漫谈深基坑支护

张

深基坑施工作为水利施工经常遇到的类型,其重要性不言而喻。正确的、合理的选择支护类型,是保证深基坑施工质量的前提。

1 常见支护类型

1)悬臂桩支护。悬臂桩支护是依靠足够的入土深度来实现支护结构的稳定性。

2)锚喷支护。锚杆在砂浆凝固后,在锚杆出露边坡处进行挂网,再喷浆,使边坡的非稳定部分与锚喷的锚杆连成一片,并牢固地锚固在稳定部分内。不仅防止了边坡失稳,还能防止边坡的局部土体剥落、掉块及崩塌,可以有效地维护边坡稳定。

3)深层搅拌桩支护。深层搅拌桩是利用水泥等固化剂,通过深层搅拌机械与软土拌和,固化剂会与软土发生一系列的物理化学变化,使二者成为一个整体性好,水稳性高,并具有一定强度的桩体。深层搅拌桩是利用自身的重量来抵抗侧向力保持稳定,一般来说,内部无需支撑,因而具有施工简单,造价低廉,环境破坏小等优点,具有很强的竞争力。

4)钢板桩支护。钢板桩支护是利用带锁口或钳口的热轧型钢互相衔接形成钢板桩墙来抵挡侧向力。但施工时噪声较大,影响周围环境,不适用于人口密集区。而且钢板的柔性,也是此种支护类型的薄弱点。

5)高压喷射墙支护。其加固原理是将高压水泥浆喷射入松散的软弱地层中,通过与软弱土之间的物理化学变化,形成高强度的混合物层。尤其适用于承载能力较高的地层下存在软弱地层的地质情况。

6)地下连续墙支护。地下连续墙具有整体刚度大,防渗效果好等优点,特别适用于基坑底面以下有深层软土时需将墙体插入很深的情况。

7)加筋水泥土墙支护。加筋水泥土墙是将H型钢插入水泥混凝土桩中,水泥混凝土具有很好的抗渗性,而H型钢抵抗侧向荷载能力强,二者结合具有很好的抗渗性和挡土能力。

8)土钉支护。土钉支护是利用土体自身的承载能力,通过在土体中按照一定的间距布置土钉,并辅以钢筋网喷射混凝土面层与土体协同工作,以提高土体的整体刚度和稳定性,确保基坑的稳定。

2 土钉支护机理分析

土体的抗拉、抗剪能力虽然较差,但在某些情况下,仍然能保持一定的稳定性。

一般的支护结构都是利用自身结构来抵抗其支挡的土体侧压力,防止土体产生较大变形或整体稳定性破坏。而土钉支护则是在土体内设置一定长度和密度的土钉,土钉与土体共同工作,有效的弥补土体自身抗拉、抗剪能力差的缺点,提高了土体的整体刚度,使土体的自身结构强度潜力得到充分发挥,并遏制边坡变形和破坏形态的发生。

按一定的形式布置土钉,在空间上可以起到一定的骨架作用,对整体起到一定的加劲作用。土钉支护施工时灌注的浆液,通过渗透、扩散和填充,特别是压力灌浆,会较强有效的挤压周围的土体,提高了周围土体的密度和抗剪能力。而对于劈裂灌浆,浆液在钻孔附近会形成一个网状。这样既提高了土体法向应力之和,从而提高土体的整体刚度,又能减小最大应力与最小应力的差值,从而提高土体的稳定性。实践表明,当基坑深度超过13 m时,常规的土钉是很难满足规范要求的,采用劈裂灌浆的工艺,则能提高原状土体的力学指标,尤其是 c,φ值的提高,土体直立临界开挖深度得到提高,使土钉获得成功。

土钉与土体共同作用,土钉沿长度方向受力并不是线性的。表现在土钉两端受力小,中间受力大,靠近滑裂面处的土钉受力最大。冶金工业部建筑研究总院曾对某一大型基坑土钉方案进行研究,得到土钉受力的具体数据如图1所示。

