（岩土工程专业论文）复合土钉墙技术及其应用.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 复合土钉墙是近年来在土钉墙基础上发展起来的新型支护结构。它根据具体工程 条件，将土钉墙与深层搅拌桩、旋喷桩、微型桩、钢管土钉或预应力锚杆等结合起来， 形成复合基坑支护的一种技术。它弥补了一般土钉墙的许多缺陷。具有安全可靠、造 价低、工期短、使用范围广等特点，获得了越来越广泛的工程应用。 本文讨论了复合土钉墙的多种形式，分析了它与土钉墙的主要区别。其一是作用 机理不同；复合土钉墙是由土钉墙与各种形式桩及预应力锚杆结合起来共同承受边坡 的主动土压力的；其二是变形不同：复合土钉墙支护的土体开始随深度增加有明显的 水平移动趋势，而墙体有前凸的趋势，然后随深度的增加又逐渐减小。 本文重点根据基坑支护方案对复合土钉墙进行了设计计算。通过对基坑边坡的土 力学分析，确定土钉的设计荷载，土钉的倾角、位置、直径、有效长度、和总长度， 同时进行了必要的土钉抗拔验算和稳定性分析。 基坑支护过程是一个复杂动态的过程。随着基坑开挖深度的增加和土质、地下水 和环境的变化，基坑支护过程中会遇到意想不到的问题。本文结合胜利油田综合办公 楼基坑支护工程实践，阐述了复合土钉墙的施工工艺流程和质量控制的目标与方法， 以及如何通过对现场监测数据的分析预测支护的变形发展及可能出现的问题，以便及 时采取有效的处理措施。 关键词：复合土钉墙；基坑支护；土钉；锚杆；止水帷幕；微型桩 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t o nt h eb a s eo fs o i ln a i l i n gw a l lt e c h n o l o g y a san e wl 【i n do fr e t a i n i n ga n dp r o t e c t i n g s t r u c t u r ef o rf o u n d a t i o ne x c a v a t i o n ，c o m p o s i t es o i ln a i l i n gw a i lh a sg o tr a p i dd e v e l o p m e n t i nt h er e c e n ty e a r s a c c o r d i n gt ot h es i t ec o n d i t i o n s ，t h i st e c h n o l o g y ：c o m b i n e ss o i ln a i l i n g w a l l 州廿1d e e p - m i x e d p i l e ，j e tg r o u t e dp i l e ，m i n ip i l e ，s t e e l t u b es o i ln a i lo rp r e s t r e s sa n c h o r ， t h u sf o r m sac o m p o s i t er e t a i n i n ga n dp r o t e c t i n gs t r u c t u r ef o rf o u n d a t i o ne x c a v a t i o n a sa n i m p r o v e m e n to ft h es o i ln a i l i n gt e c h n o l o g y ，i th a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha ss a f e t y ， r e l i a b i l i t y ，l e s sc o s ll o wt i m e c o n s u m i n g ，a n di sg a i n i n gaw i d e ra n dw i d e rr a n g eo f a p p l i c a t i o n t h i st h e s i sd i s c u s s e sd i f f e r e n tk i n d so fc o m p o s i t es o i ln a i l i n gw a l l sa n da n a l y s e st h e d i f f e r e n c ef r o mac o m m o ns o i ln a i l i n gw a l l c o m p a r e dw i t ht h ec o l t l r n o ns o i ln