太铁建南高层住宅小区北楼深基坑支护――土钉墙在深基坑支护中的应用.doc

太铁建南高层住宅小区北楼深基坑支护土钉墙在深基坑支护中的应用桑明辉 张云志摘要由中铁三局集团建安公司承建的太原铁路局建南高层住宅小区北楼工程，基坑土方开挖采用了土钉墙支护方案，支护完成后效果非常好。本文主要介绍土钉墙支护的原理、施工工艺、土钉抗拔试验、支护监测及其发展的广阔前景。关键词深基坑；土钉墙支护；基坑监测太铁建南高层住宅小区北楼位于太原市建设南路东侧，原太铁四中院内。建筑面积为42207m2，主体结构为剪力墙，工程东西分为A、B两段，A段地下2层，地上29层，B段地下1层，地上28层。其中A段的基坑开挖深度为10.2m；B段的基坑开挖深度为5.4m。1、场地条件本工程位于城市中心，周围建筑物较密集，施工场地十分狭小和复杂。其基坑东侧距离一栋四层办公楼仅4m，距一给水管道仅0.5m；基坑北侧距一栋二层的锅炉房仅4.5m，距一污水管道仅2m；基坑西侧距一栋二层楼房仅6m。2、工程地质情况由地质报告可知，本工程场地土层自上而下分为两层：第一层为杂填土，杂色，含有灰渣、煤屑、碎砖、小石子等，结构松散，平均厚度为4.0m。第二层湿陷性粉土，褐黄色，稍湿，以粉土为主，局部夹有砂砾石层，含云母、当量钙质菌丝，有虫孔、植物根，含少量姜石，具大孔隙，具中等压缩性，局部为高压缩性，平均厚度为6.2m。本工程地质报告显示，地面下50米无地下水。3、基坑边坡支护方案根据本工程的特点，选用土钉墙支护方案。3.1 A段基坑边坡支护土钉墙设计3.1.1地质情况1）杂填土：平均厚度4m；土的重度 16.5KN/m3；土的粘聚力 1.5KPa；土的内摩擦角 23.7。2）粉 土：平均厚度6.2m；土的重度 16.2KN/m3；土的粘聚力 4.0KPa；土的内摩擦角 20.0。3.1.2设计参数对以上参数通过加权平均后可得：16.3KN/m3 ；3.0KPa ；22；Katg（45-/2）0.45 ；Ka1/20.673.1.3计算土钉内力及长度 1）土自重产生的侧压力：PmKa1-2/（HKa1/2）H0.55 KaHPm0.451-23/（16.310.20.67）H0.42H 0.55 KaH0.550.45H0.25H0.42H所以 Pm0.55 KaH41.1KPa2）地表均匀荷载产生的侧压力：取地表均匀荷载q=5KN/m2PqKaq0.4552.3 KPa3）土钉长度中点所处位置上的侧压力：P= Pm+ Pq=41.1+2.3=43.4KPa4）土钉最大拉力计算：取土钉倾角8，土钉上下左右间距1.5mNP1.51.5/（cos8）98.6 KPa5）土钉钢筋直径计算：取Ks1.3；fyk310N/mm2d（KsN41000）/（1.1310）1/221.9mm所以选用226）土钉长度计算土钉全长LLa+Lb(KsN/DE)+ Lb参照图一，第一层锚杆距地面1.35m，土钉上下左右间距为1.5m，孔直径100mm，共6层。（1）土钉长度La计算：查表得土层界面粘结强度为：杂填土60 KPa，粉土100 KPa第一层土钉长度La1：其位置在1.35m处，Pm1Pm/（H/4）43.41.35/（10.2/4）23.0 KPa，Pq2.3 KPaPm1+ Pq=23.0+2.3=25.3 KPaN125.31.51.5/（cos8）57.5 KPaLa157.51.3/（0.160）4.0m第二层土钉长度La1：其位置在2.85m处，Pm2Pm41.1 KPa，Pq2.3 KPaPm2+ Pq=41.1+2.3=43.4 KPaN243.41.51.5/（cos8）98.6 KPaLa298.61.3/（0.160）6.8 m第三层土钉长度La1：其位置在4.35m， Pm3Pm41.1 KPa，Pq2.3 KPaPm3+ Pq=41.1+2.3=43.4 KPaN343.41.51.5/（cos8）98.6 