（岩土工程专业论文）土钉支护技术在某风洞软土深基坑工程中的应用.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 在沿海地区已有一些土钉技术应用于软土深基坑的工程先例，但在四川 省范围内，还没有土钉技术应用于软土深基坑支护工程中的报道。为了探索 土钉技术在软土深基坑支护工程中的应用，扩大其应用范围，逐步完善其设 计计算理论和方法，丰富其研究内容，本文在前人研究的基础之上，结合四 川川北地区某立式风洞软土深基坑地层岩土工程勘察测试资料、设计参数和 监测数据，本文主要作了以下工作：( 1 ) 在国内外相关研究文献的基础上，从 理论上总结了土钉支护的机理；( 2 ) 结合该风洞软土深基坑工程，介绍了土钉 支护的设计计算过程及施工工艺；( 3 ) 在普通条分法的基础上，采用随机搜 索法及可靠度理论对该基坑进行内部稳定性分析验算。按重力式挡墙，对该 基坑的外部稳定性进行验算；( 4 ) 采用数值模拟方法，得出该基坑开挖支护过 程中土体的应力状态分布变化情况及基坑周边某些点的位移变化情况。通过 这些模拟结果得出土钉支护的一些特点并用以指导工程实践；( 5 ) 在所得的 部分监测数据资料基础上，引入灰色预测模型及线性神经网络模型来预测监 测点的位移变化。 根据理论分析、数值模拟及工程实践，表明了土钉技术可以应用于四川i 省内软土深基坑的支护，为今后该技术在四j i i 省的推广和发展提供了理论依 据及成功的工程实例。 关键词：土钉支护；稳定性分析；数值模拟 堕塑至鎏查兰堡主竺墨兰兰簦堡苎兰! 要 a b s tr a c t s o i ln a i l i n gt e c h n i q u eh a sa l r e a d yb e e na p p l i e di ns o f ts o i ld e e p f o u n d a t i o n p i tw i t h i nt h ej i t t o r a l b u ti t sa p p l i c a t i o ni ns o f ts o l id e e p f o u n d a t i o np i t ( d e p t ho v e r12m e t e r s ) i sf r e s hi ns i c h u a np r o v i n c e i no r d e r t oi n v e s t i g a t et h ea p p l i c a t i o no fs o i ln a i l i n gt e c h n i q u ei nt h es o f ts o i ld e e p f o u n d a t i o np i ts u p p o r t i n g ，e x t e n di t sa p p l i c a t i o n ，p e r f e c ti t sd e s i g nm e t h o d ， e n r i c hi t sr e s e a r c hc o n t e n t t h es o i lg e o l o g i ct e s td a t a ，d e s i g np a r a m e t e r e n dm o n i t o rd a t ao fav e r t i c a lw i n dt u n n e id e e pf o u d a t i o np i ta tn o r t hr e g i o n o fs i c h u a na r ec o m b i n e di nt h i sp a p e r 。t h er e l e v a n tp r o b l e m sa r es t u d i e d o nt h eb a s eo fp r e d e c e s s o r si n v e s t i g a t i o n t h em a i nw o r ka sf o i l o w s ：( 1 ) f i r s t l y b a s e do nl i t e r a t u r er e v i e wo fr e l e v a n td o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a l r e s e a r c hf i n d i n g s t h eb e a r i n gc a p a c i t yo ft h es o i ln a i l i n gi ss u m m a r i z e di n d e t a i l ；( 2 ) t h ed e s i g np r o c e s sa n dt h ec o n s t r u c t i o nc r a f to f s o i ln a i l i n ga r e ；n t r o d u c e d ；( 3 ) t h er a n d o ms e a r c hm e t h o da n dt h ep r o b a b i l i t yt h e o r ya r e a d o p t e dt op r o c e e di n t e r n a is t a b i l i t ya n a l y s