土釘支護技術的實踐應用

滕潤春

0 引言

土釘支護是可以加以推廣的用于土體開挖時處理邊坡穩定的一種技術。土釘是指置入于現場原位土體中的較密間距排列的細長桿件,如鋼管、角鋼或鋼筋,通常還外裹水泥砂漿或水泥凈漿體。

1 沉渣池工程實例簡介

1991年6月,南京東方化工有限公司年產5萬 t己內酰胺裝置項目中,沉渣池為長56 m,寬26.5 m,開挖深度9.5 m的大型池體,是南京地區歷年來少有的大型池體工程。

緊挨沉渣池體南側6 000 mm,是一條使用中的露天大明溝。重點要解決兩個問題:1)運用邊坡支護技術,縮小開挖坡度系數,滿足池體施工的要求。2)維持大明溝的正常使用,保證開挖后在大明溝一側的邊坡穩定。

通過對現場情況進行了詳細的分析,最后確定了灌注護壁樁和土釘支護相結合的復合支護技術,對大明溝一側土方開挖的區域進行加固。開挖剖面示意圖見圖1。

其具體步驟為:距離大明溝2 m分組施工護壁灌注樁,每組由4根樁組織,樁徑為600 mm,中到中1.2 m,組與組之間的相鄰邊距5 m,樁深12 m。從上到下分三層開挖,上層3 500 mm,中層3 000 mm,底層3 000 mm。坡度系數僅為0.3。每層開挖后立即進行土釘支護,土釘為6 000 mm長角鋼制作,鋼筋網采用φ 8鋼筋制作方形網格,邊長一般為400 mm。角鋼端頭采用焊接方式將角鋼和鋼筋網連成整體。采用網噴混凝土漿體施工。池體成型后,逐層向上回填時,將用于土釘支護的角鋼取出另用。

2 紫金城項目土釘支護技術詳解

1993年,海南省工行信托投資公司與海南華美(香港)有限公司共同投資興建海南洋浦開發區“紫金城大廈”。在深基坑邊坡處理時全面采用了土釘支護技術。

2.1 工程概況

紫金城大廈地處海南洋浦開發區,主樓地面以上28層,地面以下3層,建筑面積68 000 m2。開挖的大廈基坑南北長170 m,東西寬130 m,基坑深12.5 m～15.5 m不等。地表以下土層分布為雜填土層3 m;粉質砂土3.5 m;細砂層 2.8 m;中砂層 1.2 m,以下為砂礫層。地下滯留水深-12 m。整個基坑邊坡均采用土釘支護。

2.2 支護設計

紫金城項目的基坑邊坡,采用了水平方向的壓力注漿釘與鋼筋網噴射混凝土面層相結合的土釘支護技術形式,土釘端部與噴射混凝土面層的連接采用井字接頭。

設計步驟為先按經驗設定土釘參數,用楔形滑移面法做初步驗算,最后用圓弧滑移面按條分法做穩定性驗算。土釘為水平設置,水平間隙1 m～1.5 m,垂直間距1.3 m～1.7 m,孔徑 100 mm,土釘選用25螺紋鋼,在支護面上呈梅花形分布。

按楔形滑移面法驗算時,假定:滑移面的傾角為45°+φ/2;φ取分層土摩擦角的加權平均值;滑移面通過邊坡基腳。

每一土釘在滑移面上的最大拉力取為:

其中,γ為土體平均重度;Sh,Sv分別為土釘的水平、垂直間距;hc為土釘的計算深度,當土釘埋深Z＜0.5H(H為基坑深度)時取hc=Z,當 Z＞0.5H時取hc=0.5H;q為地表荷載,取20 kN/m2;Ka=tan2(45°-φ/2)。

要求所有土釘在滑移面內側的穩定土體中有足夠的錨固長度,能滿足抗拔安全系數大于1.5的要求。

按圓弧滑動面用條分法作穩定計算時,輸入現場分層土的參數,臨界滑弧面位置由計算機程序通過試算確定。經驗算,坑深14.3 m的支護穩定安全系數為1.51,滿足要求。

此外,還要作施工階段的穩定性分析,最危險的階段一般是開挖至坑底,而最末一排土釘尚未設置的情況下,還要求施工階段的穩定性安全系數大于1.2。

2.3 分層分段施工和工藝要求

土釘作業必須遵循從上到下、分步修建的原則,即邊開挖邊支護的原則。在基坑開挖中,為了配合支護的分層施工要求,把基坑分為兩個區:沿四周邊坡10 m以內屬于分層施工作業區,距邊坡10 m以外為自由開挖區。在分層作業區限制分層開挖深度,取與土釘排距相同,約為1.5 m～2.0 m。分段長5 m～20 m,視情況而定,一般在砂層中分段長度短些。

支護施工程序:土方開挖→鉆孔送釘→排氣注漿→加壓封閉→清理邊坡→編網焊接→噴射混凝土→養護。

噴射混凝土配比為:水泥∶砂∶豆石=1∶2∶2;外加速凝劑4%;水灰比0.45;混凝土設計強度C20。鉆孔根據土層性質不同,采用了電鉆、沖擊鉆、人工洛陽鏟相配合使用。

為使土釘鋼筋順利送入土孔中,每隔2 m焊接對中支架,形成錐形滑橇。

錨桿送入孔中后,隨即便進行壓力注漿,注漿壓力達到0.5 MPa,持續5 min,以使砂漿能有效滲入土中,使注漿密實。砂漿水灰比采用0.5,并外加4%速凝劑。

2.4 現場試驗和監測

根據設計要求,在工地回填土、粉質砂土和細砂三種典型土中進行了現場土釘拉拔試驗。

試驗土釘長8 m,土釘注漿7 d后進行張拉,得出了實測拉力位移變化曲線,得到的單釘抗拔力試驗值都大于初步設計的取值。

水平位移監測用收斂計。在北部邊坡和西部13 m深邊坡段,坡頂水平位移約9 mm。在東部直立16.5 m深邊坡段,由于附近有地下污水管通過,漏水嚴重,水平位移超過了20 mm。

垂直沉降量用水準儀觀測,實測結果比水平位移略小。

3 土釘支護的優點和局限性

3.1 土釘支護的優點

1)穩定可靠,超載能力強。在紫金城項目中,在超出地面設計荷載2倍,達到60 kN/m2情況下,邊坡仍然穩定。2)可以處理不同復雜地質情況。土釘支護特別適合于有一定粘性的砂土、粉土、硬塑與干硬粉土。3)沒有強烈的沖擊噪聲,適合于城市地區施工,沒有循環泥漿帶來的污染,施工占地少。4)土釘支護的土方開挖量和混凝土工程量較少,用鋼量也甚為有限。

3.2 土釘支護的局限性

1)現場需要有允許設置土釘的地下空間。基坑附近有地下管道或建筑物基礎時,則在施工時有相互干擾的可能。2)在松散砂土、軟塑、流塑黏性土以及有豐富地下水源的情況下不能單獨使用土釘支護,必須與其他的土體加固支護方法相結合。3)土釘支護如作為永久性結構,需要專門考慮銹蝕等耐久性問題,目前只是根據銹蝕情況采用增大截面面積等經驗性手段。

4 結語

土釘支護已在許多工程中運用,隨著設計、施工、監測等方面的進一步完善,土釘支護技術將得到迅速的推廣和發展。

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[2]程良奎.巖土加固實用技術[M].北京:地震出版社,1994:57-63.

[3]宋德承,黃碧剛.基坑土釘支護的設計與施工[J].山西建筑,2008,34(30):137-138.