德国Karlsruhe大学对土钉进行了大量实验,试验结果表明:土钉支护开挖的主动土压力随开挖深度先是线性增加,到一定深度后线性减小,基地的主动土压力其实很小。试验结果与冶金工业部建筑研究总院研究结果不谋而合。后经工程现场实测,也证实了土钉在基坑中部受力最大,上部和下部受力均较小(见图2)。

3 土钉支护存在的问题

1)在对土钉支护进行设计时,设计人员对所用参数往往直接按照勘察单位给出的资料进行取值,不进行分析和思考。但是很多资料,尤其是填土资料,很多勘察单位是按照以往的经验进行考虑,因而易造成设计上的偏差。2)对膨胀土基坑的土钉支护设计,设计人员往往没有特殊考虑,仅仅按照常规方法进行设计。对于膨胀土深基坑,因长期暴露,易造成土体的膨胀变形,产生基坑病害,最终导致基坑的失稳。设计时对膨胀土稳定性分析应有别于一般性土。一般来说,宜采用刚柔相济的支护方法。3)在深基坑开挖及土钉支护的过程中,应做好监控工作。一般的施工单位往往忽视对土钉墙壁的变形观测,待基坑开挖到一定深度时,较大的变形最终导致基坑失稳事故的发生。这就要求施工单位加强信息化管理,随时监控各相关数据,利用科学的管理确保工程的高质量。4)水处理是每个工程都必须面对的问题。深基坑支护的排水尤为重要。优势滑移控制线以内及其附近的各种水源或积水均有可能危害到基坑边壁的稳定。

4 工程实例分析

某工程需进行深基开挖,坑底标高6.3 m,场地地面标高13.1 m～18.3 m。地形由西向东,由南向北倾斜。地面高差约为3.7 m,开挖最大深度12 m,东侧开挖深度6.9 m,基坑边长293 m。

基坑西侧距城市主干道11 m,南侧紧邻道路开挖,北侧为正在施工的某高架桥一号墩,东侧距4层楼商厦10 m。

场地地质勘测报告表明,场地内岩层分布为:素填土,第四纪坡残积层,第四纪残积层以及花岗岩。地下水距地面1.7 m,主要来源于自然降水,地下水对混凝土没有腐蚀性。

经分析比较,决定采用土钉支护为主的支护结构。具体布置为北侧采用悬臂桩支护,西、南侧采用预应力锚杆与土钉联合支护,东侧采用土钉支护。东侧具体布置图如图3所示。

基坑的开挖与土钉的施工交替进行,西、南两侧的挖土分四层进行,挖土深度分别为 4.6 m,2.2 m,2.2 m,2.2 m,东侧挖土也分四层进行,分别为2.3 m,2.5 m,1 m,1.5 m。土钉采用普通地质钻机和洛阳铲成孔,孔径不小于12 cm。然后插孔灌浆,水泥用425号硅酸盐水泥,水灰比为0.45。在正式施工前,先对土钉进行抗拔力试验,所用土钉长9 m,共4根,锚固在第四纪坡残积层土中,杆体灌浆与实际工程用的土钉一样。具体试验结果见表1。

表1 土钉抗拔力试验结果

由表1可以看出,土钉均处于弹性变形阶段,与周围土体有良好的共同作用的能力。当基坑开挖至设计标高时,通过监测,坡顶位移为3 cm。开挖各侧没有发现不均匀沉降和开裂现象,整个支护结构处于良好的工作状态之中。在基坑施工过程中,曾遭遇多次暴雨袭击,但并没有发现安全隐患,土钉支护系统稳定。

[1]黄 强.深基坑支护工程设计技术[M].北京:中国建材工业出版社,1995.

[2]杨 丽,杨 觉,华 村.建筑基坑支护设计浅谈[J].洛阳大学学报,2003(8):13-15.

[3]林宗元.岩土工程勘察设计手册[M].沈阳:辽宁科学技术出版社,1996.

[4]曾宪明,黄久松,王作民.土钉支护设计与施工手册[M].北京:中国建筑出版社,2000.

[5]成凤兰.浅谈深基坑的支护[J].山西建筑,2008,34(33):104-105.