i so ft h ef o u n d a t i o np i to nt h e b a s eo ff i n i t es l i c em e t h o d ，t h eg r a v i t yr e t a i n i n gw a l lt h e or yi sa d o p t e dt o p r o c e e de x t e r i o rs t a b i l i t ya n a l y s i s ；( 4 ) t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o dl s a d o p t e dt og e tt h ed i s t r i b u t i o no ft h es o l s t r e s sa n dt h ed i s p l a c e m e n t v a r i e t yo fs o m ep o i n t sd u r i n gt h ee x c a v a t i n ga n ds u p p o r t i n gp r o c e s s s o m ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es o i ln a i l i n gs u p p o r t i n ga r eg o t t e nb yn u m e r i c a l s i m u l a t i o nt og u i d et h ee n g i n e e r i n gp r a c t i c e ；( 5 ) t h eg r a yp r e d i c t i o nm o d e l a n dl i n en e u r a ln e t w o r km o d e ia r ec o n d u c t e dt op r e d i c tt h ed i s p l a c e m e n t v a r i e t yo fs o m em o n i t o f ：p o i n t sb a s e do nt h ep a r to fm o n i t ord a t a a c c o r d i n gt ot h et h e o r ya n a l y s i s 。t h en u m e r i c a is i m u l a t i o na n dt h e e n g i n e e r i n gp r a c t i c e ，i tcanb ec o n c l u d e dt h a ts o l in a i l i n gt e c h n i q u ec a nb e a p p l i e di nt h es o f ts o i ld e e pf o u n d a t i o np i ts u p p o r t i n gi ns i c h u a np r o v i n c e t h i sp a p e rp r o v i d e st h et h e o r ya n dt h es u c c e s s f u le n g i n e e r i n ge x a m p l ef o r e x t e n d i n gt h et e c h n i q u ei ns i c h u a np r o v i n c e k e y w o r d s ：s o ( in a i l i n gs u p p o 嗽n g ：s t e b i ( i t ya n a l y s i s ；r t u m e r i c a ts i m u l a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 2 2 土钉支护体系的构造 土钉支护结构通常由土钉、面层两部分组成。土钉支护结构的构造与士 体的特性、支护坡面的形态和支护功能等有关。 2 2 1土钉 士钉是土钉支护结构的主要受力构件，类型主要有击入式土钉、注浆击 入式土钉、高压喷射注浆击入式土钉、气动射击钉和钻孔注浆钉。 击入式土钉，一般用角钢( l 5 0 x 5 0 5 或l 6 0 x 6 0 x6 ) 、圆钢或钢管作土 钉。击入钉不注浆，与土体的接触面积小，钉长又受到限制，所以布置较密， 每平方米竖向投影面积内可达2 4 根，用振动冲击钻或液压锤击入。击入式 土钉的优点是不需要预先钻孔，施工极为快速，但不适用于砾石土、硬胶结 土和松散砂土。击入式钉在密室的砂土中的效果要优于粘性士。 注浆击入式土钉，常用周面带孔的钢管，端部密闭，击入后从管内注浆 并透过壁孔将浆体渗到周围土体。国外有特殊加工的土钉，在轴向有孔槽， 能在贯入土体后注浆与周围土粘结。另外还有一种带扩大端部的土钉，击入 土层时能在筋体与周围土体之间形成环形空隙并同时注浆填充。 高压喷射注浆击入式士钉，这种土钉中间有纵向小孔，利用高频冲击振 动锤将士钉击入土中，同时以2 0 m p a 的压力，将水泥浆从土钉端部的小孔射 出，或通过焊于土钉上的一个薄壁钢管射出，水泥浆射流在土钉入土的过程 中起到润滑作用并能透入周围土体，提高与土体之间的粘结力a 气动射击钉，是用高压气体作为动力，发射时气体压力作用于钉的扩大 端，所以钉子在射入土体过程中时受拉。