江苏软土地区土基坑支护钉墙的应用及分析.doc

江苏软土地区土基坑支护钉墙的应用及分析
摘　要：作为基坑支护中的一种支护形式---土钉墙，因其施工速度快，造价经济，施工便捷；击入式土钉可以解决填土、软土以及粉土层等难以成孔的土层，拓宽了土钉墙的使用范围；采用击入式土钉墙也是一种可靠的基坑围护结构体系。

关键词：软土地区；复合土钉墙；三级基坑；击入式土钉墙
　　引言
　　随着我国社会经济的快速发展，城市化进度加快，在密集城市中心，满足日益增长的停车功能的需要，结合城市建设和开发利用地下空间已成为一种必然。在苏南地区，尤其是苏州、昆山、吴江等地区，浅部普遍分布较为深厚的软流塑的淤泥质粉质粘土层，为地下基坑开挖带来极大困难。随着土钉墙技术的发展，采用土钉墙施工设备简单，操作方便，边开挖边支护施工便于信息化施工，施工速度快且工程造价低、经济等特点，在本地区在开挖深度不大于6.0m深基坑中围护结构中，逐渐采用土钉墙（复合土钉墙）的支护，并取的良好的结果，值得在本地区推广使用。

1、土钉墙的作用机理
　　土体的抗剪强度较低抗拉强度几乎为零，但土体具有一定的结构强度及整体性，土坡有保持自然稳定的能力；土钉墙通过在土体内设置一定长度和密度的土钉，与土共同作用，形成了以增强边坡稳定能力为主要目的的复合土体，是一种主动制约机制，土钉与土的相互作用，形成了能提高原状土强度和刚度的复合土体，改变了土坡的变形与破坏形式，显著提高了土坡的整体稳定性。
　　土钉在复合土体内的作用主要有：
　　1）、箍束骨架作用：土钉制约土体变形，使土钉之间形成土拱使复合土体获得了较大的承载力，并将复合土体构成一个整体。
　　2）、承担主要荷载作用：土钉有较高的抗拉、抗剪强度以及抗弯刚度，当土体进入塑性状态后，应力逐渐向土钉转移，延缓了复合土体塑性区的开展及开裂的出现。
　　3）、应力传递与扩散作用：依靠土钉与土的相互作用，土钉将所承受的荷载沿全长向周围土体扩散及向深处土体传递，使边坡应力水平大大降低，从而推迟了开裂的形成与发展。
　　4）、对坡面的约束作用：在坡面上设置的与土钉连成一体的钢筋混凝土面板是发挥土钉有效作用的重要组成部分，土钉使面层与土体紧密接触从而使面层有效发挥作用。
　　5）、加固土体作用：地层常常有裂隙发育，土钉注浆时，浆液顺着裂隙扩渗，形成网格状胶结体，增大土钉与周围土体的粘结力，也直接提高了原位土体的强度。
2、土钉墙的适用范围
　　按建筑基坑支护技术规程中有关规定：
　　　1）、基坑侧壁安全等级宜为二、三级的基坑；
　　　2）、基坑深度不宜大于12 m的基坑；苏南地区基坑深度不宜大于6 m的基坑（地区经验）
　　　3）、当地下水位高于基坑地面时，应采取降水或截水措施
　　　在设计中通常因为根据土钉工艺为先成孔后植入土钉体，在软土区成孔困难，设计师常为此而放弃施工土钉墙的围护结构体系。
　　 然而根据土钉墙施工工艺，在难于成孔的软土地层，采用打入式花管土钉，即将?48的钢管利用专门的设备直接打入土中，在钢管上按一定的规律布置直径5mm的钻孔，并焊接小角倒刺予以保护，并将带倒刺的钢管打入土中，高压注浆，从而形成土钉。这样施工速度快，使用范围拓宽，可以解决填土、软土以及粉土层等难以成孔的土层，拓宽了土钉墙的使用范围。
3、工程实例
　　 拟建昆山沿沪产业带招商服务中心大楼工程，主楼地上8F，地下设-1F；主楼南侧为广场，广场下设半地下室；地下室基坑平面略呈长方形，东西长106.8 m，南北宽19.4m；南侧广场基坑东西长106.8 m，南北宽62.5m；本工程位于昆山市千灯镇新北路，场地原为农田，现为开阔的空地。
