深基坑上部土釘墻土釘軸力監測及分析

劉安寧，來慶專，吳瑞剛，蘇長毅

（長安大學公路學院，西安710054）

深基坑上部土釘墻土釘軸力監測及分析

劉安寧，來慶專，吳瑞剛，蘇長毅

（長安大學公路學院，西安710054）

以某建筑深基坑工程為例，對基坑開挖各階段上部土釘墻土釘軸力進行實測，分析并研究了基坑開挖及支護過程對土釘軸力的影響，具體考慮了基坑開挖時間與土釘軸力、土釘軸力變化速率以及同一土釘不同節點位置處軸力變化趨勢之間的關系。對今后類似的基坑工程中的上部土釘墻的設計和分析提供借鑒和參考。

開挖與支護；土釘墻；土釘軸力

西安作為西部地區經濟發展的中心之一，城市化步伐逐漸加快，因而在城市化用地日益緊張的今天，地下空間的開發已成為一種必然趨勢［1］。為充分挖掘地下空間的利用率，深基坑的規模和深度均在不斷加大。近些年上部土釘下部樁錨聯合支護體系在西北地區發展十分迅猛，其優點是占用空間小、受地下水影響小、施工速度快、受力性能較好、可有效控制基坑開挖過程中產生的變形，適合大型深基坑開挖支護［2-4］。然而由于下部支護結構及不同地區地質條件等因素的影響，土釘墻中土釘軸力的發展規律以及設計方法還處于探索之中［5-10］。本文通過西安高新區某建筑深基坑工程的監測數據對該問題進行了分析及討論。

1 工程概況

擬建場地位于西安市高新技術產業開發區內，基坑支護長度約530m，開挖深度約為14.5～18.8 m，總支護面積約9000 m2。擬建的場地呈東南低（開挖深度4.5～7.0 m）。勘探點孔口標高介于405.58～411.18 m之間，地貌單元屬皂河I級階地。

根據巖土工程勘察報告，基坑支護設計影響范圍內主要地層自上至下具體參數見表1。

場地地下水屬于孔隙潛水類型，穩定水位深度2.30～8.00 m，相應標高為402.94～403.36 m。場地內水位變化幅度大于2 m。

表1土層物理力學參數

1．1 基坑支護設計

本文所依托的深基坑工程形狀呈現近似正方形，基坑采用上部土釘墻下部樁錨聯合支護體系，支護形式如圖1所示。上部土釘墻高度為6 m，坡度為1∶0.2，設置四排土釘，土釘長度自上而下均為6 m，土釘布置采用梅花形布置，垂直間距和水平間距皆為1.5 m，土釘孔徑120 mm，土釘傾角15°；土釘孔內灌注水泥漿體強度等級為M15，采用C20的噴射混凝土面層厚度為100 mm。在下部樁錨聯合支護體系中，護坡樁采用混凝土灌注樁，樁長為22.5 m，鑲固深度為10.5 m，上部澆筑冠梁，在基坑開挖過程中，設置4排擴大頭預應力錨索，錨索傾角為15°間距為1.5 m，并施加預拉張荷載350－450 kN。在支護結構施工和基坑開挖期間，采用人工井點降水法降低地下水位，施工不受地下水干擾。

圖1樁錨與土釘墻聯合支護體系

1．2 土釘軸力監測方案

選擇了上部土釘墻的一個剖面布置監測點，在1、2排土釘上布置3個軸力監測點，在3、4排土釘上布置4個軸力監測點。第一以及第二排土釘各個監測點距離為1.5 m。第三、第四排各監測點距離為1.2 m。圖2、圖3為現場監測的HXG型振弦式土釘鋼筋計和讀數儀，圖4為本工程基坑北側土釘監測儀器布置圖，后文均以此剖面為例進行說明。

圖2土釘軸力監測計

圖3振弦式頻率讀數儀

圖4土釘監測儀器布置圖

2 監測結果分析

2．1 基坑開挖情況下的土釘軸力變化分析

從土釘軸力曲線圖5可以看出：隨著下部土體的開挖，土釘墻中各排土釘的軸力是呈逐漸增大的趨勢。從施工開始到挖至基坑底部的過程中，1、2排中的土釘軸力增長幅度較小，最大土釘軸力不超過6 kN，其中T411L及T423L土釘監測器它們的軸力不超過1 kN，這可以認為在該儀器所在位置土體的變化幅度很小。由于基坑土體的開挖，導致土釘墻中的應力發生變化。應力主要集中在土釘墻中第三排以及第四排土釘所處的位置。在基坑開挖初期，同一排不同位置的軸力曲線存在交叉現象，這種交叉現象表明了土釘墻正逐漸朝穩定狀態發生轉變。