该类土钉为英国开发，钉径有2 5 m t 和3 8 m m 两种。 钻孔注浆钉，是最常用的土钉，整个土钉由钉体和外裹的注浆体组成。 钉体材料一般采用直径m 1 6 3 2 m m 的i i 级热扎变形钢筋和中4 8 x 3 5 m m 铜 管以及自钻式锚杆等材料制成；注浆体材料为砂浆或纯水泥浆：钻孔孔径 7 5 1 5 0 m m 。与其它类型的土钉相比，在砾石土、硬胶结粘土和松散砂土地 层施工时其具有独特的优越性。 2 2 2 面层 临时性土钉支护的面层通常采用5 0 1 0 0 小m 厚的喷射混凝土做成，一般 用一层钢筋网，钢筋直径为中6 中8 m m ，网格为正方形，边长1 5 0 3 0 0 m m 。 对于永久性土钉支护，面层喷射混凝土的厚度为1 5 0 2 5 0 聊”。设两层钢筋 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 网，分二次喷成。为了改善建筑外观，也可在第一次喷射混凝土的基础上， 现浇一层钢筋混凝土面层或贴上一层预制钢筋混凝土板。 土钉端部与面层的连接，一般是在土钉端部对称焊上短段钢筋，与土钉 钢筋相垂直焊上四根组成井字形的短钢筋。土钉端部与面层的连接也常采用 垫板的方法。在土钉伸出孔口的端部与面层的连接处，设置承压垫板通过 螺母将土钉与垫板相连。在注浆硬结后用扳手拧紧螺母。为此，应在离孔口 处留有小段的非粘结长度，在这一长度内可用土填孔，或者预留空隙待拧紧 螺母后，再注浆填满。 一般在基坑或土体边坡顶部均设置混凝土护顶，护顶的宽度为l 2 m 。 2 3 土钉支护的作用机理 土体的抗剪强度较低，抗拉强度凡乎可以忽略，因而自然坡只能以较 小的高度( 即临界高度) 直立存在。当土坡直立高度超过临界值或坡顶面超载 较大以及其它环境因素发生变化时( 如土的含水量改变) ，将引起坡的失稳。 为此常采用支档结构承受侧压力并限制其变形发展，这属于常规的被动制约 机制的支档结构。土钉则是在土体内增设一定长度与分布密度的锚固体，提 高土体强度，增强土坡自身的稳定性，为主动制约机制的支档体系。 基坑开挖施工中，土钉支护结构的承载机理，可概括为注浆土钉对周围 土体的固化改性和补强作用，土钉支护结构组成要素的结构作用和钉间土体 的成拱效应等，以下分别叙述： ( - - ) 、注浆钌对周围土体的固化改性和补强作用 ( 1 ) 固化改性作用。施工注浆土钉时，在高压作用下浆液通过管壁带孔眼 的中空钢管进入土体，在充填孔隙的过程中使土体挤密，使土体颗粒之问的 接触联系增多；同时，由水泥的水化化学反应生成的钙离子与粘土颗粒表面 的钠离子发生离子交换作用，使在土体中生成团粒结构并联结成稳定的凝胶 体，最终形成以“浆脉”为骨架的复合固结土，特别是土体中有裂隙发育时， 浆液会顺着裂隙扩渗，形成网脉状胶结。其主要反应机制为物理吸附和物理 化学吸附。 物理吸附主要表现为外加掺量在固化过程中吸收土壤中的水份，从而使 原有含水量及饱和度降低：水泥砂浆等渗透和固化过程中，部分地填充土壤 原有孔隙，使得原有孔隙度和孔隙比减小，干重度增加。 物理化学吸附即离子交换，体现在电解质凝胶的相互凝聚方面。胶体中 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 具有导电性质的离子( 凝聚离子，即阳离子) 与粘土颗粒表面的负电荷发生反 应，便产生凝聚作用现象。水泥与软土颗粒及水中的活性氧化硅和氧化铝与 氧化钙相互作用，不断生成具有水硬性的稳定化合物：含水硅酸钙和含水铝 酸钙，并胶结成结晶网。两种带有相反电荷的胶体颗粒相混合时即发生相互 凝聚作用。 这些因素都可以改变土体的物理力学性质，使其强度提高。 ( 2 ) 土钉对土体的补强作用。土钉对土体的补强作用可用准粘聚力理论来 解释。准粘聚力理论原理可以概括为：加土钉后的土体内摩擦角没有改变， 而土体的粘聚力增加了，由于粘聚力的增加提高了土体的抗剪强度。 ( 二) 、土钉支护结构的作用 土钉支护的结构要素中，土钉对确保基坑支护的稳定性有明显的作用。 对于复合土钉支护结构，搅拌桩( 包括喷射混凝土面层) 也有相当的作用。 ( 1 ) 土钉的箍束骨架作用。当土钉穿越潜在滑动面并深入稳定土体内一定 深度后，钉土间界面摩阻力发挥，对复合土体形成箍束骨架，约束土体变形， 并使复合土体构成一个整体。该作用依赖于土钉本身的刚度和强度已及土钉 在土体内的分布情况。 ( 2 ) 土钉的分担作用。在复合土体内，土钉与土体共同承担外荷载和土体 自重。由于土钉的抗拉、抗剪强度比土体高的多，且具有土体没有的抗弯刚 度，所以当土体进入塑性状态后，应力逐渐向土钉转移。土钉的荷载分担、 再分配作用逐渐增强。延迟了复合士体塑性变形的发展并呈现渐进性破坏性 状。土钉的受力状态有以下特征： 土钉安设的初期，完成注浆但注浆体与土层之间的粘结尚未形成，这 时土钉基本不受力。 注浆体将土钉粘结于地层中，随着开挖深度的增加，土体发生变形， 土钉逐渐产生拉力，这时土钉将拉力集中在与面层粘结的部位，靠近面层处 拉力最大，往后逐渐减小。 土钉的轴力随着开挖过程的进展而变化。当下层土体开挖后，上层土 钉前端轴力会突然增加。 当开挖足够深时，土钉的大部分处于滑动面之内，这时土钉内力表现 为中间部位( 靠近滑动面) 最大，两端最小。 ( 3 ) 土钉的应力传递与扩散作用。