a i l i n gw a l l ， t h ec o m p o s i t es o i ln a i l i n gw a i lh a sad i f f e r e n tw o r k i n gm e c h a n i s m i tu n d e r t a k e st h ea c t i v e e a r t hp r e s s u r eb yc o m b i n i n gt h es o i ln a i l i n gw a l la n dp i l e so rp r e s t r e s sa n c h o r s a tt h es a m e t i m e ，t h ed e f o r m a t i o ni sd i f f e r e n t a sl o n ga st h ee a r t hb e c o m ed e e p e r ，t h eh o r i z o n t a l d e f o r m a t i o no ft h ee a r t hs u p p o r t e db yt h ec o m p o s i t es o i ln a i l i n gw a l lb e c o m e so b v i o u sa t f i r s t t h ew a i lh a sat e n d e n c yw a r p i n gi nt h ef r o n t l a t e r ，t h ed e f m t n a t i o nb e c o m e sl e s s w h e nt h ew a l li sd e e p e r t h i st h e s i sc a l c u l a t e sa n dd e s i g n sac o m p o s i t es o i ln a i l i n gw a l la c c o r d i n gt ot h e r e t a i n i n ga n dp r o t e c t i n gp l a nf o rf o t m d a t i o ne x c a v a t i o n a c c o r d i n gt ot h es o i lm e c h a n i c s a n a l y s i so ft h es l o p e ，t h ed e s i g nl o a d ，i n c l i n ea n g l e ，p o s h i o n ，d i a m e t e r ，e f f e c t i v el e n g t h ， t o t a ll e n g t ho f t h es o i ln a i l sa r ed e t e m a i n e d t h e nt h ea n t i p u l lf o r c ea n ds t a b i l i t yo f t h es o i l n a i l sh a v eb e e nc h e c k e d 码er e t a i n i n ga n dp r o t e c t i n gp r o c e s sf o rt h ef o u n d a t i o ne x c a v a t i o ni sc o m p l e xa n d d y n a m i c a se x c a v a t i o nd e p t hi n c r e a s e s ，t h es o i lt y p e ，t h eu n d e r g r o u n dw a t e r ，a n dt h e s t t r r o u n d i n gc o n d i t i o n sm a yb ec h a n g e d ，a n dt h u si tl e a d st os o m eu n e x p e c t e dp r o b l e m s a l o n gw i t hap r a c t i c a lp r o j e c t t l l er e t a i n i n ga n dp r o t e c t i n gf o rf o u n d a t i o ne x c a v a t i o no f s h e n g l io i lf i e l dc o m p r e h e n s i v eo f f i c eb u i l d i n g ，t h i st h e s i sa