KPaLa398.61.3/（0.1100）4.1m同样可得：La44.1mLa54.1mLa64.1m（2）土钉长度Lb计算：H18.85mLb1=H1tg（45-/2）sin（45+/2）/sin（135-/2-8）5.5mH2=7.35mLb2=H2tg（45-/2）sin（45+/2）/sin（135-/2-8）4.6mH2=5.85mLb2=H2tg（45-/2）sin（45+/2）/sin（135-/2-8）3.6mH2=4.35mLb2=H2tg（45-/2）sin（45+/2）/sin（135-/2-8）2.7mH2=2.85mLb2=H2tg（45-/2）sin（45+/2）/sin（135-/2-8）1.8mH2=1.35mLb2=H2tg（45-/2）sin（45+/2）/sin（135-/2-8）0.8m（3)土钉全长：L1=La1+Lb14.0+5.59.5mL2=La2+Lb26.8+4.611.4mL3=La3+Lb34.1+3.67.7mL4=La4+Lb44.1+2.76.8mL5=La5+Lb54.1+1.85.9 mL6=La6+Lb64.1+0.84.9 m（4）将土钉计算长度调整如下：L1=10m；L2=12m；L3=8m；L4=7m；L5=6m；L6=6m3.2 B段基坑边坡支护土钉设计3.2.1地质情况1）杂填土：厚度35m，平均厚度4m；土的重度 16.5KN/m3；土的粘聚力 1.5KPa；土的内摩擦角 23.7。2）粉 土：厚度5.27.2m，平均厚度6.2m；土的重度 16.2KN/m3；土的粘聚力 4.0KPa；土的内摩擦角 20.0。3.2.2设计参数对以上参数通过加权平均后可得：16.3KN/m3 ；3.0KPa ；22；Katg（45-/2）0.45 ；Ka1/20.673.2.3计算土钉内力及长度 1）土自重产生的侧压力：PmKa1-2/（HKa1/2）H0.55 KaHPm0.451-23/（16.35.40.67）H0.40H 0.55 KaH0.550.45H0.25H0.40H所以 Pm0.55 KaH21.8KPa2）地表均匀荷载产生的侧压力：取地表均匀荷载q=5KN/m2PqKaq0.4552.3 KPa3）土钉长度中点所处位置上的侧压力：P= Pm+ Pq=21.8+2.3=24.1KPa4）土钉最大拉力计算：取土钉倾角8，土钉上下左右间距1.5mNP1.51.5/（cos8）54.8 KPa5）土钉钢筋直径计算：取Ks1.2；fyk310N/mm2d（KsN41000）/（1.1310）1/215.7mm所以选用166）土钉长度计算土钉全长LLa+Lb(KsN/DE)+ Lb参照图二，第一层锚杆距地面1.2m，土钉上下左右间距为1.5m，孔直径100mm，共3层。（1）土钉长度La计算：查表得土层界面粘结强度为：杂填土60 KPa，粉土100 KPa第一层土钉长度La1：其位置在1.2m处，Pm1Pm/（H/4）21.81.2/（5.4/4）19.4 KPa，Pq2.3KPaPm1+ Pq=19.4+2.3=21.7KPaN121.71.51.5/（cos8）49.3KPaLa149.31.2/（0.160）3.2m第二层土钉长度La1：其位置在2.7m处，Pm2Pm21.8 KPa，Pq2.3 KPaPm2+ Pq=21.8+2.3=24.1KPaN224.11.51.5/（cos8）54.8KPaLa254.81.2/（0.160）3.5m第三层土钉长度La1：其位置在4.2m， Pm3Pm21.8 KPa，Pq2.3 KPaPm3+ Pq=21.8+2.3=24.1KPaN324.11.51.5/（cos8）54.8KPaLa354.81.2/（0.1100）2.1m（2）土钉长度Lb计算：H14.2mLb1=H1tg（45-/2）sin（45+/2）/sin（135-/2-8）2.6mH22.7mLb2=H2tg（45-/2）sin（45+/2）/sin（135-/2-8）1.7mH21.2mLb2=H2tg（45-/2）sin（45+/2）/sin（135-/2-8）0.7m（3)土钉全长：L1=La1+Lb13.2+2.65.8mL2=La2+Lb23.5+1.75.2mL3=La3+Lb32.1+0.72.8m（4）将土钉计算长度调整如下：L1=6m；L2=6m；L3=3m 3.3坡面层设计：坡比1：0.1，面层钢筋网片为6的钢筋间距200mm双向布置；面层喷射C20细石砼，厚度为100mm。