　　 本工程设计±0.000相当于85国家高程5.500m。场地自然地面标高约为0.80～1.70m（85国家高程），要求平整后场地平均标高1.50m（相对标高-4.00m）；地下室底板顶标高为-8.40m（相对标高），底板厚350㎜，垫层厚100mm，基底标高-8.85m；基底标高为-9.30m、-9.70m，基坑开挖深度为5.30m、5.70m。
4、场地土的工程特性
　4.1该工程位于昆山市千灯镇新北路，场地原为农田，经回填平整，现为开阔的空地。该工程地质物理力学指标（见表1）：
　　表1 土层物理力学参数表
土层代号及名称重度
γ土层
厚度固结快剪
（峰值）渗透系数
KN/m3（m）C(kPa)?(0)（cm/s）①表土（18.0）0.4~1.3（10.0）（10.0）2.0E-05②粉质粘土18.40.8~1.623.810.95.8E-06③1淤泥质粉质粘土17.14.5~17.515.19.31.0E-06③2粉质粘土夹粉土18.71.4~5.719.815.7
③3淤泥质粉质粘土17.64.1~16.816.711.1
注：土的力学参数取C、?的标准值分别为其平均值的0.8和0.9倍，（）内数值为经验值。
4.2该场地地下水：
　　 场地内对本工程建设有影响的地下水主要为潜水。
　　 潜水主要赋存于浅部填土层中，填土层中富水性差；受大气降水及周边河流的侧向补给，以地面蒸发为主要排泄方式；受季节影响水位升降明显。勘探时干钻测得潜水初见水位标高为0.90～1.45m，测得其稳定水位标高在0.41～1.20m（基本同当地河水位）。
5、基坑围护设计概况
　　5.1基坑围护结构方案的选型分析
　　根据本工程特点，结合昆山市周围地区基坑围护的工程经验，本工程围护墙体可选：
方案一：水泥土搅拌桩形成重力式挡土墙：
优点：工艺成熟、挡土止水二合为一；
缺点：价格偏高，围护刚度小、施工质量控制要求较高，施工周期长；
方案二：土钉墙+水泥土搅拌桩
优点：工艺成熟、质量安全可靠、止水效果较好，工程造价低；
缺点：结构变形稍大、施工周期较长、施工以设计为主导并结合丰富的施工经验和施工监测数据及时调整土钉参数；
　　 本工程场地土层主要为深厚的软流塑的淤泥质粉质粘土，土质差，开挖深度在5.7m，场地环境较为开阔，有较好的放坡空间，但边坡自稳能力差，尤其是坡脚易隆起；因此，本工程设计初步思路，签于土层特性采用直接击入式花管土钉，并在坡面设置3排水泥土搅拌桩增强坡面稳定性和坡脚稳定能力。场地开阔，采用二级放坡，减少坡体的主动土压力等措施。坑内设置轻型井点降低地下水位。
　　 在设计中采用理论计算与工程类比法相结合的原则，重在符合工程本身的特点。结合苏州、上海地区已施工过同类基坑的经验与教训，决定采用以下围护方案：
拟采用采用二级放坡+土钉墙+水泥土搅拌桩的支护方案。
5.2围护方案设计
　　根据岩土工程勘察报告提供的各土层的力学参数，依据《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-99），利用北京理正软件分析计算并结合已有施工工程经验，基坑支护设计方案如下：
　　采用适当放坡+土钉墙+水泥土搅拌桩的支护方案：围护剖面（见图2）；并附施工现场图片（施工现场见图3）。
　　本段基坑侧壁安全等级按三级设计，开挖深度5.70m。采用放坡+土钉+水泥搅拌桩的支护结构。采用三级放坡，二级平台深2.00m，宽2.00m，平台以上按1：1.0放坡；坡面设置五层土钉，梅花型布置。击入式土钉采用Ф48*3.0钢管。
　　 在一级平台坡顶设置三排Φ700@500水泥搅拌桩，长6.00m；稳定坡脚，防止坡脚隆起；并在一级坡顶水泥搅拌桩上设置一道压顶圈梁，压顶梁宽2000*200，内设双层双向的Ф6@200的钢筋网片；
　　 图2　　围护剖面图