在同等荷载下，由土钉加固的士体内的 应变比素土边坡上体内的应变大大降低，从而推迟了土体开裂的形成与发展。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 原因之一就是由于土钉深入到滑动面以外稳定土体中的部分提供了较大抗 力，土钉通过其应力传递作用，将滑动面内部分应力传递到滑动面以外的稳 定土体中，并分散在较大的范围内。 ( 三) 、钉问土体的成拱效应 钉问土体存在的“土拱效应”是土钉与土体之间的相互作用的表现之一。 在土质条件较好、土钉问距较小的情况下，土钉之间的土体能形成承载拱， 以土钉为支点，承受因土体位移或松动产生的侧向压力并传递给土钉。如图 2 - 1 a 所示；土质条件较差或土钉间距过大时，钉间土体则难以形成土拱，如 图2 一l b 所示。 o v 厂邕必些 l 。d 卜 一_ 一r 一 斗；) ) ) ；) ：三 i 广二尘二仨，2 = _ = l j ； 一l r r r r r r 哪 一。i u u 山 l 二= = _ 二= = _ _ = 二= = = = _ = ：一 s vo h o h i l 帚亓而 图2 - 1钉问土体成拱作用示意图 ( 四) 、坡面变形的约束作用 在坡面上设置与土钉连在一起的钢筋网喷射混凝土面板，是发挥土钉有 效作用的重要缎成部分。坡面鼓胀变形是开挖卸荷、土体侧向变位及塑性变 形和开裂发展的必然结果，限制坡面鼓胀变形能起到削弱内部塑性变形，加 强边界约束作用，这对土体开裂变形阶段尤为重要。喷射混凝土面板起到对 坡面鼓胀变形的约束作用，面板约束力取决于土钉表面与土的摩阻力，当复 合土体开裂面区域扩大并连成片时，摩阻力主要来自开裂区域后的稳定复合 土体。 2 4 土钉支护施工工艺方法 2 4 1 支护坡面开挖 土钉支护结构施工是随着工作面开挖分层施工的，每层开挖的最大高度 取决于该土体可以站立而不破坏的能力，在砂性土中每层开挖高度为0 5 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 2 0 m 。在粘性土中每层开挖高度可按式( 2 - 1 ) 估算： 2 面丽2 c ( 2 1 ) 膪( 4 5 。一p 2 ) 。 式中，h 为每层开挖深度；c 为土的粘聚力；，为土的重度；妒为土的内 摩擦角。 开挖高度一般与士钉竖囱间距相匹配，便于土钉施工。每层开挖的纵向 长度，取决于交叉施工期间保持坡面稳定的坡面面积和旋工流程的相互衔接， 长度一般为1 0 m 。使用的开挖施工设备必须能挖出光滑规则的斜坡面，最大 限度地减少对支护土层的扰动。松动部分在坡面支护前必须予以清除。对松 散的或干燥的无粘性土，尤其是当坡面受到外来振动时，要先行进行灌浆处 理，在附近爆破可能产生的影响也必须予以考虑。在用挖土机挖土时，应辅 以人工修整。 2 4 2 挂网与喷射混凝土 一般情况下，为了防止土体的变形和避免水土压力引起边坡垮塌，需尽 快挂网与喷射混凝土。钢筋网一般采用双向0 8 0 2 0 0 。编织钢筋网时，层与层 之间的钢筋用扎丝固定。钢筋之间绑扎接头的搭接长度不小于3 0 c m ，将钢 筋网挂在坡面上，然后用2 0 跏左右长的钢筋打入坡面，约2 m 距离一个，外 露1 0c m ，定出砼喷射厚度，然后将钢筋网焊在钢筋上，距离坡面不小于3 绷， 为此，在适当的位置辅以垫块。 喷射混凝土目前常采用千法施工。干料为砂石料与水泥，所用水泥为 3 2 5 # 普通硅酸盐水泥，细骨料用中粗砂，粗骨料石子用5 1 5 m m 的卵石。 水灰比为0 4 5 ，砂率4 5 5 5 ，水泥；砂：石重量比为l ：2 ：2 。 喷射前，对搅拌机、空压机、喷射机、水管路和电缆线进行检查及试运 转，清理受喷面，检查埋设好的控制喷射砼厚度的标志。 喷射时，喷头与喷面垂直，保持在0 6 l 。0 朋的距离，喷头处工作风压 保持在0 1m p a 左右。喷射每层时，自下而上进行喷头运动按螺旋式轨迹一 圈压半圈均匀缓慢地移动。喷射时，要控制好水灰比，保持砼表面平整，湿 润光泽，无千斑或滑移流淌现象。喷射砼回弹率不大于2 5 ，喷层厚度变化 不超过设计要求的1 5 。为使施工搭接方便，每层下部3 0 0 m m 喷成斜面形 状，混凝土接茬时斜交搭接。对于两次喷射混凝土的接缝，须事先清理浮浆、 松屑，并用水浇洗。 喷射完后，回弹物及时回收利用，对各种设备及管路进行清洗。喷射混 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 凝土终凝后2 小时，开始浇水养护，保持混凝土表面湿润，养护期为7 昼夜。 2 4 3 土钉置入 土钉施工包括定位、成孔、置筋、注浆等工序，一般情况下，可借鉴土 层锚杆的施工经验和规范。 ( 1 ) 成孑l 成孔工艺和方法与土层条件、枫具装备及藏工单位的手段和经验有关。 当前国内大多数采用螺旋钻、洛阳铲等干法成孔设备，也可使用如y t n 8 7 型土锚专用钻机成孔。对边坡加固土钉，由于往往要在脚手架上施工且钻孔 长度较短，要求使用重量轻，易操作及搬运的钻机。为满足土钉钻孔的要求， 可选用k h y d 4 0 k b a 型岩石电钻，配置7 5 的麻花钻杆，每节钻杆长1 5 m ，钻 机整机重量4 0 堙，搬运操作非常方便，钻孔速度0 2 o 5 m r a i n ，工效较高， 适合于土钉施工。 