基坑支護土釘墻與微型樁復合支護的構成及其技術關鍵

譚宗輝

(湖南建材地質工程勘察院有限公司,株洲 412000)

在眾多的基坑支護結構形式中,土釘墻與微型樁相結合的復合支護結構具備獨特的技術特征和技術特點。論文梳理總結基坑支護工程中土釘墻與微型樁復合支護結構的組成,并圍繞有關原理開展基于土釘墻和微型樁復合支護結構的受力模型分析。這對于指導土釘墻與微型樁復合支護結構的實踐應用而言具有一定的積極意義。

1 基坑支護工程土釘墻與微型樁復合支護結構的組成

基坑支護工程中土釘墻與微型樁復合支護結構主要包含土釘、面層、微型樁三個部分[1]。通過圖1可以看出,土釘墻與微型樁的復合支護結構充分利用了基坑四周土體的自承能力,首先借助微型樁增強基坑臨空邊界地帶的穩定性,利用土釘增強微型樁對于土體的抵抗能力,通過噴射混凝土面層、混凝土護頂增強整個復合支護結構的穩定性。

1.1 土釘的技術特征

在土釘與微型樁復合支護結構中,土釘的材質、設置長度、布置間距、土釘在土體內的摩擦傾角等均是關乎其支護效能的重要技術特征[2]。常見土體的土釘技術特征值如表1所示。

表1 常見土體的土釘技術特征值

1.2 混凝土面層的技術特征

在我國大多數工程項目中,常用的面層施工厚度為100 mm、混凝土標號常為C20商品混凝土或C25商品混凝土。面層鋼筋網片多為HRB400型鋼筋。若使用的鋼筋直徑為6.5 mm,那么鋼筋的橫向和縱向布置間距多為150 mm;若使用的鋼筋直徑為8 mm,那么鋼筋的橫向和縱向布置間距多為200 mm[3]。

1.3 微型樁的技術特征

所謂微型樁主要指的是直徑較小的鉆掘樁,這種小口徑鉆掘樁的直徑長度一般在100～300 mm之間。樁體的構成材料主要為“鋼筋加水泥砂漿”或“鋼筋加細石混凝土”。此外,也會有工程項目根據具體的支護需求使用密排木樁或竹樁作為微型樁。

2 土釘墻與微型樁復合支護的穩定性原理及其技術關鍵

土釘墻與微型樁復合支護結構的穩定性原理及其技術關鍵主要包含以下兩個部分:1)土釘對于土體的補強作用原理及其技術關鍵,2)微型樁的支護原理及其技術關鍵。

2.1 土釘對于土體的補強作用原理以及技術關鍵

根據土體的準粘聚力有關理論,當土釘被植入需要被加固的土體之后,土體相對于土釘會產生一定的橫向位移,土釘對于其周邊鄰近的土體也會產生一定的變形抑制作用。因此在土釘與需要被加固的土體之間就會產生一定的摩擦阻力,從而引起被加固土體受到的主應力方向發生旋轉變化,亦使得土釘與其周邊鄰近土體之間達到一種新的力學平衡狀態。在這種新的力學平衡狀態下,植入土釘后的被加固土體的最大主應力值、最小主應力值等均得到了明顯的提升,由此體現了土釘對于土體的補強作用[4]。由于土釘對于被加固土體的補強作用是借助摩擦阻力而實現的,因此確定土釘在土體內的最佳摩擦傾角,便成為了施工階段土釘布設施工方案的技術關鍵。

2.2 微型樁的支護原理及其技術關鍵

關于微型樁的支護原理及其技術關鍵,需要從改善原土體的初始應力場、減少挖掘階段土體次生應力變化、降低基坑邊坡位移量保障基坑穩定性三個角度進行說明。

1)改善原土體的初始應力場 利用“鋼筋加水泥砂漿”微型樁或“鋼筋加細石混凝土”微型樁與基坑原始土體間的性能差異,在基坑開挖之前便沿著基坑四周的外邊線將微型樁植入土體之內,從而實現對于樁體周圍一定區域內土體的變形抑制約束,由此實現對于基坑四周部分土體初始應力場的改善提升,尤其是對于改善微型樁支護前的基坑裸坡自承能力,效果明顯[5]。雖然基坑土體挖掘前植入微型樁能明顯改善土體初始應力場,但是每兩根微型樁之間的布置間距應該如何設置是微型樁施工方案的技術關鍵之一。

