深基坑土钉支护技术的实践与应用

-PAGE16-浅析深基坑土钉支护技术的实践与应用目录TOC\o"1-3"\h\zHYPERLINK\l"_Toc230800538"一、近年来我国深基坑技术的新发展。1HYPERLINK\l"_Toc230800539"二、土钉支护在基坑支护工程中的合理应用。3HYPERLINK\l"_Toc230800540"三、本文选取土钉支护技术的灵感来源。3HYPERLINK\l"_Toc230800541"四、土钉支护技术的概念。4HYPERLINK\l"_Toc230800542"1、土钉支护的部件组成：4HYPERLINK\l"_Toc230800543"2、土钉支护的施工步骤：5HYPERLINK\l"_Toc230800544"五、土钉的技术作用及工作机理5HYPERLINK\l"_Toc230800545"六、土钉支护体系的适用范围。9HYPERLINK\l"_Toc230800546"四、土钉支护技术的特点。10HYPERLINK\l"_Toc230800547"五、土钉支护在施工中的具体应用。11HYPERLINK\l"_Toc230800548"1、开挖11HYPERLINK\l"_Toc230800549"2、排水系统12HYPERLINK\l"_Toc230800550"3、注浆钉的设置13HYPERLINK\l"_Toc230800551"4、喷混凝土面层14HYPERLINK\l"_Toc230800552"5、有关土钉的现场测试与土钉支护的施工监测情况14近年来我国深基坑技术的新发展。纵观近20年来我国在建筑工程中的发展状况，在各大城市万栋高楼拔地而起，10层以上的建筑物已逾1亿平方米；其中高度超过100m的建筑物已有约200座。上海金茂大厦高420.5m，深圳地王大厦高325m，广州中天大厦高322m，它们跻身于当今世界20座超级巨厦之列，令人瞩目。同时，这些已建和在建的高楼超高大楼，其基坑深度已逐渐由6m、8m发展至10m、20m以上。伴随着这些工程的实施，深基坑工程的设计施工技术已取得了长足进步。深基坑工程在国外称为DeepExcavation（深开挖工程）其含义除“为了设置建筑物的地下室需开挖深基坑”外，还包括为了埋设各种地下设施而必须进行的深层开挖。深基坑工程问题在我国随着城市建设的迅猛发展而不断地涌现出来，并且曾一度成为造成人们困惑的一个技术热点和难点。城市中深基坑工程常处于密集的既有建筑物、道路桥梁、地下管线、地铁隧道或人防工程的近旁，虽属临时性工程，但其技术复杂性却远甚于永久性的基础结构或上部结构，稍有不慎，不仅将危及基坑本身安全，而且会殃及临近的建构筑物、道路桥梁和各种地下设施，造成巨大损失。从另一方面讲，深基坑工程设计需以开挖施工时的诸多技术参数为依据，但开挖施工过程中往往会引起支护结构内力和位移以及基坑内外土体变形发生种种意外变化，传统的设计方法难以事先设定或事后处理。有鉴于此，人们不断总结实践经验，针对深基坑工程，萌发了信息化设计和动态设计的新思想，结合施工监测、信息反馈、临界报警、应变（或应急）措施设计等一系列理论和技术，制定相应的设计标准、安全等级、计算图式、计算方法等。对此国家行业标准《建筑基坑支护技术规程》已编制完成并投入使用，这是我国第一部关于基坑支护的全国性专业规程。与此同时，上海、深圳、北京、广州、武汉等地及冶金部建研总院等已分别编制了地方或部门的有关深基坑支护的指南、规范或规程或征求意见稿，足见我国基坑支护技术的标准化工作已迈进了一大步。