摘 要：文作者主要对预应力锚杆复合土钉的几种支护结构型式及设计计算方法进行了分析。同时结合工程实例，说明了复合土钉在基坑支护中既安全又经济值得推广。

关键词:基坑支护；预应力锚杆；复合土钉前言

近年来，随着国民经济的快速发展，高层建筑在城市建设中也越来越多，为了能够满足建筑的需要，地下室已成为不可缺少的部分之一，因此，基坑支护是基础工程施工中的重重之重。复合土钉支护是土钉支护在不良地质条件下的应用技术,其优点是支护位移小、适用范围宽、安全经济等在基坑支护工程中得到广泛应用。

1．复合土钉支护常见型式

根据近些年国内外工程实践,复合土钉支护常见的结构型式如下:

1.1．土钉与桩锚复合支护

常见的土钉与桩锚复合支护有两种形式:一种形式为上部一定深度采用土钉支护,下部采用桩锚支护形式;另一种形式为沿基坑开挖线以一定间距设置桩锚支护,桩与桩之间再设置土钉。

1.2．土钉与预应力锚杆复合支护

预应力锚杆主要特点是通过施加预应力来约束边壁变形,采用土钉与锚杆组合式支护技术,可有效地控制基坑变形,大大提高基坑边坡的稳定性。特别是在基坑比较深、地质条件及周围环境比较复杂,而对基坑变形又有严格要求时,这种联合支护型式更显示出它的优点。

1.3．土钉与止水帷幕复合支护

采用止水帷幕结合土钉支护型式,通常在基坑内降水,基坑外不进行降水,避免了土体开挖后土体渗水、土体强度降低,以至不能临时直立而失稳及基底隆起、管涌等问题。

1.4．土钉与微型桩复合支护

超前微型桩以一定间距间隔布置,主要作用是超前加固开挖面的局部土体,不能止水防渗。对基坑没有防渗止水要求或地下水位较低,不必要进行防渗处理,可采用该复合支护型式。

1.5 土钉与止水帷幕、预应力锚杆复合支护

当环境条件不允许降水时,基坑围护需设置止水帷幕,止水后围护结构的变形一般比较大,在基坑较深、变形要求严格的情况下,需要设置预应力锚杆限制基坑变形。一般情况下设置1～2排搅拌桩、1～3排预应力锚杆。

1.6．土钉与止水帷幕、微型桩、预应力锚杆复合支护

在这种支护型式中,一般设置2～3排预应力锚杆,施作搅拌桩或旋喷桩形成止水帷幕,采用型钢桩或直径较大的微型桩。

1.7 土钉与止水帷幕、插筋、预应力锚杆复合支护

在搅拌桩或旋喷桩中插筋来加强支护结构的抗弯、抗剪性能,在单排桩中常插入型钢,在多排搅拌桩时插入多排钢筋或钢管,形成配筋的止水帷幕墙,再设置多排预应力锚杆。

2．复合土钉支护结构的设计计算

2.1．复合土钉支护结构整体稳定性分析

2.1.1．普通土钉墙整体稳定性分析采用圆弧滑裂面计算,安全系数Ks为

(1)其中,Ks土钉墙整体稳定安全系数;ci为土体的粘聚力(kPa);φi为土体的内摩擦角(°);Li为土条滑动面弧长(m);Wi为土条质量(kN);TNj为土钉的极限抗拉力(kN);S为土钉的水平间距(m);θi 为滑动面某处切线与水平面之间的夹角(°);αi为土钉与水平面之间的夹角(°);ξ为折减系数,根据经验取0.5。

2.1.2.复合土钉支护结构的整体稳定性分析也采用圆弧滑裂面计算,计算中考虑止水帷幕、微型桩、预应力锚杆等的作用如图1所示。

(2)其中,Kp为复合土钉墙整体稳定安全系数;τs为搅拌桩、微型桩的抗剪强度设计值(kPa);As为搅拌桩、微型桩的面积(m2);PNj 为预应力锚杆设计承载力(kN);SL为搅拌桩、微型桩的间距(m);Sm为预应力锚杆的水平间距(m);ξ为组合折减系数,取值0.5～1.0;η为折减系数,根据预应力水平在0.5～1.0之间选取,其余符号同前。

对于施工阶段不同开挖深度和使用阶段不同位置分别计算,保证各个阶段各个位置的安全系数均满足设计要求,容许的安全系数可根据工程性质和安全等级在1.2～1.5之间选取。

2.2．复合土钉支护结构的土钉抗拔力验算

复合土钉支护结构中土钉(锚杆)抗拔力验算与土钉墙相同,如图2所示。

即

其中,KBj为第j个土钉(锚杆) 抗拔力安全系数,取1.5～2.0,对临时性土钉墙工程取小值,永久性工程取大值;TXj为第j个土钉(锚杆)破裂面外土体提供的有效抗拉能力标准值(kN),破裂面与水平面之间的夹角取(β φ)/2;Sx 、Sy为土钉(锚杆)水平(垂直)间距(m);eaj为主动土压力强度(kPa)。

