物的變形、沉降監控,具體工作是在建筑物兩側設點觀測建筑物的傾斜和沉降;支護體系本身的變形、位移監測,具體工作是在基坑邊坡坡頂設置了水平及沉降觀測點,在每層開挖及支護完成后進行觀測,同時注意基坑四周的裂縫觀察。在本工程中的監測數據表明,在基坑開挖和使用期內,監測到的位移值和地表沉降值均小于預警值,未對基坑周圍建筑物造成任何影響。

3 結語

1)土釘支護技術是通過原位土體加固、充分利用原位土體的自穩能力,因而能大幅度降低支護造價,一般比樁墻支護結構節約很多費用,具有顯著的經濟效益;2)施工方法和設備簡單,土釘的制作與成孔不需復雜的技術和大型機具,土釘施工的作業對場地占用少,使得基坑施工時有一個安全可靠的施工環境,能確保工程質量;3)因施工工藝簡單,施工與基坑土方工程同步進行,基坑底交叉作業。根據土釘設置的層數,挖一層土,施工一層土釘,施工工期一般較短,對周圍環境的影響小。

[1] 黃 強.建筑基坑支護技術規程應用手冊[M].北京:中國建材工業出版社,1999.

[2] 楊 麗,楊 覺,華 村.建筑基坑支護設計淺談[J].洛陽大學學報,2003(10):7-11.

[3] 林宗元.巖土工程勘察設計手冊[M].沈陽:遼寧科學技術出版社,1996.

[4] 葉心武.復合土釘墻在深基坑中的應用[J].施工技術,2002(6):56-58.

[5] 曾憲明,黃久松,王作民.土釘支護設計與施工手冊[M].北京:中國建筑出版社,2000.

[6] 曾廣群.土釘支護技術在某商業樓基坑工程中的應用[J].建筑技術開發,2005(1):47-49.

[7] 黃琦偉.談深基坑支護工程的施工設計[J].今日科苑,2008(15):21.

[8] 楊根勝.土釘支護的拉拔原理[J].山西建筑,2008,34(5):167-168.