2)減少挖掘階段土體次生應力變化 基坑土體在挖掘期間,隨著基坑挖掘深度的逐漸增加,土體的次生應力也會產生一定的變化[6]。因為微型樁能夠利用自身的強度和基坑施工區域原始土體之間的強度差異增強原始土體的整體剛度,達到減少基坑瞬時挖掘階段次生應力變化差異值的功效,因此具備一定的支護加固效果。故而確定鋼筋的最佳規格、型號、數量以及確定水泥砂漿或細石混凝土的強度標號也是微型樁施工方案的技術關鍵之一。

3)降低基坑邊坡位移量保障基坑穩定性 通過改善基坑施工區域范圍內原土體的初始應力場,減少基坑施工區域范圍內土體的次生應力差異變化,其最直接的成效表現就是降低基坑邊坡的橫向位移量和豎向位移量。一旦基坑邊坡的橫向位移或豎向位移超出了安全控制范圍,就可能導致基坑施工質量安全事故的發生。因此,在采取土釘墻與微型樁復合支護結構進行基坑施工支護期間,監測基坑邊坡的位移量便成為保障施工質量和安全的技術關鍵之一。

3 基坑支護工程土釘墻與微型樁復合支護穩定性驗證原理

在確定了上述施工技術關鍵內容之后,應從復合支護結構內部穩定性、復合支護結構外部穩定性這兩個層面計算驗證土釘墻與微型樁復合支護結構的穩定性。

3.1 復合支護結構內部穩定性的驗證

使用土釘墻與微型樁復合支護結構開展基坑支護的過程中,需要確定整個支護結構體系的抗拉斷裂極限狀態,以此作為測量監控支護結構內部穩定性和安全性的依據。在基坑進行挖掘施工的過程中,復合支護結構體系在面層土體的作用力影響下,將形成一定的抗拉應力,在此種情況下,需要確保復合支護結構中土釘加筋桿的直徑db滿足如式(1)、式(2)所示的抗拉強度要求。

(1)

Ei=Pi×Sx×Sy

(2)

式中,Ei為整個復合支護結構體系中第i根土釘所屬支承范圍內的面層土體壓力,MPa;db為整個復合支護結構體系中土釘加筋桿的直徑,mm;fk為整個復合支護結構體系中加筋桿抗拉強度標準值;Pi為整個復合支護結構體系中第i根土釘所屬支承范圍內的面層土壓力分布強度,MPa;Sx為整個復合支護結構體系中第i根土釘所屬支承范圍內的面層土體在x方向上的長度,m;Sy為整個復合支護結構體系中第i根土釘所屬支承范圍內的面層土體在y方向上的長度,m。此外,在整個復合支護結構體系中,第i根土釘所屬支承范圍內的面層土壓力分布強度Pi的計算式見式(3)和圖2。

Pi=me×K×γ×hi

(3)

在式(3)和圖2中,hi為土體的壓力作用點到基坑坡頂的距離;當hi≤H/2時、hi按照其實際距離進行取值,當hi≥H/2時、hi按照0.5H進行取值;H為基坑土坡的垂直高度,m;γ為基坑施工范圍內土體的重度;me為整個復合支護結構體系中土釘的工作條件系數,當土釘工作期限為2年時,其工作條件系數me的取值一般為1.10,當土釘工作期限為2年以上時,其工作條件系數me的取值一般為1.20;K為復合支護結構支承范圍內土體的壓力系數。