n a l y s e st h ec o n s t r u c t i o n p r o c e d u r eo ft h ec o m p o s i t es o i ln a i l i n gw a l la n dt h eg o a la n dm e t h o do fq u a l i t yc o n t r 0 1 a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so ft h es i t ed a t a ，t h er e s u l t sa l s os h o wh o wt op r e d i c tt h e d e v e l o p m e n to fd e f o r m a t i o na n dp r o b l e m st h a tm a yh a p p e n ，a n dh o wt ot a k ee f f e c t i v e m e a s u r e st od e a lw i t hs u c hp r o b l e m s k e yw o r d s ：c o m p o s i t es o i ln a i l i n gw a l l ；r e t a i n i n g a n dp r o t e c t i n gf o rf o u n d a t i o n e x c a v a t i o n ；s o i ln a i l ；a n c h o r ；c u r t a i nf o rc u t t i n go f f w a t e r ； m i n ip i l e i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：彳画骘至哆奄仝 日期：d 2 叮屯s 年f 1 月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 一 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密酌。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：可l 、啬主多粒 日期：仗n 门r 年71 月、7 日 指导教师签名： 眈汉 日期：朋，年r ，月 7 日 华中科技大学硕士学位论文 1 1 概述 1绪论 随着我国经济的飞速发展，城市建设出现了日新月异的变化，高层、超高层建筑 如雨后春笋般地拔地而起。而城市可利用空间越来越小，深基坑支护已经成为我国建 筑界的热点问题，总的来说，具有深、差、密、紧、多等特点，即基坑越挖越深；工 程地质条件越来越差；基坑四周已建或在建高大建筑物密集或紧靠重要市政道路及设 施；施工工期紧；工程事故多；特别是软土地基深基坑具有地下水位高，基坑变形具 有时空效应等特点。深基坑支护包括基坑支护结构的设计和施工、地下水控制、基坑 土方开挖、工程监测和周围环境保护等。影响基坑工程的不确定因素多( 如土工参数 的准确性、气候影响、计算假定、施工队伍素质) ，基坑周围环境复杂( 邻近建筑物、 地下管线、周围道路) ，因此基坑工程风险较大【l 】。我国已经有了基坑工程技术规程， 但是因为幅员辽阔，各地区地质条件千差万别，难以确定普遍适用的土力学参数，所 以土力学的计算公式具有很大的近似性【2 】。因此要结合具体的地域范围和工程地质条 件，研究基坑支护变形受力特点，探索其规律。 对深基坑支护的工程实践进行探索和研究，也是当前水文地质学面临的重要课 题。黄河三角洲地区的地貌单元属黄河冲( 淤) 积平原，土质大部分为粉质粘土、淤 泥质粘土、粉土、粉砂，属典型的软土场地。土体的水平、垂直渗透系数小，土壤粘 聚力小，具有蠕变性，城市地下水位较高，埋深在0 6 0 8 m 左右，土体直立高度 1 o 1 2 m 3 1 。本地区有两层较为典型的土层，一是3 m 4 m 处有一层淤泥质土层，蠕变 性大，灵敏度高；二是7 8 m 处有一层细砂层，低孔隙比，低压缩性，易发生流砂现 象。这两个土层给基坑支护带来相当大的难度【4 】。探索本地区特有地质条件下适宣的 支护形式以及这种形式在此类地层中的作用机理，可以为本地区建筑行政主管部门制 定相应的规范规程提供一定的参考。 从复合土钉墙的发展历史来看，自其诞生之日起，就具有其他基坑支护形式不可 替代的优越性。其造价低廉，施工工期短，对变形限制不太严格的二、三类基坑进行 支护具有广阔的应用前景和经济效益。黄河三角洲地区的水文地质特点很适宜采用复 华中科技大学硕士学位论文 合土钉墙。