土钉支护在基坑支护工程中的合理应用。在经过大量工程实践的不断筛选后，形成了适合于不同地质条件和基坑深度的经济合理的支护结构体系。土钉支护是一种用于土体开挖和边坡稳定的挡土结构，由此种支护体系形成的土钉墙结构（Soil-nailedwall）这种新技术更是我国目前10米以内基坑首选的支护形式，较多地应用于地下水位较低或者地下水位能够被疏干降低的场区。它可以单独形成支护结构，也可以与其他支护形式联合使用。在土钉支护体系中，土钉具有骨架作用、分担作用、应力传递与扩散作用等效应，通过这些作用使土钉和土体形成复合土体，对基坑边坡进行有效支护。故此，能够合理、有效地运用土钉支护体系在基坑工程中对边坡进行支护工作，便可以提高土体的粘聚力，从而大大地提高土体的强度，使基坑边坡在工程施工中更加稳定。本文选取土钉支护技术的灵感来源。随着经济的发展，城市建设用地日益紧张，正大量兴建高层建筑同时开山造地进行建设的工程也日益增多，迅速、经济、有效地进行深基坑、高边坡的开挖支护已成为控制工程成败的关键技术问题之一。基坑和边坡开挖通常采用放坡、打设灌注桩、钢板桩和地下连续墙等方案，但放坡占地范围大一般无法实现，而打设灌注桩、钢板村和地下连续墙费用大，施工期长，近三十年来发展起来的土钉支护技术具有施工机具轻便灵活，工艺简单，对场地周围建筑影响小，适用于狭窄施工场地及投资少等优点，因而受到岩土工程界的广泛重视。目前在德国和法国有50%的深基坑的临时支护工程采用土钉，在美国也已广泛采用。我国从八十的代初期开始进行土钉的试验研究和工程实践，但到目前为止应用还不很普遍。着眼于土钉支护体系，在我国当今建筑领域中应用的狭窄性，我认为应在我国的建筑界大力宣传，普及土钉支护技术的合理化广泛应用，鉴于此等方面，我选取了“土钉支护技术在深基坑中的实践与应用”作为本篇文章的中心论题，希望在我国未来的建筑工程中能够更好地认识，挖掘土钉支护技术的重要性、应用性和实践性，并能更广泛地将此种新技术应用于我国的深基坑支护工程中去。土钉支护技术的概念。土钉是一种基于新奥隧道（NewAustrianTunelingMethod）原理在原位土体中铺设拉筋而使整体土工系统的力学性能得以改善从而提高基坑，边坡开挖稳定性的支持技术，其以较密间距排列的土钉体作为主要受力构件，土钉体为加固现场天然土体的细长金属杆件，依靠与土体之间的界面黏结力或摩擦力，在土体发生变形的条件下被动受力。并主要承受抗拉作用。通过土钉与土体的相互作用，使加固边坡或为具有整体性和稳定性的土体。土钉支护的部件组成：除土体以外，土钉支护一般由以下部件组成：土钉：注浆钉注浆钉～土钉可用击入方法置入土中，称为击入钉；也可先在土中成孔，然后放入金属钉体并沿全长注浆封填，即为注浆钉。有时，也采用先击入土钉，然后进行注浆的方法，也属于注浆钉。一般由变形钢筋（金属钉体）及其四周的水泥砂浆保护层组成，通常还包括用于保证保护层厚度并使金属钉体处于孔径中心位置的定位支架，以及钉体外端与支护面层相连接的金属垫板等连接件。注浆钉～土钉可用击入方法置入土中，称为击入钉；也可先在土中成孔，然后放入金属钉体并沿全长注浆封填，即为注浆钉。有时，也采用先击入土钉，然后进行注浆的方法，也属于注浆钉。支护面层：通常为钢筋网喷混凝土。土钉支护的施工步骤：土钉用作深基坑开挖的支护时采用从上到下分步修建，其典型的施工步骤为：开挖有限的深度；在这一深度的作业面上设置一排土钉，并喷射混凝土面层；继续向下作开挖并重复上述步骤，直至设计所需的基坑深度。