3.2 復合支護結構外部穩定性的驗證

在對土釘墻與微型樁組成的復合支護結構開展外部穩定性計算驗證的時候,可將整個復合結構支承體系看作是重力式擋土墻進行考慮,在此情況下,根據式(4)進行驗證計算。

(4)

式中,KK為復合支護結構體系的滑動安全系數;G為單位長度復合支護結構體系的重力,kN/m;Ex為復合支護結構體系中,作用于單位長度復合結構支護體系的主動土壓力在水平方向的分力,kN/m;Ey為復合支護結構體系中,作用于單位長度復合結構支護體系的主動土壓力在垂直方向的分力,kN/m;μ為土體對于單位長度復合結構支護體系底部的摩擦系數,該系數可按照表2進行選取。

表2 摩擦系數取值表

4 基坑支護工程土釘墻與微型樁復合支護案例分析

在充分掌握了基坑支護工程中土釘墻與微型樁復合支護結構的組成、土釘墻與微型樁復合支護的穩定性原理及其技術關鍵、土釘墻與微型樁復合支護穩定性驗證原理之后,依據某工程項目開展案例分析,從而為該種復合支護結構的實踐應用提供參考。

4.1 案例工程項目概況

位于我國中南地區的某建設工程項目,基坑深度10 m,基坑施工區域范圍的長度為60 m、寬度為42 m,屬于大型深基坑施工。該項目的施工技術人員擬采用土釘墻與微型樁相結合的復合支護結構對基坑的挖掘施工進行加固保護。此外,經試驗測定,案例工程項目基坑施工區域范圍內的土體為堅硬性粉質土體,其土體對于土釘墻與微型樁復合結構支護體系底部的摩擦系數μ=0.45。

4.2 案例工程復合結構技術方案

為了使得案例項目在基坑挖掘期間,能夠獲得可靠的質量和安全保障,施工技術人員根據過往的基坑支護經驗,將土釘墻與微型樁復合支護結構的技術方案設置如下:1)由于基坑施工區域土體為堅硬粉質土體,故而將土釘的長度設定為18 m、土釘的布置間距設定為1 m,土釘在土體內的摩擦傾角設定為20°,土釘的制作材料為2根直徑為16 mm的HRB400型鋼筋加標號為M7.5的水泥砂漿;2)微型樁的孔徑設定為200 mm,每2根微型樁孔徑圓心之間的間距設定為200 mm,微型樁的制作材料為4根直徑為22 mm的HRB400型鋼筋加標號為C25的細石混凝土;3)支護結構的面層混凝土采用鋼筋混凝土的形式,面層橫向、縱向鋼筋均為直徑12 mm的HRB400型鋼筋,橫向、縱向鋼筋的布設間距為150 mm,面層混凝土采用C20細石混凝土,面層混凝土厚度控制在20 mm。

4.3 案例工程的模型分析驗算結果

利用有限元建模軟件,根據案例工程項目的特征,以及4.2節所示內容建立模型,同時在軟件中錄入式(1)～式(4),開展有關案例項目復合支護結構穩定性的驗證測算。得到的測算結果表明,依照4.2節的施工技術方案開展案例項目的基坑支護,能夠滿足土釘加筋桿抗拉強度≥1.5,滑動穩定性系數≥1.3的安裝保障條件。隨后,案例項目的施工人員根據4.2節所示的技術方案對案例項目進行土釘墻與微型樁相結合的復合結構支護,取得了良好的支護效果,保障了基坑施工期間的安全。

5 結 語

土釘墻與微型樁相結合的復合支護結構具備許多獨特的技術特征,在實踐運用該種支護結構之前,需要充分掌握該種復合支護結構的組成形式,明確有關施工技術方案的關鍵內容。同時,對該種復合支護結構體系的內部穩定性驗算和外部穩定性驗算要了然于胸,才能有效保障該種復合支護結構形式的安全運用。論文借助某案例工程項目開展模型驗算分析和實踐應用結果闡釋,為基坑施工階段土釘墻和微型樁這類復合支護結構的技術運用提供參考。