依据土层锚杆的经验，孔壁“抹光”会降低浆士的粘结作用，当采用回 转或冲击回转方法成孔时。建议不要采用膨润土或其它悬浮泥浆做钻进护壁。 显然，在用打入法设置土钉时，不需要进行预先钻孔。在条件适宜时， 安装速度是很快的。直接打入土钉的办法对含块石的土是不适宜的，在松散 的弱胶结粒状土中应用对要谨慎，以免引起土钉周围土体局部结构破坏而降 低土钉与土体间的粘结力。 ( 2 ) 置筋 在置筋前，最好采用压缩空气将孔内残留及扰动的废土清除干净。放置 的钢筋一般采用i i 级螺纹钢筋，为保证钢筋在孔中的位置，在钢筋上每隔2 3 牌焊置一个定位架。 ( 3 ) 注浆 土钉注浆可采用注浆泵或砂浆泵灌注，浆液采用纯水泥浆或水泥砂浆。 纯水泥浆可用4 2 5 号普通硅酸盐水泥用搅拌装置按水灰比0 4 5 左右搅拌，水 泥砂浆采用1 ：z 至l ：3 的配合比用砂浆搅拌机搅拌，再采用注浆泵或灰浆 泵进行常压或高压洼浆。为保证土钉与周围土体紧密结合，在孔口处设置止 浆塞并旋紧，使其与孔壁紧密贴合。在止浆塞上将注浆管插入注浆口，深入 至孔底0 2 0 ，5 m 处，注浆管连接注浆泵，边注浆边向孔口方向拔管，直至 注满为止，放松止浆塞，将注浆管与止浆塞拔出，用粘性土或水泥砂浆充填 孔口。为防止水泥砂浆或水泥浆在硬化过程中产生干缩裂缝，提高其防腐性 能，保证浆体与周围土壁的紧密粘合，可渗入一定量的膨胀剂。具体渗入量 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 由试验确定，以满足补偿收缩为准。为提高水泥砂浆或水泥浆的早期强度， 加速硬化，可渗入速凝剂或早强剂。 2 5 土钉支护结构的质量检验 为保证土钉支护施工的安全和土钉支护结构的质量，需进行质量检验。 质量检验包括土钉的基本抗拔力试验、土钉抗拔力检验试验、原材料的进场 检验、喷射混凝土面层强度和厚度检验等。 2 5 1 土钉抗拔力检验 严格来说，每种地层均应分别做抗拔力试验，为土钉支护设计提供依据 或用以证明设计中使用的粘结力是否合适，由于土钉的整体作用是主要的， 不象锚杆那样要求高，所以只有对重要工程，设计或施工前需要进行土钉的 基本抗拔力试验，以确定土钉界面摩阻力的分布形式及土钉的极限抗拔力等。 对于一般的土钉支护工程，土钉抗拔力检验试验是必需的，试验数量应 为土钉总数的1 。且不少于3 根：土钉检验的合格标准可定为：土钉抗拔 力平均值应大于设计极限抗拔力，抗拔力最小值应大于设计极限抗拔力的 o 9 倍。土钉抗拔力设计安全系数：对临时性工程可取1 5 ，对永久性工程可 取2 虬 2 5 2 原材料检验 土钉支护工程原材料( 钢筋、水泥、砂、石等) 迸场检验，与钢筋混凝土 工程相同，可按有关的规范进行质量检验。 2 ，5 3 面层强度及厚度检验 喷射混凝土应进行抗压强度试验，试块数量可为每5 0 0 m 2 取一组，每组 试块不少于3 个，对于小于5 0 0 拼2 的独立工程，取样不少于一组。喷射混凝 土抗压强度试块可采用现场喷射混凝土大板方法制作。大板模具尺寸为 4 5 0 埘小x 3 5 0 搠mx 1 2 0 埘小( 长x 宽x 高) ，其尺寸较小的一边为敞开状，现场喷 射混凝土大板养护7 天后，加工切割成边长为i 0 0 坍m 的立方体试块。当不具 备切割制取试块的条件时，可直接向边长为1 5 0m m 的立方体无底试模内喷射 混凝土制取试块，其抗压强度换算系数，可通过试验确定。 喷射混凝土厚度检查可采用凿孔法或其它方法检查，检查数量可为每 1 0 0 埘2 取一组，每组不少于3 个点，其合格条件定为：全部检查孔处厚度平 均值应大于设计厚度，最小厚度不应小于设计厚度的8 0 ，并不应小于 5 0 m m 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 第3 章土钉支护技术在某风洞软土深基坑的应用 3 1 工程概况 川北某地拟建构筑物为立式庐5 m 风洞，洞体为混凝土筒体结构，洞体总 高5 5 1 肌，地面上4 0 锄，地面以下一】4 4 m ；附属厂房5 层，框剪结构，高3 0 2 m ； 基坑长3 7 2 m ，宽1 8 2 1 m ，开挖深度1 4 4 m 。其交通示意图如图3 - 1 所示，平 面图如图3 2 所示。 图3 - 1风洞基坑场地交通位置示意图 3 1 1 场区的工程地质条件 来 ( - - ) 、地形地貌 该场地位于山间冲积平原，地形平坦，场地标高在6 4 8 5 6 6 4 9 1 0 r e 之间， 相对高差o 5 4 m ，为苏包河i 级阶地：场地四周群山围绕，高出场地 4 0 0 5 0 0 m ，属中山地貌单元；拟建场地南面为6 0 。8 0 。的岩质陡坡，岩性 以白云质灰岩为主。 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 匝 陋 铸 螺 醐 n 南 匦 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 ( 二) 、地质构造 场地在地质构造上位于辕门坝背斜的轴部，其轴向近于东西；南部陡坡 岩层产状1 2 0 0 么4 6 。，由三叠系上中统嘉陵江白云质灰岩构成。在场地南端 沿山麓一带，有一逆断层通过，但由于地表第四系地层覆盖较厚，其断层要 素不详。