4、施工工艺及操作要点4.1工艺流程测量放线第一步土方开挖修理边坡成土钉孔安装土钉注浆安装土坡面层钢筋网安装土钉加强筋喷射面层混凝土第二步土方开挖（按此循环）4.2施工准备（1）掌握可靠的地质资料，了解土的性质、地下水位情况、地下有无管线及基坑深度、坡度等；以确定土钉的直径、长度、间距等技术参数，进而制定切实可行的施工方案。本工程采用清华大学研制的理正深基坑计算软件进行土钉计算。（2）对基坑四周支护范围内的地表加以修正，设置挡水墙和进行硬化，并使之具有向外的坡度，防止地表水向下渗和流入基坑；（3）在水平方向合理的划分施工段。4.3测量放线根据基础施工的要求，确定基坑边坡的下边线位置，并根据坡度大小放出边坡的上边线。4.4第一步土方开挖（1）按照设计要求分层开挖，每层开挖深度为1.5m，不得超挖。在未完成上层支护施工前，不得进行下一层土方开挖；（2）基坑在水平方向的开挖应分段进行，一般可取1020m；（3）土方开挖后应在最短时间内设置土钉、注浆及喷射混凝土，减少裸露时间。对于自稳能力差的土体，如高含水量的粘性土和无粘结力的砂土，应立即进行支护。4.5修理边坡基坑边坡宜选用小型机具或用铲、锹人工进行削切修坡，使边坡平整，以符合设计坡度要求。4.6成孔（1）成孔可采用机械或人工成孔。（2）成孔前按设计要求定出孔位做好标记和编号，并做好施工记录。有异常情况发生时（如不能成孔或成孔深度不够等）应及时与有关单位联系，重新验算，调整土钉的长度和间距。（3）孔位允许偏差100mm，角度允许偏差1，孔径允许偏差+20mm-5mm，孔深允许偏差+200mm0mm。4.7安装土钉（1）土钉入孔前应设置定位架，保证土钉处于孔的中心位置。支架间距23m。支架材料可用金属或塑料；（详见附图一）（2）成孔后应进行清孔检查，对孔中出现的局部渗水、塌孔应立即处理。成孔后应及时安装土钉并注浆；（3）在易塌孔的土体中可采钢管代替钢筋作为土钉。（详见附图二）4.8注浆（1）孔内注浆可采用重力、低压（0.40.6N/mm2）或高压（12N/mm2）法注浆；对水平孔必须采用低压或高压法注浆，并应在孔口处设置止浆塞，注满浆后保持压力35min；对下斜孔采用重力或低压注浆。其中重力注浆以满孔为止，但在初凝前须补浆12次；（2）二次注浆：为提高土钉抗拔力可采取二次注浆法。即在首次注浆终凝后24h内，用高压（23 N/mm2）向孔内第二次注浆，注满后保持压力58min；（3）向孔内注入浆体的充盈系数必须大于1，即注浆量超过孔的体积；（4）注浆所用水泥砂浆时水灰比1：0.40.45；注浆所用水泥净浆时水灰比1：0.450.5，宜加入外加剂；（5）试验取样：注浆砂浆强度试块，采用70.7 mm *70.7 mm *70.7mm立方体试模，每一工作班组至少留置一组。4.9土钉与面层的连接方法一：用粗的短钢筋与土钉端部焊接牢固，进行锚固；（详见附图三） 方法二：用螺丝、螺母及垫板进行锚固。螺丝杆需与土钉端部焊接牢固。（详见附图四） 4.10安装土坡面层钢筋网按照设计要求绑扎安装钢筋网片，通常采用6.5200的钢筋网片。网片可以焊接或绑扎，网格允许误差10mm，平铺搭接长度不应小于1个网格边长或200mm。上层钢筋网片与下层钢筋网片的搭接长度为25倍钢筋直径。 钢筋网片应牢固的固定在土壁上，并保证保护层厚度；网片应与土钉固定牢固，喷射混凝土时网片不得晃动。4.11安装土钉加强筋为进一步加强土钉墙支护的整体性、稳定性，把所有土钉用直径14的螺纹钢筋连接在一起，呈“井”字状布置。（详见附图五） 4.12喷射面层混凝土（1）混凝土的水泥与砂石重量比宜为1：41：4.5，砂率4555，水灰比0.40.45，当气温较低时，宜加入适量的速凝剂；（2）作业前要对机械进行检修，清理喷面，埋好控制喷射混凝土厚度的标识；（3）砼面层一般厚度为80120mm，当面层厚度超过120mm时，要分两次喷射；（4）当采用干法作业时，空压机风量不宜小于9m3/min，喷头水压不小于0.15N/mm2；（5）喷射混凝土施工完成后应进行浇水养护，养护时间不少于7d。5、材料1）水泥：水泥宜用Po32.5#；2）砂子：中粗砂；3）碎石：粒径5mm；4）土钉：一般采用1825的、螺纹钢筋。