2．2 沿釘長分布的土釘軸力變化分析

土釘軸力沿釘長分布曲線如圖6所示。在基坑開挖的初期，第一、二排土釘中土釘軸力呈現釘頭受力大，中部受力次之，釘尾小的受力形式。第三排土釘在儀器埋設初期（0～21 d左右）釘頭處的土釘軸力變化幅度較大，受力主要集中于土釘中部，土釘端尾處受力相對較小，而第四排土釘在儀器埋設初期，軸力主要產生在土釘尾部，土釘中部及釘頭處相對于尾部受力較小。在基坑開挖初期各排土釘所受軸力很小，擋土墻中土體處于穩定狀態。隨著基坑開挖的進行（開挖到35 d左右），土釘的受力出現較大變化，具體表現在：第三、四排土釘軸力呈現出釘頭及中間部位大釘尾小的受力形式，這表明下部樁錨支護部分土體開挖及支護導致基坑產生變形及上部土體沉降，上部土釘墻中土體滑移破壞面發生變化，使土釘軸力受力狀態產生改變。

2．3 土釘軸力變化速率分析

隨著下部樁錨支護部分土體開挖和基坑支護的進行，土釘軸力變化速率曲線（圖7）呈現波浪式的形態，基坑開挖完成后土釘軸力變化速率趨于穩定。尤其對于第三、四排土釘，每次基坑進行開挖作業后，土釘軸力的變化速率都具有明顯上升的趨勢。而在每次錨索施工張拉后土釘軸力的變化速率又有明顯的下降趨勢，因此樁錨與土釘聯合支護中，上部土釘墻設計過程中應當考慮下部土體開挖對其上部的影響。

2．4 土釘墻設計分析

土釘墻屬于被動受力結構，只有土體產生了一定的變形才能發揮土釘抗拉作用。本文土釘墻內力監測值總體偏小，其中最大值為10.48 kN，土釘的內力沒有完全發揮，尤其是第一、二排土釘所受軸力最大值更是僅為6 kN左右，所以在今后類似的基坑支護土釘墻設計中可以適當減少第一、二排的土釘桿體直徑。

圖5各排土釘各測點軸力曲線圖

圖6沿釘長分布的土釘軸力曲線圖

3 結論

本文根據詳細的土釘監測資料，得出了以下結論：

（1）基坑開挖支護過程中，土釘墻中各排土釘的軸力是呈逐漸增大的趨勢。基坑開挖初期上部土釘墻軸力增長速率比較顯著，隨著基坑開挖進行，土釘軸力變化逐漸趨于緩和，并在開挖到基坑底部后趨于穩定狀態。

（2）基坑開挖初期，各排土釘軸力均較小，第一、第二排土釘軸力呈釘頭大、中間次之、釘尾小的受力形式，第三排土釘軸力表現為中間大兩端小的受力形式，而第四排土釘軸力在釘尾處呈現最大值。由于下部樁錨支護部分土體開挖對上部土釘墻整體穩定性造成影響，使上部土體中應力發生轉移，引起土釘軸力逐漸發展為釘頭及中間部位大釘尾小的受力形式。

（3）基坑的開挖以及錨索的張拉均對土釘軸力產生影響，開挖導致土釘軸力變化速率增大，下部預應力錨索張拉導致土釘軸力變化速率減小，因此上部土釘墻設計時應當考慮下部土體開挖及支護對上部土釘墻的影響。

圖7土釘軸力變化速率曲線

（4）各排土釘的土釘軸力均不大，考慮到土釘墻為被動受力結構，因此，可以推測本次土釘墻整體變形較小。所以，對于類似的基坑支護工程，上部土釘墻的設計可以考慮通過適當增大各排土釘距離，以減少土釘墻中的土釘的排數或者適當減少土釘的直徑以達到節約成本的目的。

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Monitoring and Analysis of Soil Nail Axial Force on the Upper Part of a Soil NailWall for the Deep Foundation

LIU Anning1，LAIQingzhuan2，WU Ruigang3，SU Changyi4
（School of Highway，Chang＇an University，Xi＇an 710054，China）

With a deep foundation pit engineering an example，for each stage of excavation，the soil nail axial force of upper soil nailwall ismonitored.The effectof the process of foundation pitexcavation and support on soil nails axial force is analysed and studied，specially，the relationship between excavation time and axis-force of soil nailing，changing rate of axisforce，aswell as changing trend of axial force in different positions with the same soil nail，is considered.It can provide a reference for the design and analysis of top soil-nailed wall in those similar foundation pit engineerings.

excavation and support；soil nail wall；soil nail axial force

TU472.3＋4

A

1673-1549（2015）01-0059-04

10．11863／j．suse．2015．01．14

2014-10-11

劉安寧（1987-），男，陜西西安人，碩士生，主要從事基坑設計與監測方面的研究，（E-mail）429439365＠qq.com