土钉的技术作用及工作机理土体的抗剪强度较低，抗拉强度几乎可以忽略，因而自然土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），将引起土坡的失稳。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。土钉的抗拔试验表明：其拔出时的滑移产生在土钉侧面紧贴锚固体的界面土膜处，对于采用一次压力灌浆的土钉，其在不同土质中的界面摩阻力实测τ值:土钉在不同土质中的界面摩阻力τ土类名称τ（kPa）粘土土130～1800弱胶结砂土90～150粉质粘土65～100粉土土50～55杂填土35～40由于土钉支挡体系采用的是与赏规支挡体系不同的施工程序，因而作用于面层上的土压力分布也与一般重力式挡墙不同，通过多项土钉工程的原位监测，我们建议土压力按下式计算：q=mckrh（1）式中：q—作用于土钉面层的土压力（kPa）mc—工作条件系数，临时性土钉工程（如：基坑等）取1.1，使用期2年以上的土钉工程（如永久边坡）取1.2；k—土压力系数，取k=（k0+k2）/2，其中k0、k2分别为静止、主动土压力系数：r—土的天然重度（KN/m3）h—土压力作用点至坡顶的距离（m），当h≤H/2时，h取实际值；当h＞H/2时，h取0.5H。其中：H—土坡垂直高度。土钉复合体潜在滑裂面的确定在理论上十分复杂，实测破裂面的理论计算可采用简化破裂面进行。土钉支挡体系的设计1、方案布置（初步设计）土钉的静荷载作用下可能有以下三种破坏机制：①土钉杆的坡环，尤其是土钉端头锚固处；②土与浆液锚固体的粘结破坏；③土钉杆与浆液锚固体的粘结破坏。在实际工作中，第③种破坏机制一般不会发生。在方案布置阶段应根据基坑、边坡的几何尺寸来作土钉的布置，选择孔径、钉长、间距、土钉杆等基本参数，以避免出现以上任何一种破坏形式（在施工图设计阶段尚应验证土钉杆抗拉断裂和土钉锚固力极限状态以及土钉体系的整体倾覆，抗滑移稳定性）。根据收集到的国内外二十余项工程资料，统计分析提出以下方法确定土钉的基本参数。（1）土钉长度L：已有工程的土钉实际长度L均不超过土坡的垂高H。抗拔试验表明对高度H小于12m的土坡采用相同的施工工艺，在同类土质条件下，当土钉长度达到土坡垂高时，再增加其长度对抗拔力无显著提高，因此初选土钉长度L按下式（2）计算：L=mH+SD（2）式中：m—经验系数，取0.7～1.0SD—止浆器长度，一般为0.8～1.5m（2）土钉孔直径dh及间距：首先根据成孔机械选定土钉孔孔径dh，一般取dh=120～200mm，常用的孔径为120～150mm。以Sx、Sy分别表示土钉的列距、行距，选定行、列距的原则是以每个土钉注浆对其周围土的影响区与相邻孔的影响区相重叠为准。应力分析表明，一次压力注浆可使孔外4dh的邻近范围内产生影响，因此按（6～8）dh选定土钉行列距，且应满足下式（3）的要求。Sx·Sy=K1dhL（3）式中：K1—注浆工艺系数。对一次压力注浆工艺，取1.5-2.5。按照防腐要求，土钉孔直径dh应等于加筋土钉杆直径dh加60mm。（3）土钉加筋杆直径db：为增强土钉中加筋杆与砂浆（或细石混凝土）的握裹力，土钉加筋杆宜选用变形钢筋。土钉加筋杆直径db可按下式（4）估算：db=(20～25)×10-3·Sx·Sy（4）2、施工图设计在选定土钉的基本参数后，在施工图设计阶段需要进行土钉支挡体系的内部、外部稳定分析。（1）内部稳定分析：内部稳定需验算土钉杆抗拉断裂极限状态和锚固力极限状态。