5）其它材料：电焊条、水泥浆输送管、细石砼输送管等6、机具设备序号名称单位数量备注1铲、锹把20修整边坡2洛阳铲把20成孔3钻孔机台1成孔4喷射机台1喷射水泥浆5水泥浆搅拌机台1拌制水泥浆6空气压缩机台1加压7钢筋调直机台1钢筋调直8电焊机台1钢筋焊接9钢筋切割机台1钢筋截断7、劳动力组织及安全序号工种人数工种专项备注1技工5成孔、注浆、喷射砼2混凝土工5拌制砼、水泥浆3钢筋工4制作、安装锚杆和钢筋网片4力工6修理边坡、运输材料8、质量要求1）边坡的坡度一定要符合设计要求；2）成孔时，孔的坡度和长度要符合设计要求，当不能满足时应与设计单位联系解决；3）要保证土钉位于孔的中间；4）注浆时，注浆的压力和充盈系数一定要满足设计要求；5）钢筋网片要绑扎规范，安装牢固，保证保护层厚度；6）喷射面层砼时要保证厚度。9、施工中遇到的问题及处理方法9.1孔深达不到设计要求原因分析：1）土中存在原建筑物地下构筑物等障碍物；2）土质较差，易塌孔；3）土中含水量较大。解决方法：1）因存在障碍物不能成孔的，通过计算，局部进行了土钉位置移动和土钉加密；2）在易塌孔的土中，改用钢管土钉，用大锤打入，钢管上割有小洞，并焊有钢板片，注浆后会行成与进入方向相反的倒刺，增大受力；3）对土中含有较大水量的土方应先进行降水，再进行土钉施工。9.2边坡修理不平整原因分析：1）土中存在原建筑物地下构筑物等障碍物；2）土质较差。解决方法：1）由人工或机械将阻碍支护施工的障碍物进行凿除，对影响不大的也可不处理，但其本身要牢固，不会形成危险；2）对土质较差的土可进行边修坡边喷一层薄的砼面层；个别部位可打入几根12m长的钢筋呈梅花状布置，进行局部加固。10、土钉抗拔试验10.1土钉抗拔试验的要求1）土钉墙支护施工必须进行土钉的现场抗拔试验；2）一般应在非工作土钉上进行抗拔试验，试验土钉应与工作土钉施工完全相同，且外露1m； 3）每一类型土层中测试土钉数量，不少于土钉总数的1且不少于3根；4）应由具备相应资质的试验单位进行检测；5）试验时间：应在注浆浆体施工完成满28d后进行；6）抗拔试验一般用千斤顶分级加载。10.2本工程土钉抗拔试验点的设置本工程在A段的每个边坡设置两试验用土钉，在B段的每个边坡设置一个试验用土钉，编号为S1S9。当土钉墙支护的注浆和面层砼施工完成满28d后，由具有土钉墙支护抗拉拔试验资质的试验室，在现场做拉拔试验。10.3本工程土钉抗拔试验1）工具：穿孔液压千斤顶、穿孔钢板、油压表、测力杆等。2）试验方法：先把钢板穿在土钉上，并直接压在喷射混凝土表面作为垫板；然后安装千斤顶，要求千斤顶直接顶在钢板上，并用锚距使其与土钉固定牢固；最后安装测力杆和油压表；要求土钉、千斤顶、测力杆均在同一轴线上。然后分级连续加载，初级加载值不宜大于设计值的10，以后每级加载值不宜大于设计值的20。每级荷载施加完毕，且荷载保持稳定不变后，应立即记录下荷载值和位移值，然后进行下一级加载。（详见图十）3）现场试验检测S1:长度为10.0m、直径为22mm的二级钢筋，设计抗拉力为57.5KN的土钉，千斤顶分级加载至75.5KN时仍未破坏；S2:长度为12.0m、直径为22mm的二级钢筋，设计抗拉力为98.6KN的土钉，千斤顶分级加载至129.5KN时仍未破坏；S3:长度为8.0m、直径为22mm的二级钢筋，设计抗拉力为98.6KN的土钉，千斤顶分级加载至130.0KN时仍未破坏；S4:长度为7.0m、直径为22mm的二级钢筋，设计抗拉力为98.6KN的土钉，千斤顶分级加载至130.5KN时仍未破坏；S5:长度为6.0m、直径为22mm的二级钢筋，设计抗拉力为98.6KN的土钉，千斤顶分级加载至129.5KN时仍未破坏；S6:长度为6.0m、直径为22mm的二级钢筋，设计抗拉力为98.6KN的土钉，千斤顶分级加载至130.0KN时仍未破坏；S7:长度为6.0m、直径为16mm的二级钢筋，设计抗拉力为49.3KN的土钉，千斤顶分级加载至64.5KN时仍未破坏；S8:长度为6.0m、直径为16mm的二级钢筋，设计抗拉力为54.8KN的土钉，千斤顶分级加载至72.0KN时仍未破坏；S9:长度为3.0m、直径为16mm的二级钢筋，设计抗拉力为54.8KN的土钉，千斤顶分级加载至72.0KN时仍未破坏；10.4本工程土钉支护的安全系数1）A段Ks（75.5+129.5+130.0+130.5+129.5+130.0）/（57.5+98.6+98.6+98.6+98.6+98.6）725/550.51.321.3所以满足要求2）B段Ks（64.5+72.0+72.0）/（49.3+54.8+54.8）208.