从地质历史上看场区的地震基本烈度均未超过度，未发生过破坏 性地震，从区域地质构造来看，该场地属于稳定场地。 ( 三) 、场地岩土构成及其特征 场地岩土构成及其特征如下： 素填土：褐黄色，褐灰色，松散，稍湿，其成分以粉质粘土为主，局 部含少量的强风化的石灰岩碎块，其均匀性差，为新近填土。层厚 o 7 0 4 5 0 m 。 一1 粉质粘土：黄色，灰黄色，可塑。无摇振反应，稍有光滑，千强度 中等，韧性高，含较多铁锰质氧化物及少量钙质结核，结构较为细密。层厚 0 8 0 1 7 ，1 0 m 。 一2 粉质粘土：灰色，灰白色，软塑。无摇振反应，光滑，干强度中等， 韧性高，含较多铁锰质氧化物及少量钙质结核，结构较为细密。层厚 1 | 4 0 1 2 3 0 肌。 一3 淤泥质粉质粘土：灰色，深灰色，有光泽，嗅味，流塑，含较多有 机质。该层分布于软可塑粉质粘土中，呈透镜体，局部分布。最大揭露厚 度3 o o m 。 一4 淤泥：灰色，深灰色，有光泽，嗅味，流塑，含较多有机质。该层 分布于软可塑粉质粘土中，呈透镜体，局部分布。最大揭露厚度1 5 0 m 。 含角砾粉质粘土；灰自色，粉质粘土呈可塑硬塑状态。稍有光滑， 韧性低，角砾直径2 5 c m ，含量约2 0 4 0 ，其成分是强中等风化的白云 质灰岩，呈棱角形。层厚0 3 0 8 。3 0 m 。 一l 强风化白云质灰岩：灰色，灰自色，风化裂隙发育，层厚o 3 0 9 ，3 0 m 。 一2 中等风化白云质灰岩：灰色，灰白色，风化裂隙较发育，中厚层构 造，岩石质量指标r o d 在7 0 左右，岩石坚硬程度为较硬岩，岩体完整程度 为较完整。岩体基本质量等级为级，最大揭露厚度9 1 7 m 。 一3 微风化白云质灰岩：灰色，灰白色，风化裂隙较发育，岩石质量指 标r q d 在9 0 左右，岩石坚硬程度为较硬岩，岩体完整程度为较完整，岩体 基本质量等级为级，最大揭露厚度7 5 3 m 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 根据试验资料分析所得各层的物理力学参数见表3 - 1 。场地典型地质剖 面图( 图3 - 2 中的a a 剖面和b b 剖面) 见图3 - 3 。 表3 - 1 土层主要物理力学指标取值( 标准值) 序 重度y 压缩 承载力特征 抗剪强度指标 岩土名称模量粘聚力c内摩擦 号( k n m 3 )值f ( k p a ) e s ( m p a ) ( k p a ) 角巾( 。) 1 素填土 1 8 08 o5 0 一1 可塑状粉质粘士 1 9 ，34 2 21 0 01 5 11 3 0 一2 软塑状粉质粘土 1 9 13 6 38 01 4 71 2 9 2 一3 淤泥质粉质粘土 1 7 22 8 36 09 ，0 5 0 一4 淤泥 1 5 72 6 24 58 0 4 5 3 含角砾粉质粘土 2 0 ，74 3 71 2 02 4 5 1 7 3 一1 强风化白云质灰岩 2 4 02 5 01 0 03 5 4 一2 中风化白云质灰岩 2 7 0 ( 1 0 0 0 0 ) 1 0 0 0 01 0 0 04 5 一3 微风化白云质灰岩 2 77 ( 2 0 0 0 0 ) 1 4 0 0 01 5 0 04 7 ( 四) 、水文地质条件 场区地下水有两类，其一是赋存于第四系覆盖层内的孔隙潜水，局部表 层中分布有上层滞水，其分布不连续，直接受大气降水及地表水的补给。其 二是赋存于基岩中的裂隙水。地下水静止水位在地表以下2 4 0 3 2 0 m 。根据 井点抽水试验确定的综合渗透系数k = 0 4 5 t o l d 、综合流量q = 1 0 7 4 0 m 3 d ， 影响半径r = 1 0 8 7 7 m 。该场地地下水按环境类型、地层渗透性对混凝土及钢 筋混凝土结构中的钢筋均无腐蚀性。 3 1 2 岩土工程分析与评价 ( 一) 、场地稳定性评价 拟建场地所处位置为一相对稳定地块，场地周边有不良地质现象存在， 按其特征有： ( 1 ) 溶洞：场地东南边缘分布的白云质灰岩均为易溶岩石，以沿层面溶解 的落水洞居多，局部地区呈窜珠状分布。地表溶沟、溶芽也较发育。 ( 2 ) 崩塌：场地周围山麓一带均有大小不等的崩塌体分布，大部分崩塌体 裸露地表，最大体积在1 5 0 m 3 左右。坡度均匀，基本处于休止阶段。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 1 一素填土2 一可塑状粉质粘土3 一软塑状粉质粘土4 一淤泥质粉质粘土 5 一含角砾粉质粘土6 一中风化白云质灰岩7 一微风化白云质灰岩 a a - a7 地质剖面图( 图中单位为米) l 一素填土2 一可塑状粉质粘土3 一软塑状粉质粘土4 一含角砾粉质粘土 5 一强风化白云质灰岩6 一中风化白云质灰岩 7 一微风化白云质灰岩 b b - b 地质剖面图( 图中单位为米) 图3 3 基坑场地典型地质剖面图 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 ( 3 ) 冲沟：集中分布在场地的东面，其横断面呈“v ”字形，纵断面坡度 约3 5 左右，多梯级流水，沟底大部分白云质灰岩出露。冲沟上部汇水面积 较大，在暴雨时节，沿沟两侧易形成水灾。但由于排洪沟的作用，对场地影 响不大。 基岩层位稳定，是很好的地基持力层。