3．工程实例

3.1．工程概况

该基坑周长约500m,平面面积约15500m2,地下1层,地上5层裙楼和6～28层塔楼。基坑开挖深度在6.2～7.2m之间,基坑内局部地方有大承台,开挖深度8.65m,建筑物采用<600管桩基础,主要采用静压法施工,局部用锤击法施工。www.tmgc8.com

3.2．地质条件

岩土工程地质特征按地层成因类型和岩土层性质,场区内各地层自上而下分为:

3.2.1．第四系人工填土。素填土:灰黄、灰色,稍湿、松散状,成分以粘粒为主,含砂,平均厚度2.2m。

3.2.2．第四系冲积层。按其成分的不同分为如下两层:第一层淤泥:灰黑色,饱和,流软塑,成分以粘粒为主,富含有机质。层厚2.40～8.50m,平均5.4m,标贯击数1.5击,含水量w =56.2%,孔隙比e =1.527,液性指数IL=1.47。第二层粉质粘土:部分钻孔缺失,灰红色,湿、可塑,成分以粘粒为主,含砂。厚度1.00～5.10m,平均2.44m,标贯击数8.7击,含水量w =32.6%,液性指数IL=0.37。
3.2.3．第四系残积层。砂质粘性土:灰黄、浅灰色,湿、可塑～硬塑,成分以粘粒为主,含砂。层厚15～50m,平均30m,标贯击数18.1击,含水量w =25.6%,液性指数IL=0.16。

3.3．水文地质条件

场区地下水主要分布于基岩裂隙及淤泥层孔隙中,透水性能较差。

3.4．周围环境

基坑周围地面相对平坦,周边建筑物稀少,四周为道路,场地相对开阔,无重要的地下管线。其中,基坑南道路的另一边为一条河涌。

3.5．基坑支护结构设计

3.5.1．设计思路

根据该基坑的特点,主要按极限状态方法设计,考虑到基坑周边场地空旷,无重要建筑物和管线需保护,适当放松对支护结构变形的控制要求。结合该工程的地质条件、周边建筑物以及管线的分布和基坑开挖深度、基坑周边场地使用需要,采用复合土钉作为该基坑的支护结构,进行直立开挖,用双排搅拌桩作为超前支护。

根据地质资料,基坑的地质条件以东北角最好,西南角最差,中间处于过渡状态,淤泥层最深处有10.5m,比基坑开挖深度大3.5m。考虑到地质条件的差异,基坑各处的开挖深度不同,对支护结构分区分段进行设计。

3.5.2．设计方案

搅拌桩采用双排<500@300,采用32.5R普通硅酸盐水泥,水泥掺入量为15%,设计桩长9～11m,要求至少穿过淤泥层1m。锚杆采用<22钢筋,倾角30°,要求至少穿过淤泥层3m,注浆体强度等级M20。根据计算确定各区段的锚杆参数,分别设置3～6层锚杆,锚杆长度12～24m,水平间距1.10～1.30m。喷射混凝土强度等级为C20,厚度120mm,钢筋网采用<6@200×200,水平加强筋为2<16,处理范围为坡面和坡顶1.0m范围内。

3.5.3．计算分析

对支护结构的整体稳定性分析计算,并考虑基坑内大承台深开挖对整体稳定性的不利影响,不计搅拌桩的作用。设计地面超载在材料堆场处30kPa,其它地方取20kPa。要求整体稳定安全系数不小于1.20,设计锚杆力取95kN。通过对各区段边坡稳定分析计算结果可知,整体稳定安全系数均不小于1.20,所以满足要求。

3.5.4．施工结果监测分析

在基坑周边共布置10个测斜孔,根据测量结果,基坑各边最大的水平位移为11～65 mm。对监测资料进行比较分析,基坑的侧向变形具有以下特征:①基坑侧壁和基坑外一定距离处土体的侧向变形的形态有所不同:基坑侧壁处位移是上部和下部小中间大;基坑外10m处土体的位移是上部大下部小。②基坑外10m处土体最大侧向位移量与基坑侧壁最大侧向位移大约相差20%～30%。③在相同开挖深度的情况下,淤泥层厚度越深,基坑的侧向变形越大。

结论

复合土钉支护是土钉支护的改进和发展,尤其是在国内发展了土钉支护在不良地质条件下的应用技术,保持了传统土钉支护的许多优点,又具有支护位移小、适用范围宽、安全经济等特点,在基坑支护工程中具有广阔应用前景。

采用复合土钉支护技术,施工过程中应坚持动态设计、信息化施工的原则,根据对地质情况、支护结构和周边构筑物的各种观测、试验数据,及时反馈设计,发现问题及时采取有效补救措施。

复合土钉支护是将主动支护型式和被动支护型式联合应用,柔性支护与刚性支护相结合,其作用原理归纳为分担荷载作用、止水抗渗作用、传递荷载作用、局部稳定作用和超前加固作用。

参考文献

[1]秦四清,王建党.土钉支护机理与优化设计[M].北京:地质出版社，2002.

[2]张明聚.复合土钉支护及其作用原理分析[J].工业建筑，2004 (增刊):60-68.

[3]吴坤铭.复合土钉在基坑支护中的应用《工程与建设》，2006

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