抗拉断裂极限状态：在土压力作用下不使土钉端部产生过量的伸长或屈服，按下式验算：（л/4·db2·fy）/Ei≥1.5（5）式中：fy—土钉加筋杆材料抗拉强度标准值；Ei—第i列单根土钉支承范围内面层上的土压力，Ei=qi·Sx·Sy，而qi为第i列土钉处的面层土压力。锚杆力极限状态：在土压力作用下，土钉内部潜在滑裂面后的有效锚固段应具有足够的界面摩阻力而不被拔出。按下式（6）验算：Fi/Ei≥Fs（6）式中：Fi—第i列单根土钉的有效锚固力；Fi=τлdhLei（Lei为有效锚固段长度）Fs—安全系数，取1.3-2.0，对基坑工程取小值，对永久边坡工程取大值。（2）外部稳定分析：在土体支挡体系内部稳定整体作用得到保证的条件下它的作用类似于重力式挡墙。按常规重力式挡墙验算倾覆，滑移稳定性。3、面层构造：土钉结构的面层虽不是结构的主要受力构件，但它是传力体系的一个重要部分，也起保证各土钉杆之间土体的局部稳定性，防止场地土体被侵蚀风化的作用。面层应在每一阶段开挖后立即设置以限制原位土体的减太并阻止原土的力学性质特别是抗剪强度的降低。永久性的土钉工程中已大量应用预制和现浇混凝土板、钢面板作为面层，以满足美观和耐久性的要求。目前常采用的面层组成包括：端头螺栓、垫板、横向联系钢筋及喷射混凝土面层。土钉支护体系的的适用范围围。在深基坑及边坡坡工程中采采用土钉支支挡体系施施工时须采采用短台阶阶逐阶下挖挖的方式。每每一台阶切切坡段的高高度为1～2m。在施施工土钉杆杆、面层构构件与喷射射混凝土期期间，切坡坡段需保持持自立稳定定。因此，土土钉适用于于有一定粘粘结性的杂杂填土、粘粘性土、粉粉土与弱胶胶结的砂土土基坑、边边坡。土钉钉适用于地地下水位低低于土坡开开挖段或经经过降水使使地下水位位于低于开开挖层的情情况。对标标准贯入击击数低于110击的砂砂土边坡采采用土钉一一般是不经经济的，当当采用喷射射混凝土面面层或坡面面浅层注浆浆等稳定坡坡面措施能能够保证每每一切坡台台阶的自立立稳定时，也也可采用土土钉支挡体体系。对于于塑性指数数Ip大于20的土必必须仔细评评价其蠕变变特性之后后方可采用用土钉作永永久性支档档结构。除非采取专门的的措施和掌掌握专门的的技术，否否则在下列列土体中一一般不宜采采取土钉支支护，松散散砂土其标标准贯入击击数N＜10或颗粒不不均匀系数数d60/d10＜2；粘性土土其塑性指指数Ip＞20，液性指指数IL＞0.75，或无侧侧限抗压强强度小于50Kppa；以及淤淤泥质土和和淤泥。若预以在以上所所述的松散散砂土、软软黏土等不不良土体中中进行土钉钉支护施工工，应具备备以下条件件：支护的设计施工工单位有在在类似土体体中成功完完成类似规规模土钉支支护的经验验，并能出出示工程实实例及当时时的现场测测试数据，足足以说明支支护变形能能满足要求求。在施工过程中，有有完整、连连续的量测测监控手段段,且有可靠靠的应急加加固抢险措措施。土钉钉支护的设设计施工还还应充分考考虑到地下下水和施工工作业周期期以及环境境因素（降降雨、振动动等）的影影响，应在在地表和支支护内部设设置适宜的的排水系统统以疏导地地表径流、地地表渗透水水和地下水水。并应针针对环境因因素对陡坡坡开挖面上上临时裸露露土体的影影响而随开开挖随进行行支护，尽尽快构筑喷喷混凝土面面层和土钉钉，以减少少边坡变形形，保持边边坡稳定。四、土钉支护技技术的特点点。经过对土钉支护护技术理论论的研究和和探索，以以及大量施施工经验的的累积，归归结出土钉钉支护具有有以下几方方面的技术术特点：1、对场地周围相相邻建筑影影响小。