基坑土钉墙-钢管桩联合支护的设计与施工

基坑土钉墙-钢管桩联合支护的设计与施工□赫全胜（中铁电化局集团北京建筑工程有限公司高级工程师）[摘要]：对施工场地狭小，地基承载力较低的基坑，采用土钉墙-钢管桩联合支护时，必须优化设计方案，强化基坑侧臂处理，加强局部构造和土钉构造等，以确保基坑边坡支护安全。[关键词]：基坑、土钉墙、钢管桩、联合支护1.工程实例金家村职工F座工程主体结构地下二层，地上十九层，基础为筏板基础，工程地处小区内部，施工场地较为狭小，西北侧基坑上部为施工进场唯一道路，且与既有建筑之净距仅为6m，基坑开挖设计深度为7.6m，因此支护体系位移、变形的大小直接影响基础施工及施工物资进场。2.支护方案的设计、优化根据工程的实际情况及参考其他工程边坡支护的设计方案，初步确定各部件的尺寸如下：土钉：横向间距1.5m、纵向间距1.4m，共布置土钉6排，长度分别为4m、5m、6m、7m、5.5m、5m。孔径150mm，倾角10°，孔中土钉钢筋为1Φ20，常压灌注水泥浆，强度，强度为20Mpa。混凝土面层及配筋：土钉墙面层挂6.5@200*200钢丝网，外喷80mm厚C20混凝土。2.1土钉墙内部整体稳定性的验算采用圆弧简单分条法进行验算，验算公式如下：∑Ciklis+s∑(wi+q0bi)cosθitgφik+∑Tnj[cos(αj+θi)+1/2sin(αj+θi)×tgφik]-sγkγ0∑(wi+q0bi)sinθi≥0圆弧简单分条简图如下：土条宽b=0.1r=0.1×11.13=1.11m，共分10个土条，取E点竖直线通过的土条为0号，左边为i=-1号,右边为i=(1-8)号。取土的重要系数为1.102.1.1通过计算得圆心角为72.55°，其对应的圆弧长度为l=r×72.55/180×π=14m每条土所对的圆弧长度：li(i=1-11)=r×θi/180×π=(0.8、1.3、1.44、1.2、1.4、1.5、1.6、1.54、1.52、1.7m)根据地质勘察报告有：Cik(i=1-11)=（0、37、20、19、15、9、29、18、3、14KN/m3）φik(i=1-11)=（0、4、3.9、3.7、9、8.8、1.1、7.1、5.1、3）s=8.28m代入数值有：∑Ciklis=1953.75kN/m2.1.2每条土的自重wi(i=1-11)=bi×hi×γ=(34.81、61.35、99.21、141.63、155.77、146.42、118.14、99.21、73.10、37.86)土的重度：γ=19.6kg/m3每条土的高度：hi(i=1-11)=(1.6、2.82、4.56、6.51、7.16、6.73、5.43、4.56、3.36、1.74m)设计地面菏载为：q0=83.33kN/m由分条知：sinθi(i=1-11)=（-0.1、0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9）cosθi(i=1-11)=(1-sin2θi(i=1-11))1/2=(0.995、1、0.995、0.98、0.95、0.92、0.87、0.80、0.71、0.6)tgφik（i=1-11)=(0、0.07、0.068、0.065、0.158、0.155、0.02、0.13、0.09、0.05)代入数值有：s∑(wi+q0bi)cosθitgφik=258.25kN/m2.1.4据初步设计方案有：dni=150mm查表得qsik（1-11）=（35.20、36.40、37.80、38.20、39.40、40.70、55.80、59.20、64.2、64.30）li(i=1-11)=(4、5、6、7、5.5、5m)代入数值得：Tnj(1-6)=π×dni(1-110∑qsiklni=（13.26、22.29、25.64、21.59、27.84、30.67、）42.05、42.94、45.96、51.49）cos(αj（10°）+θi（1-11）)=（0.997、-0.174、-0.075、0.03、0.8、0.233、0.34、0.45、0.57、0.7）sin(αj（10°）+θi（1-11）)tgφik=（0、0.012、0.02、0.024、0.073、0.036、0.013、0.11、0.073、0.045）代入数值有：∑Tnj[cos(αj+θi)+1/2sin(αj+θi)tgφik]=144.64kN/m代入数值有：-sγkγ0∑(wi+q0bi)sinθi=-2290.55kN/m∑Ciklis+s∑(wi+q0bi)cosθitgφik+∑Tnj[cos(αj+θi)+1/2sin(αj+θi)×tgφik]-sγkγ0∑(wi+q0bi)sinθi=66.09≥0土钉内部整体稳定性满足设计要求。