从总体来说，拟建场地无临空面， 不具备失稳的条件，稳定性良好，适宜建筑。 ( 二) 、地震效应评价 如前所述，从地质历史上看场区的地震基本烈废均末超过度，未发生 过破坏性地震，另外，基坑护壁工程为临时性支护工程，拟建场地不存在饱 和粉土及砂土，故不考虑抗震和场地土体的液化问题。 3 2 基坑支护方案论证与设计 3 2 1方案论证与选择 本深基坑工程具有如下特点： ( 1 ) 土质条件差。 ( 2 ) 工期紧。该工程要求在三个月内完成全部基坑的开挖及支护。 ( 3 ) 施工面狭小。基坑东面及北面均有围墙，距南侧1 2 米处有一五层高 的风洞辅助楼。 ( 4 ) 对基坑的位移变形控制要求高。基坑周边有细长的工程桩，在基坑开 挖支护完成之后还要在基坑底施工人工挖孔桩，为保证工程桩的正常使用及 基坑底部人工挖孔桩的正常施工，工程桩及基坑周边不能有较大的变形。 基坑边坡支护设计必须满足以下要求： ( 1 ) 保证边坡的安全与稳定； ( 2 ) 保证边坡的水平及垂直位移不得危及周围建筑物的安全及正常使用； ( 3 ) 为风洞基坑底部桩基础照工提供足够的工作面： ( 4 ) 经济、快速。 根据地层特性、深基坑情况和现有支护技术，该深基坑可以采用内支撑、 土钉支护、桩或地下连续墙对基坑壁进行支护。采用内支撑将会影响主体结 构的施工，不宜采用内支撑方式。地下连续墙要求施工场她大，由于场地狭 小并存在着密集的工程桩，不宜采用地下连续墙。排桩支护虽然可行，但若 采用锚拉桩，可以减小桩的嵌入度，由于本场地土层平均内摩擦角不到1 3 。， 每延米锚杆( 索) 的抗拉力较小，势必造成锚杆的长度增加，大大增加施工难 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 度：若采用悬臂桩支护，则由于基岩较深，估计工程造价巨大。就场地地质 条件而言，护壁成桩方式只能采用钻孔成桩方式，桩径需大于1 4 0 m ，会对 厂房桩基产生干扰，且两种方式桩间土仍须进行支护。采用土钉支护结构， 由于结构单一，旌工速度快，不会对厂房桩基造成干扰。根据国内外资料分 析，土钉支护工程造价比其他支护类型的工程造价低约3 0 4 0 。因此， 采用土钉支护结构是本基坑的最佳选择。 经过论证，决定采用土钉对该基坑进行支护。 3 2 2 土钉支护结构体系设计 ( - - ) 、土钉支护设计参考依据 ( 1 ) 中国人民解放军6 3 8 2 0 部队，$ 5 米立式风洞桩基工程招标文件； ( 2 ) 现场调查和搜集的资料； ( 3 ) 中国建筑西南勘查研究院，岩土工程勘察报告； ( 4 ) 总装备部工程设计研究所设计的基础平面图、基础详图、位置图； ( 5 ) 现行国家标准、规范、规程：a 建筑基坑支护技术规程( j 6 7 1 2 0 一9 9 ) ，b 基坑土钉支护技术规程( c e c s 9 6 - 9 7 ) ，c 混凝土质量控制标 准( g b j 5 0 1 6 4 9 2 ) ，d 锚杆喷射混凝土支护技术规范( g b j 5 0 0 8 6 - - 2 0 0 1 ) ， e 地基变形测量规程( j g j t 8 9 7 ) 。 ( 二) 、土钉支护设计步骤 士钉支护设计按以下步骤进行：( 1 ) 根据基坑开挖深度、工程地质条件及 工程性质，确定土钉支护的平面、剖面尺寸及分段开挖长度和高度；( 2 ) 根据 土体抗剪强度，并参考类似工程的经验，确定土钉类型、直径、长度、间距、 倾角及在空间的方向；( 3 ) 确定注浆方式及浆体强度指标，进行注浆配方设计； ( 4 ) 设计喷射混凝土蕊层和支护顶防护措施；( 5 ) 进行内部稳定性分析和土钉 抗拔力验算；( 6 ) 进行外部稳定性分析：a 士钉支护结构抗滑稳定性验算，b 土 钉支护结构抗倾覆稳定性验算，c 土钉支护结构基底承载能力验算；( 7 ) 进行 施工图设计、构造设计，编制施工质量控制要求和现场监测要求。 ( - - ) 、支护设计计算 主要计算步骤分两步：第一步是根据土体侧压力计算士钉的拉力及验算 抗拔所需的锚固长度，第二步是根据第一步的计算结果，用圆弧滑动面条分 法验算支护的内部稳定性：将士钉支护视为“重力式挡土墙”，验算其外部 整体稳定性。 ( 1 ) 土钉长度的确定和截面的初步验算 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 土钉所受的侧压力p 为： p = 只+ 只 ( 3 1 ) 式中p 为土钉长度中点所处深度位黄上的侧压力( k p a ) ：只为土钉长度中点 所处深度位置上由支护土体自重引起的侧压力( k p a ) ，据图3 - 4 求出：只为 地表均布荷载引起的侧压力( k p a ) ，只= k 。g ，k 。= t a n 2 ( 4 5 。一9 2 ) 为主动土 压力系数。 图3 - 4 中支护土体自重引起的侧压力峰压p ，： 对于暑s 0 。5 的砂土和粉土：p ，= 。；5 e 对于嘉 。5 的一般粘性土：p 。= 吒( 1 _ 言击) 脚0 5 5 蚝 粘性土p ，的取值应不小于0 2 r h 。 k a qp m _ p 制 侧压p q侧压p z ( b ) 图3 4 侧压力分布 按照边坡土体侧压力完全由土钉承担的原则，土钉所受的最大拉力或设 计内力r 由下式求出： t = p s s c o s a ( 3 - 2 ) 式中s ，s 分别为土钉的竖向间距和水平间距( m ) ；口为土钉倾角( 度) 。 