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图 3　　 施工现场
5.3主要计算书
　　利用北京理正软件分析计算的主要计算部分结果
　　　　　　　　　　[ 设计简图 ]

[ 局部抗拉设计结果 ]
工况 开挖深度 破裂角 土钉号 设计长度 最大长度(工况) 拉力标准值　　 拉力设计值
　　　　 (m)　　 (度)　　　　　　　　(m)　　 (m)　　　　　　　　Tjk(kN)　　　　 Tj(kN)
5　　 5.700　　33.8　　1　　 7.096　　 7.833( 3)　　　　　　 22.7　　　　　　 28.3
　　　　　　　　　　　　　　 2　　 8.435　　 8.435( 5)　　　　　　 21.2　　　　　　 26.5
　　　　　　　　　　　　　　 3　　 8.839　　 8.839( 5)　　　　　　 20.2　　　　　　 25.3
　　　　　　　　　　　　　　 4　　 9.534　　10.534( 5)　　　　　　 24.8　　　　　　 31.0
　　　　　　　　　　　　　　 5　　 7.952　　 8.952( 5)　　　　　　 18.2　　　　　　 22.8
基坑内部整体稳定安全系数
　　 根据软件计算结果，基坑内部整体稳定安全系数（见表2）
　　　　　　　　　　　　　　 表2　　基坑内部稳定设计结果

　　　工况号　　　　 1　　　　　　　　 2　　　　　　 3　　　　　　　　 4　　　　　　　　 5
　　　安全系数　　 1.666　　　　 1.956　　　　 1.845　　　　 1.665　　　　　　 1.571

　　外部稳定计算参数
　　　抗滑安全系数:　　 1.447　　　　　　抗倾覆安全系数:　　 1.510　　
6土钉墙施工注意事项及监测
6.1土钉墙施工注意事项
　　水泥土搅拌桩施工是主要控制钻机的钻进速度，搅拌下沉速度控制在0.5m/min;喷浆提升速度控制在0.8～0.5m/min;需要使水泥与土能够充分搅拌混合均匀，搅拌桩施工采用二喷三搅施工工艺。
　　土方开挖必须分层分段，严格控制每皮土的开挖深度，开挖面不得低于土钉高度300mm；
　　土钉注浆需及时并认真施工。土钉墙成败很大程度上取决于土钉的注浆。
　　坡顶排水系统，原则上建议不设排水沟，建议坡面做硬化处理并设置防水堤处理坡面雨水等。
　　控制坡顶荷载，严禁超载；控制土方车辆的通行。
6.2基坑监测
　　基坑监测应跟上，使监测能起到真正的预警和报警，使基坑围护施工达到动态化，信息化施工。
　　监测结果表明，基坑开挖过程中土钉墙工作状况良好，变形轻微，在基坑开挖至-2.00m深度，顶部水平位移6～12mm,开挖深度-3.50m(水泥土平台)时，顶部水平位移10～18mm,基坑开挖到底时，顶部水平位移20～32mm。坡顶巡视无明显变形和裂纹出现。
7结论
　　在苏州、昆山地区，由我公司设计施工的类似项目每年均有数十个，均取得较好的效果；笔者以为，在软土地区，在开挖深度在4.0～6.0m的基坑工程，只要精心设计、认真施工，采用击入式土钉墙也

是一种可靠的基坑围护结构体系。
参考文献：
[1]基坑工程书册（第二版）　　2009
[2]程良奎等.喷射混凝土与土钉墙.中国建筑工业出版社，1998
[3]黄强等.建筑基坑支护技术规程 (JGJ 120-99)，2008