复合土钉支护在某深基坑支护工程中的应用

郭 玮

0 引言

复合土钉支护技术是指在基坑支护中,除采用土钉作为主要加固体外,还采用其他超前支护技术作为辅助手段与之联合,并协同工作。利用超前支护措施来解决土体自稳性、隔水性及喷射混凝土面层与土体的粘结等问题,以压密注浆和二次压力灌浆解决土体加固及土钉抗拔力问题,以较大插入深度解决坑底的隆起、管涌和渗流等问题。

1 复合土钉支护的基本形式

复合土钉支护是土钉与搅拌桩、预应力锚杆、微型桩中的一种或几种联合作用于被加固土体。搅拌桩不仅起到止水帷幕作用,还有加固地层和稳定开挖面的作用;预应力锚杆可以施加初始预拉力,大大减小土钉支护结构水平位移;微型桩可以增加边坡稳定性和减小基坑水平位移。本文主要针对土钉与搅拌桩复合土钉支护进行研究分析。

2 复合土钉支护的作用机理和工作性能

复合土钉支护一般由防渗帷幕、超前支护及土钉构成。作用机理有三点:1)搅拌桩解决基坑边壁土体自立性及隔水性;2)水平土钉压密注浆,增强了土钉抗拔力,同时浆液渗透对土体有加固作用;3)搅拌桩插入坑底以下,可以解决坑底抗隆起、管涌和渗流。

搅拌桩复合土钉支护与土钉支护工作性能的区别:

1)变形大小及特征不同:有搅拌桩时,最大水平位移发生在坑底上下,最大沉降发生在坑边一定距离;而土钉支护中,最大水平位移发生在基坑顶部,最大沉降发生在坑边处。2)支护结构后土压力的分布不同:搅拌桩后土压力接近于直线分布,最大土压力接近基坑底部;土钉支护后的土压力分布不规则,最大土压力分布在基坑中下部。3)土钉轴力大小、分布不同:土钉支护中土钉轴力分布中间大、两头小,轴力最大值接近潜在滑裂破坏面;而搅拌桩复合土钉支护中,土钉轴力在桩端头处最大。

3 复合土钉支护的设计与计算

3.1 复合土钉支护土钉抗拔力验算

复合土钉支护土钉抗拔力的验算与普通土钉支护土钉抗拔力的验算相同。

对土钉支护作整体稳定性分析时,每一土钉达到的极限抗力R取下列两式的较小值:

其中,Ki为第i根土钉抗拔力安全系数,取1.5～2.0;Ti为第i根土钉在土体破坏面外土体所能提供的极限抗拉能力;破裂面与水平面之间的夹角取(β+φ)/2,破裂面定义为直线滑裂面;SV,SH分别为土钉的水平和竖直间距;ei为第i根土钉长度中点所处深度位置上的侧向土压力。

3.2 复合土钉支护稳定性分析

复合土钉支护的整体稳定性分析也采用圆弧滑裂面计算,土条受力按照Bishop方法进行分析,并做如下假定:

1)复合土钉支护边坡滑移面为圆弧面,破坏形式为主动土体绕圆心产生微小转动;

2)滑移面上土体极限平衡条件符合Mohr-Coulomb破坏准则,同时假定在土体破坏时全部土钉达到抗拉或拔出的极限状态;

3)主动区土体分割成较小宽度的竖直条块,考虑土条法向力及切向条间力;

4)土钉采用等间距、等倾角设置;

5)只考虑土钉拉力;

6)不考虑土钉支护的三维空间效应,按平面状态进行分析。稳定性安全系数用K表示,计算公式如下:

4 工程实例

4.1 工程概况

某基坑开挖深度为4.95 m～5.95 m,南北跨度约150 m,东西方向约240 m,总周长约720 m。

4.2 地质条件及周围环境

基坑开挖范围内自上而下主要地层有:①层为杂填土,层厚0.40 m～4.50 m;②-1层为粉质黏土,层厚 0.5 m～4.20 m;②-2层为粘质粉土,层厚0.60 m～4.70 m;③层为淤泥质黏土,层厚3.10 m～19.20 m;④-1层为粉质黏土,灰～青灰色,层厚0.60 m～3.70 m;④-2层为粉质黏土,褐黄～灰黄色,层厚0.60 m～3.70 m。

4.3 支护方案

基坑大范围采用搅拌桩与土钉结合的复合土钉支护,局部采用普通土钉支护。图1和图2分别为复合土钉支护剖面示意图和普通土钉支护剖面示意图。复合土钉支护采用双排φ 600@500搅拌桩,普通土钉支护采用i=0.5放坡。

4.4 设计与计算

表1为土钉抗力计算的各项参数值。

表1 土钉抗力计算的各项参数值

利用边坡稳定分析程序REAME进行基坑稳定性分析。图3和图4分别为复合土钉支护和普通土钉支护的圆弧滑裂面示意图。

计算得到稳定性安全系数分别为0.780和1.250,由此可以看出复合土钉支护整体稳定性有很大的提高。而搅拌桩入土深度越大,阻挡上部土体向下滑移能力就越强。

4.5 施工与监测分析

1)复合土钉支护的土体最大水平位移在基坑中下部,土体侧向变形呈鼓状,开挖面以下较深范围内土体产生水平位移,受影响深度大约为开挖深度的1倍;普通土钉支护土体最大水平位移发生在基坑顶面,沿深度逐渐减小。说明复合土钉支护不但能调动更远处土体参与工作,还能调动更深处土体共同抵抗荷载。

2)复合土钉支护中,地表最大沉降发生在离开挖面一定距离,随开挖深度增加,沉降量不断增大,并且最大沉降位置逐渐向后移动,复合土钉支护中搅拌桩最大限度限制了开挖面的水平位移,调动边坡更多土体参与工作,变形范围虽然较大,但变形量较小。而普通土钉支护边坡最大沉降发生在开挖面,并且随着开挖的不断深入,沉降急速增加。

5 结语

工程应用表明,在地质条件较复杂的地方,复合土钉支护具有普通土钉支护无法比拟的优点。复合土钉支护极大地扩展了土钉支护的应用范围,必将获得更加广泛的应用。

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