复合土钉墙在杭州软土地区深基坑围护中的应用

叶逢春 邢玉芳 封 棋

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州 310014)

0 引言

复合土钉墙是近年来在土钉墙基础上发展起来的新型支护结构。该工法将土钉墙与水泥搅拌桩、高压旋喷桩、钻孔灌注桩、各类微型桩、预应力锚杆等结合起来，根据具体的工程条件、周边环境及地质情况进行组合，形成复合基坑支护的一种技术。复合土钉墙弥补了一般土钉墙的变形位移大、占地面积大等众多缺陷和使用限制，极大地扩展了土钉墙技术的应用范围。

复合土钉墙技术具有安全可靠、造价低、工期短、使用范围广等特点，获得了越来越广泛的工程应用。

1 工程概况

拟建工程位于杭州市余杭区，场地现状为空地，四周为已建道路。地下室外墙距离道路红线最小为7.0 m。道路下均埋有一些市政管线，周边环境复杂。基坑平面尺寸为214 m×213 m，基坑开挖深度为5.80 m。

拟建场区上部为新近淤、堆积的填土和海相沉积的淤泥质软土层，中部为陆相沉积的粘土层，底部为风化基岩。

基坑开挖深度及围护桩长涉及深度范围内的土层分布自上而下为:

①-1层杂填土:灰、灰黄色，以粘性土为主，混碎石、砖块等建筑垃圾及生活垃圾，成分复杂，结构松散。层厚0.60 m～5.30 m。

③-2层淤泥质粘土:灰色，流塑，含腐殖质及少量有机质，局部为淤泥或淤泥质粉质粘土，摇振反应无，干强度低，韧性低，切面光滑，灵敏度高，高压缩性。层厚0.30 m～7.20 m。

④层粉质粘土:灰黄、褐黄色，局部层顶位置呈灰绿色，可塑～硬可塑，含铁锰质，摇振反应无，干强度高，韧性中等，切面稍有光泽，中等压缩性。层厚4.10 m～12.20 m。

各土层物理力学指标见表1。

表1 各土层物理力学指标表

2 支护方案

2.1 工程特点

综合分析本工程的基坑形状、面积、开挖深度、地质条件及周围环境，基坑围护设计具有以下几个特点:

1)本基坑工程平面尺寸大，采用钢筋混凝土内支撑，工程造价高，施工速度慢;

2)本基坑周边环境复杂，道路红线与地下室外墙距离小，道路管线多，基坑变形要求高，不具备放坡或土钉墙支护条件;

3)基坑开挖范围内淤泥质粘土较厚，对边坡整体稳定不利;

4)本基坑开挖深度较大。

2.2 支护方案

根据对本工程的特点分析，通过对几种支护方案的比选，最终确定采用复合土钉墙方案，即双排深层搅拌桩+土钉墙+钻孔灌注桩。支护参数如下:

1)深层水泥搅拌桩φ600@400，桩长9.70 m(按进入④粉质粘土层1.0 m控制);

2)土钉设置4排，长度11 m～13 m，采用打入式高压注浆钢管土钉(φ48 ×3.0);

3)水泥搅拌桩内插钻孔灌注桩，灌注桩直径600，间距为2.0 m，桩长为11.0 m。

具体支护典型剖面如图1所示。现场施工情况如图2所示。

图1 复合土钉墙支护方案

图2 现场施工情况

3 有限元分析

3.1 模型建立

采用Plaxis有限元软件进行二维数值模拟，根据工程实践经验，采用理想弹塑性Mohr-Coulomb模型，该模型屈服函数表达为:

其中，σ1，σ3分别为最大主应力和最小主应力;c，φ分别为内聚力和内摩擦角。当fs＞0时，材料将发生剪切破坏。

3.2 边界条件

二维分析时模型尺寸取30 m(X方向)×20 m(Y方向)，模型底部的约束条件为水平、竖直方向都固定;模型四周约束条件为水平方向固定，竖直方向自由。模型如图3所示。基坑开挖至坑底网格变形图见图4。

图3 模型示意图

图4 基坑开挖至坑底网格变形图

3.3 模拟结果

通过Plaxis有限元软件进行二维分析，复合土钉墙的水平位移主要发生在基坑坑底附近，最大水平位移为28 mm，与普通复合土钉墙(不插灌注桩)相比，其水平位移最大点下移，且位移可控，这主要是由于钻孔灌注桩与水泥搅拌桩共同作用，抗弯刚度增加，从而改变了基坑边壁水平位移的分布形式。基坑水平位移如图5，图6所示。

图5 模型水平位移图

图6 A—A剖面水平位移图

地面沉降沿坑边向外呈曲线分布。随着开挖深度的增加，地面的沉降值和分布范围逐渐增大，沉降曲线呈凹形，形成沉降槽。最大沉降点位于水泥土搅拌桩后一定距离处，其后沉降量随距坑边距离增大而逐渐减小。

基坑竖直位移如图7，图8所示。

4 基坑变形监测

本基坑于2012年5月～9月完成支护及开挖工作。在施工期间对坡体位移(用测斜管测斜)及基坑周边地面位移(水平位移及沉降)进行了较全面的工程监测。根据监测结果，至2012年9月底(基坑开挖至坑底)，本剖面周边地面沉降为26 mm，水平位移为24 mm。测斜管监测的深层土体位移最大为28 m，位于基坑坑底附近，监测数据与数值模拟结果较为一致。基坑稳定情况良好，且在设计控制范围之内。

图7 模型竖直位移图

图8 B—B剖面竖直位移图

5 结语

通过Plaxis有限元软件对复合土钉支护结构进行二维数值分析，同时结合基坑变形监测成果，得到以下初步结论:

1)复合土钉墙(双排深层搅拌桩+土钉墙+钻孔灌注桩)支护方案应用在杭州软土地区经济可行，变形可控，能较好解决软土地区基坑支护难题。

2)采用有限元法计算复合土钉墙位移是合理的，同时也能满足工程设计的要求。

3)在基坑较深(坑深大于6.0 m)，软土较厚时，采用复合土钉墙内插钻孔灌注桩，可有效解决基坑整体稳定问题并减小土体位移。

4)对于复合土钉墙内插灌注桩支护结构，通过有限元法的计算结果证明水泥搅拌桩对侧向土压力起分担作用，且最大位移一般在基坑坑底附近，与基坑变形监测资料相符。

［1］郑颍人，龚晓南.岩土塑性力学基础［M］.北京:中国建筑工业出版社，2000.

［2］程良奎，杨志银.喷射混凝土与土钉墙［M］.北京:中国建筑工业出版社，1998.

［3］陈肇元.土钉支护在基坑工程中的应用［M］.北京:中国建筑工业出版社，2000.

［4］DB33/T 1096-2014，浙江省建筑基坑工程支护技术规程［S］.

［5］JGJ 120-2012，建筑基坑支护技术规程［S］.

［6］GB 50497-2009，建筑基坑工程监测技术规范［S］.

［7］谭泽新.复合土钉墙的有限元分析［J］.山西建筑，2010，36(20):83-84.

［8］杨志银，张 俊，王凯旭.复合土钉墙的研究及应用［J］.岩土工程学报，2005，27(2):153-156.