土钉长度根据圈3 5 的滑移面假定由下式确定： 工= l a + 三。 ( 3 - 3 ) 爵旦 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 5 页 式中，符号意义见图3 5 ，其中厶为有效锚固长度，应满足抗拔要求，可按 下式计算： ，一点三 8 一石d r ( 3 4 ) 式中，k 为安全系数取1 2 1 4 ，土质差时取大值，反之取小值；d 为土钉 孔径；f 为土钉与周围土体的界面粘结强度，宜由现场试验资料确定，若无 试验资料，可参考土层锚杆设计与施工规范( c e c s 2 2 ：9 0 ) 。 土钉的钢筋截面由下式确定： r r 4 。= 竺土( 3 5 ) 。 ) ， 其中，正为钢筋的抗拉设计强度，与此相应取安全系数如= 1 2 。 图3 - 5 土钉长度计算 ( 2 ) 基坑边坡内部整体稳定和外部整体稳定验算 内部整体稳定验算按圆弧滑动面条分法进行简化计算，由此算得边坡的 稳定安全系数足，如不能满足要求则应重新调整土钉的抗拔力。此外，土钉 钢筋截面所能提供的拉力应满足抗拔的要求。 外部整体稳定验算按重力式挡土墙验算，进行抗滑移、抗倾覆、抗隆起 和土钉支护结构基底承载能力验算。如果内部或外部整体稳定性不满足要求， 则需调整支护的设计参数，比如钉长、倾角等，返回步骤( 1 ) 重新计算，直至 内部及外部稳定性均满足要求。对内部及外部整体稳定性验算的具体过程将 在第4 章中介绍。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 6 页 ( 四) 、土钉支护结构构造设计 本工程设计验算时未考虑工程桩的作用，设计偏于保守。本工程的剖面 形式见图3 6 ，基坑开挖面开挖角度设计为8 0 。土钉设计为1 4 排，倾角均 为1 0 0 ，横向间距及竖向间距均为l 米，第一排土钉设在地面下1 米处。土钉 长度均取为1 8 米。土钉采用中4 8 钢管，壁厚3 5 历m ，管壁预钻中8 的灌浆 孔洞，每隔5 0 c 掰焊长l o 翎中1 6 倒刺，管内灌注纯水泥浆。钢筋网按中6 5 2 5 0 2 5 0 布置，喷射c 2 5 细石砼，厚度i 0 0 肌脚，基坑护壁面层布筋见图3 - 7 。 排水管采用中2 5 p v c 管，长度3 0 0 柳 ，横向间距3 m ，纵向间距2 m 。钢筋 网翻卷宽度3 0 m ，其上作护顶。护顶之上作1 2 0 砖砌体挡水。 中心线 i o 5 一一一一一一一 中风化白云质灰岩顶面 图3 - 6 基坑边坡剖面图( 设计图) 0 度 说明i 图中单位为米 2 比例为1 ：l o o 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 7 页 _ - - - - - - _ _ i _ - _ _ _ i _ - _ - _ _ - _ _ - - _ - - _ - - - _ _ - _ _ - _ _ - - l _ _ _ _ _ _ l _ - _ _ - _ - _ l _ _ _ - l _ _ _ 一 l 1 0 0 0 乙 加强筋横向审1 4 0 1 0 0 0 加强筋纵向中1 8 0 1 0 0 0 y 图3 7 基坑护壁面层布筋圈 3 3 开挖支护施工工艺溉述及监测 3 3 1 开挖支护施工工艺概述 基坑开挖前首先进行深井井点降水，待水位稳定后再进行基坑开挖。先施 工竖向长2 0 0 0 0 1 0 0 0 土钉并压浆一一般层段按土方开挖一土钉施工一挂钢筋 网一喷射砼一土钉灌浆一土方开挖程序进行循环作业。当旌工至淤泥层等软 弱层时，则按挂钢筋网一喷射砼一土钉施t - - 喷射砼一土钉灌浆一土方开挖 程序进行作业，以防软弱层垮塌。 主要施工机械见表3 2 。 表3 - 2 主要施工机械 设备名称型号数量 锚轩机q c 一1 5 03 空压机v y 一1 2 7 2 注浆机 u b h i 砼喷射机p 2 5 b l 交流弧焊机 b x 6 - 2 0 0l 材料切割机j 3 p 2 4 0 0 l 整体上的开挖和支护顺序为：先对整个基坑开挖3 6 米，同时进行支护： 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 8 页 然后从北段向下开挖和支护，逐步向南推进，施工中基坑底部北南方向的斜 坡角度在自稳条件下尽可能的大，随时监测基坑变形情况，以便了解是否调 整施工方案或采取应急措施。 ( 1 ) 土方开挖 a 在尚未完成上层作业面支护工作前，不得进行下一层深度的开挖。 b 严禁边壁出现超挖或造成边壁土体松动，边壁采用人工铲锹切削清坡。 c 支护分层开挖深度和施工的作业顺序应保证修整后的裸露边坡能在自 立时间内完成支护作业。边壁处开挖至淤泥软弱层时，挖深作业高度应控制 在o 5 m 。作业面在水平方向上按l o r e 距离分段进行开挖。 ( 2 ) 排水系统设置 为了防止地表水渗透对喷砼产生压力，并降低土体强度及土体与钉之 间的界面粘结力，土钉支护必须有良好的排水系统。 a 排水系统分为地表排水系统、支护内部排水及基坑排水系统。 b 对基坑四周支护范围内地表进行修整，护顶高于地面，使地表水不易 进入基坑中。设置地面排水