2.2土钉墙外部整体稳定性分析2.2.1土钉墙抗滑动稳定验算：验算公式：ks=(w+pay)μ/pax≥1.2将土钉加固体的整个土体作为重力式挡土墙进行验算。示意图如下：土的自重：w=b×h×γ=595.84KN/mb=4mh=7.6mγ=19.6KN/m3根据地质勘察报告有：土的内摩擦角为φ=5°，墙背倾角ε=0，填土表面倾角β=0，查表得，库伦土压力系数ka=0.4主动土压力Pa=1/2γH2ka=226.42KN/mPax=Pa=1/2γH2ka=224.62KN/mPy=0ks=w/Pax=2.6>1.2土钉墙外部整体抗滑动稳定性满足设计规范要求。2.2.2土钉墙抗倾覆验算：求各作用力对墙趾O点的力臂：自重W的力臂：a=2m水平主动土压力力臂：h=3.8mkt=w*a/Pax*h=1.38>1.3土钉墙土钉墙满足设计规范要求。2.3土钉的设计土钉计算只考虑土钉的受拉作用，满足设计抗拉承载力的要求及土钉墙内部整体稳定性的需要，对单根土钉，其抗拉承载力应满足下式要求：1.25γ0Tjk(1-3)≤TUJ(1-6)γ0=1.10Tjk(1-6)=εeajk(1-6)sxj(1-6)szj(1-6)/cosaj(1-6)=(28.84、40.98、65.70、89.36、113.54、137.73)β=60°，φk=5°代入下式有ε=tg[(β-φk)/2][1/{tg[(β+φk)/2]-1/tgβ}/tg2(45°-φ/2)=0.56eajk(1-6)=（24.90、35.38、56.26、77.14、98.02、118.90）1.25γ0Tjk(1-3)=（39.69、56.35、90.34、122.87、156.12、189.38）其中：qsik=（35.20、37.80、39.40、40.70、55.80、64.2、Kpa）TUJ(1-6)=1/γsπdnj(1-6)∑qsikli=（304.08、456.51、570.996、589.84、735.89、620.27）代入数值得：1.25γ0Tjk(1-6)≤TUJ(1-6)土钉满足设计规范要求2.4面层喷射混凝土及配筋的设计此工程采用联合支护，在土钉墙外侧设置20根钢管桩做支护，钢管桩间为600*240*200mm的加气混凝土砌块墙，在砌块墙表面喷射混凝土面层，设计为φ6.5@200*200钢丝挂网，外喷C20混凝土。经验算满足设计规范要求。由以上分析验算支护结构的构件尺寸符合工程需要。2.5设计方案的优化2.5.1为提高土钉墙支护体系的稳定性，在土钉墙外侧布置一排直径为219mm，壁厚为6mm的钢管桩，桩伸入基底以下1.5m，桩内灌注C20混凝土。2.5.2土钉钢筋外侧与横向Φ16钢筋焊接牢固，上部及中部两排土钉用槽钢与钢管桩连接。基坑局部土钉墙-钢管桩联合支护示意图如下：3.方案实施和工艺控制3.1土钉锚施工：针对本工程基坑开挖到设计标高后，发现存在安全隐患，再进行基坑支护的实际情况，土钉锚采用人工钻孔，以减小由此对土体产生的扰动，钻孔从上部开始，孔深及直径达到设计要求后及时插入土钉钢筋，在土钉钢筋的前后端各1m处安装定位支架以保证钢筋处于孔的中心位置，然后灌注水泥浆。3.2土钉注浆：注浆材料水泥砂浆配合比为1：2，水灰比为0.4，并加入适量速凝剂，促进早凝加固土地，注浆水泥浆通过挤压泵输送，泵头压力0.5Mpa，在孔口设置止浆塞，注浆底管伸到距孔底250-500mm处，在注浆同时将导管均速缓慢的撤出，注浆过程中，导管始终埋在浆体表面以下，以保证孔中气体能全部逸出。3.3钢管桩布置：土钉墙施工完毕后，为加强土体的抗滑动性和抗倾覆性，在土钉墙外侧布置一排钢管桩，桩间距为880mm，桩长9.5m，伸入基底1.5m，基底以下1.5m深采用人工挖孔，孔径为600mm，孔内及桩内灌注C20混凝土。3.4喷射混凝土面层及配筋：喷射混凝土强度为C20，喷射混凝土中添加5%的速凝剂，厚度为80mm，配合比为水泥：砂：石=1：2：2，喷射混凝土的初凝时间〈10min，终凝时间〈45min，加强筋规格为1Φ16，喷射混凝土喷头的压力≥0.2Mpa。