由由于土钉施施工采用小小台阶逐段段开挖，且且在开挖成成型后及时时设置土钉钉与面层结结构，使面面层与挖方方坡面紧密密结合，土土钉与周围围土体牢固固粘合，对对土坡的土土体扰动较较少。土钉钉一般都是是快速施工工，可适应应开挖过程程中土质条条件的局部部变化，使使土坡稳定定。实测资资料表明：：采用土钉钉稳定的土土坡只要产产生微小变变形就可使使土钉的加加筋力得以以发挥，实实测的坡面面位移与坡坡顶变形很很小。2、施工机具简单单、适用范范围广。设设置土钉采采用的钻孔孔机具及喷喷射混凝土土设备都属属可移动的的小型机械械，移动灵灵活，所需需场地小。此此类机械的的噪声低，振振动小，在在城市施工工具有明显显的优越性性。3、经济投资省。据据西欧统计计资料，开开挖深度在在10m以内内的基坑，土土钉比锚杆杆墙方案节节约投资110～30%。通通过分析比比较,认为比护护坡桩、板板桩支撑可可节约投资资30～50%。五、土钉支护在在施工中的的具体应用用。理论始终要结合合实践，土土钉支护技技术也是如如此，在理理论上对它它的强度、性性能鉴定，抗抗拔能力计计算，以及及整体稳定定性验算等等深层次的的研究，归归根结底实实为了更好好的应用于于实际施工工操作中。所所以我认为为土钉支护护技术在工工程中的实实际应用才才应是我们们对其讨论论的重点。下下面我将就就自己对土土钉支护技技术的认识识和多年来来在施工过过程中的些些许经验在在此方面提提出一些关关于土钉支支护技术在在具体施工工中遇到的的问题和其其在施工过过程中应注注意的一些些要点，供供大家参考考。开挖1）土钉支护应按按设计规定定的分层开开挖深度按按作业顺序序施工，在在未完成上上层作业面面的土钉与与喷混凝土土支护以前前，不得进进行下以层层深度的开开挖。当基基坑面积较较大时，允允许在距离离四周边坡坡8～10米的基坑中中部自由开开挖，但应应注意与分分层作业区区的开挖相相协调。2）当用机械进行行土方作业业时，应防防止边壁出出现超挖或或造成边壁壁土体松动动。基坑的的边壁宜采采用小型机机具或铲锹锹进行清坡坡，保证边边坡平整并并符合设计计规定的坡坡角。3）对于不良土层层可考虑采采用以下措措施：对修整后的边壁壁立即喷上上一层薄的的混凝土或或砂浆，待待凝结后再再进行钻孔孔；在作业面上先构构筑网喷混混凝土面层层，而后进进行钻孔并并设置土钉钉；（见图图a）在水平方向上间间隔开挖（见见图b）；先将作业深度上上的边壁做做成斜坡保保持稳定，待待钻孔并设设置土钉后后再清坡（见见图c）；在开挖前垂直击击入钢花管管，用压力力注浆方法法加固边坡坡处土体。排水系统1）土钉支护宜在在排除地下下水的条件件下进行施施工，应采采取地表排排水、支护护内部排水水、以及基基坑排水以以避免土体体处于饱和和状态并减减轻作用于于面层上的的静水压力力。2)基坑四周支护范范围内的地地表应加修修整，构筑筑排水沟和和水泥地面面。可在支支护面层背背部设置长长度为40～60cmm的水平塑塑料排水管管，随着施施工开挖过过程，按一一定间距从从上到下将将其插入边边壁土体。在在坑底应设设置排水沟沟及集水坑坑，排水沟沟离边壁0.5～1米，用砖砌砌及砂浆抹抹面。遇有特殊土层或或为防止地地表沉降不不允许降低低地下水位位时，如果果地下水流流量不大，可可采用全封封闭堵截地地下水的方方法。注浆钉的设置1）在易塌孔的土土体中钻孔孔时应采用用套管成孔孔或挤压成成孔。2）钻孔前，应根根据设计要要求定出孔孔位并作出出标记和编编号，孔位位的允许差差不大于2200mmm，成孔的的倾角误差差不大于±3o，当成孔孔过程中遇遇有障碍需需调整孔位位时，不得得损害支护护原定的安安全程度。