如果采用粉喷桩、钻孔灌注桩一锚杆体系作为基坑支护体系，那么支护深 度可以较大，但是由于该地区有一层细砂层的存在，易发生流沙现象，采用桩锚体系 必须以深层搅拌桩作为止水帷幕，这就大大提高了工程造价，是业主不愿接受的。而 复合土钉墙以止水帷幕、超前支护和土钉三者组成复合土钉墙支护，成功解决了流砂 问题，造价低廉，施工工期短，因此深受欢迎。但由于复合土钉墙的设计与施工仍存 在尚未解决的问题，其施工有较大的风险。因此，解决这些问题具有较高的实践意义。 1 2 复合土钉墙支护技术简介 谈到复合土钉墙，我们就不得不先介绍一下土钉墙。土钉墙是近年来发展起来用 于土体开挖和边坡稳定的一种新型挡土结构。该方法是先在垂直坡面方向上以一定倾 角成孑l ，将钢筋置入孔内，然后往孑l 内注浆，在孔内形成注浆土钉体；随后在坡面披 挂钢筋网，并与土钉连接，最后在坡面上喷射混凝土。由原位土体、设置在土体中的 土钉与坡面上的钢筋混凝土三部分组成的土钉加固体称为土钉墙( s o i ln a i l i n g w a l l s ) 1 5 】。土钉支护自2 0 世纪7 0 年代产生以来，由于其施工工艺简单，成本低，在 边坡与基坑支护工程中得到了广泛的推广与应用。但土钉对地层条件要求较高，通常 仅适用于地下水位低，自立性较好的土层中。所以在早期，土钉支护多用于有一定自 立能力并能提供足够抗拔阻力的较密实的砂土、粉土、素填土、坚硬或硬塑粘性土等 的基坑支护中。建筑基坑支护技术规程j g j l 2 0 9 9 1 6 规定土钉墙适用于二、三级基 坑，非软土场地，基坑深度不宜大于1 2 米。后来，东南沿海一带淤泥及淤泥质土为 主的软土地区亦开始应用该技术，为适应这一带软土的特性，发展了复合土钉支护技 术。即以薄层的水泥土桩墙或压管注浆等超前支护措施来解决土体的自立性、隔水性 及喷射混凝土面层与土体的粘结问题，以水平向压密注浆及二次压力灌浆来解决围护 墙土体加固和土钉抗拔力问题，以一定的插入深度解决坑底隆起、管涌和渗流等问题， 亦即以止水帷幕、超前支护和土钉三者组成复合土钉支护。 2 华中科技大学硕士学位论文 1 3 复合土钉墙的种类及其技术研究现状 1 3 1 复合土钉墙的种类 根据理论研究和工程实践，复合土钉墙主要有下列几种类型，见图1 1 1 4 。 1 土钉墙+ 止水帷幕+ 预应力锚杆 、 土钉墙+ 止水帷幕+ 预应力锚杆( 图1 1 ) 是应用最为广泛的一种复合土钉墙形式。因 为降水经常引起基坑周围建筑、道路的沉降，造成环境破坏，引起纠纷，所以一般情 况下，基坑支护不采用降水方案，而设置止水帷幕。止水帷幕起止水和加固支护面的 双重作用。止水帷幕可采用搅拌桩、旋喷桩及注浆等方法形成。由于搅拌桩止水帷幕 效果好，造价便宜，所以在可能条件下均采用搅拌桩作为止水帷幕，只有在搅拌桩难 以施工的地层使用旋喷桩。止水后土钉墙的变形一般较大，在基坑较深，变形要求严 格的情况下，需要采用预应力锚杆限制土钉墙的位移，这样就形成了最为常用的复合 土钉墙形式，即，土钉墙+ 止水帷幕十预应力锚杆。 这种形式之所以应用广泛，是因为它满足了大多数实际工程的需要。在设计中， 应根据基坑深度、工程地质及周边环境条件，计算选择这种复合土钉墙的各种参数。 图1 1土钉墙+ 止水雌幕+ 预应力锚杆型复合土钉墙简图 2 土钉墙+ 预应力锚杆7 1 华中科技大学硕士学位论文 图12 土钉墙+ 预应力锚杆型复合土钉墙简图 当地层条件为粘性土层和周边环境允许降水时，可不设置止水帷幕，但基坑较深 且无放坡条件时，则可以采用土钉墙+ 预应力锚杆( 图1 2 ) 这种复合土钉墙形式，预应 力锚杆加强土钉墙，以限制土钉墙位移。 3 土钉墙十微型桩+ 预应力锚杆 当基坑开挖线离红线和建筑物距离很近，且土质条件较差，开挖前需对开挖面进 行加固，搅拌桩又无法施工时，采用土钉墙+ 微型桩+ 预应力锚杆( 图1 3 ) 这种复合土钉 墙支护形式。微型桩常采用直径1 0 0 3 0 0i 3 3 n i 的钻孔灌注桩、型钢桩、钢管桩以及木 桩等，预应力锚杆加强土钉墙，限制土钉墙位移。 乏 ，乡 垂 土钉 乒 二 1 2 ( 安全) o 5 1 8 1 0 2 i 1 一型1 l4 0 5 7 ( 2 ) 抗倾覆稳定验算 将2 而2 c = 。- 8 8 m ，实取o _ 8 m 代入公式2 _ 2 3 得抗倾覆稳定性安全系数k ( 3 ) 整体稳定性验算 km= 0 5 1 0 2x 1 0 1 8 1 8 ( 。1 0 1 0 一揣1 8 卜s ， l o5 7j = 1 1 5 7 1 2 ( 安全) 3 7 华中科技大学硕士学