3）钻孔后要进行行清孔检查查，对于孔孔中出现的的局部渗水水塌孔或掉掉落松土应应立即处理理。4）土钉钢筋置入入孔中前，先先装上对中中用定位支支架，保证证钢筋处于于钻孔的中中心部位，支支架沿钉长长的间距约约为2～3米左右。支支架的构造造应不妨碍碍浆体自由由流动。5）土钉钢筋置入入孔中后，采采用重力、低低压、或高高压方法注注浆填孔。通通常用0.4～0.6MMpa的低压注注浆。在钻钻孔口部位位设置止浆浆塞（如为为分段注浆浆，止浆塞塞置于钻孔孔内规定的的中间位置置），注满满后保持压压力3～5分钟，压压力注浆时时应注意到到附近的面面层混凝土土强度已足足能抵抗注注浆引起的的压力作用用。6）对于下倾的斜斜孔应采用用底部注浆浆方式，导导管的出浆浆口应始终终处在孔中中浆体的表表面以下，保保证孔中气气体能全部部逸出。对对于水平钻钻孔，用口口部压力注注浆或分段段压力注浆浆时，必须须配以排气气管，并与与土钉钢筋筋绑牢。在在注浆前与与土钉钢筋筋同时送入入孔中。二二次挤压注注浆在首次次注浆的首首次注浆（砂砂浆）终凝凝后2～4小时内，用用高压（2～3Mpa）向钻孔孔中保持压压力5～8分钟。二二次注浆管管的边壁带带孔且与钻钻孔等长，在在首次注浆浆前与土钉钉钢筋同时时送入孔中中。7）.注浆用水泥砂浆浆的水灰比比不宜超过过0.4～0.45，用水泥泥净浆时水水灰比不超超过0.45～0.5，宜使用用外加剂促促进早凝和和控制泌水水，掺入外外加化学高高效减水剂剂时浆体应应搅拌均匀匀，开始注注浆前或停停歇后再作作业时要用用水冲洗管管路。8）应预先计算所所需的浆体体体积，实实际注浆量量必须超过过孔的体积积。9）用作注浆的砂砂浆强度用用70×770×700mm或100××100××100mmm立方试试件经标准准养护后测测定，其7天强度平平均值应不不小于设计计标号值的的75%～80%。10）端部螺纹、螺螺帽、楔形形垫圈及金金属垫板与与喷混凝土土面层连接接时，垫板板与喷混凝凝土面层之之间空隙用用高强水泥泥砂浆填平平。井字接接头的每根根短钢筋与与土钉钢筋筋的焊接长长度不小于于2cm。喷混凝土面层1）钢筋网片可用用插入土中中的钢筋固固定，在混混凝土喷射射下应不出出现振动。射射距宜在0.8～1.5mm的范围内内，并从底底部逐渐向向上部喷射射。垂直指指向喷射面面，钢筋部部位应先喷喷钢筋后方方，再喷钢钢筋前方，防防止在钢筋筋背面出现现空隙。2）喷混凝土厚度度达到规定定值后，在在边壁面上上垂直打入入短的钢筋筋段作为标标志。当面面层超过1120mmm时，应分分二次喷射射，清除预预留接合面面上的浮浆浆层和松散散碎屑，并并喷水使之之潮湿。3）钢筋网在每边边的搭接长长度至少不不小于一个个网格边长长。如为搭搭焊则焊长长不小于网网筋直径的的10倍。4）喷混混凝土完成成后应至少少养护7天，采取取连续喷水水、织物覆覆盖浇水、或或喷涂养护护剂等方法法养护。5）喷混凝土的粗粗骨料最大大粒径不宜宜大于122mm，水水灰比不宜宜大于0.45。有关土钉的现场场测试与土土钉支护的的施工监测测情况土钉支护施工必必须进行土土钉的现场场抗拔试验验，包括基基本试验和和验收试验验，前者在在专门设置置的非工作作钉上进行行，一般应应进行到破破坏，用来来确定极限限荷载，后后者则在工工作钉上进进行，为非非破损加载载检验。每一典型土层中中至少应有有3个专门用用于基本试试验的非工工作钉即测测试钉。测测试钉除其其总长度和和粘结长度度可与工作作钉有区别别外，孔径径、材料和和其它参数数以及施工工方法等与与工作钉完完全相同。