公安大學(xué)住宅樓基坑垂直錨噴支護(hù)設(shè)計(jì)施工與測(cè)試分析

1、公安大學(xué)住宅樓基坑垂直錨噴支護(hù)設(shè)計(jì)施工與測(cè)試分析唐玉文 錢(qián)建春 石健 劉禎榮摘要 文章闡述了土釘施工的工藝方法、土釘?shù)膽?yīng)力隨時(shí)間的變化的測(cè)試情況，經(jīng)過(guò)土釘支護(hù)施工后，不同地層層位的應(yīng)力結(jié)果分析。關(guān)鍵詞 土釘支護(hù) 應(yīng)力 應(yīng)變 測(cè)試1 工程概況公安大學(xué)部校東聯(lián)建住宅樓工程位于北京市西城區(qū)木樨地公安大學(xué)院內(nèi)，擬建工程由南北三座塔樓和一棟十三層的住宅連接體組成，總建筑面積60245m2，地下兩層，地上二十層，基坑面積約6422m2，基坑周長(zhǎng)約336m，基礎(chǔ)埋深10.0m，局部埋深13.0m。根據(jù)該工程的巖土工程勘察報(bào)告，可知場(chǎng)地的地面標(biāo)高為47.3748.66m。表層為人工堆積的粉質(zhì)粘土填土、局部房渣

2、土層，其一般厚度為1.202.00m，局部較深處為2.703.40m；其下為第四紀(jì)沉積的粉砂、砂質(zhì)粉土層，與重粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土及粘質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土的交互層；于標(biāo)高40.4642.69m以下為細(xì)砂、粉砂層，卵石層，圓礫層及局部粘質(zhì)粉土層；標(biāo)高33.9936.99m以下見(jiàn)重粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土層與粘質(zhì)粉土、礫質(zhì)粉土層；再以下于標(biāo)高30.9532.76m見(jiàn)卵石層，局部細(xì)砂、中砂；標(biāo)高28.8529.29m見(jiàn)重粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土層；再向下標(biāo)高24.7726.54m見(jiàn)第三紀(jì)的粉質(zhì)粘土、重粉質(zhì)粘土層。本場(chǎng)區(qū)在勘探過(guò)程中測(cè)得地下水靜止水位標(biāo)高37.9732.86，埋深14.65m15.80m。2 方案設(shè)計(jì)與

3、施工2.1方案設(shè)計(jì)根據(jù)場(chǎng)地的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件及周邊情況，對(duì)基坑支護(hù)方案進(jìn)行分析比較后采用土釘支護(hù)，同時(shí)考慮本工程工期緊、任務(wù)重、場(chǎng)地小，為了確保工期，在基坑西側(cè)和南北兩側(cè)西段，采用直墻噴射砼后抹水泥砂漿抹平，鋪設(shè)防水卷材后作基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)外墻的模板。直墻噴錨作結(jié)構(gòu)外墻模板有諸多優(yōu)點(diǎn)：減小了土方開(kāi)挖量，縮短了工期，避免了后期工程的土方回填。土釘墻支護(hù)采用理正深基坑支護(hù)軟件進(jìn)行計(jì)算，結(jié)構(gòu)參數(shù)為：土釘垂直間距、水平間距均取1.4m，土釘傾角10，土釘直徑為130mm，土釘水泥漿體強(qiáng)度設(shè)計(jì)為20MPa，土釘水泥漿配比為0.5。采用25、28兩種直徑鋼筋，土釘長(zhǎng)度為5.813.0m不等。噴射砼設(shè)計(jì)強(qiáng)度C

4、20，施工配合比采用水泥：砂：碎石：外加劑=1：2：2：0.03，噴射厚度為100mm，冬季施工并考慮工期緊等因素外加劑選用速凝劑、防凍劑和早強(qiáng)減水劑三種 (8880巢湖牌速凝劑，摻量為水泥重量的3，MD-5防凍劑，摻量為水泥重量的3，早強(qiáng)減水劑摻量為水泥重量的5用于水泥注漿)。為了限制坡頂位移滿足項(xiàng)目經(jīng)理部提出的不超過(guò)5cm的變形要求，設(shè)計(jì)上在西坡直立坡中段60m范圍第二排土釘間每隔2.8m設(shè)計(jì)長(zhǎng)15m，孔口一端帶有螺紋的預(yù)應(yīng)力錨桿，注漿后待水泥漿體強(qiáng)度達(dá)70后(三天)，于噴射砼面層上安放300mm300mm6mm中間鉆有30mm直徑孔眼的鋼墊板，安裝螺母施加少量預(yù)應(yīng)力。這樣，既增加了土釘長(zhǎng)

5、度，又提高了土釘密度。待結(jié)構(gòu)施工到此高度時(shí)，卸下螺母墊板，割除土釘外露部分。必要時(shí)注漿WC由0.5改0.40.45，適當(dāng)提高注漿壓力。鋼筋網(wǎng)片：8200200mm，保護(hù)層厚3050mm，另外為保證坡頂穩(wěn)定，在坡頂做1.5m的鋼筋砼翻邊，總的工程量為：土釘共1700根，計(jì)14267延長(zhǎng)米，砼噴射面積3402m2，砼翻邊面積495m2。2.2施工工藝控制在施工工程中，嚴(yán)格按照方案進(jìn)行施工，工藝流程如表1。施工工藝流程 表1垂直邊坡土釘墻采用信息法施工，嚴(yán)格監(jiān)測(cè)基坑周邊的變形，以利及時(shí)反饋，一旦出現(xiàn)異常，可采取補(bǔ)救措施。在宏觀上，我們采用精密水準(zhǔn)儀和經(jīng)緯儀對(duì)基坑坡頂進(jìn)行水平位移和垂直沉降觀測(cè)；在微觀

6、上，采用在土釘鋼筋上貼制電阻應(yīng)變片，對(duì)土釘受力變形進(jìn)行測(cè)試。施工過(guò)程中控制坡頂位移我們采取如下措施： (1)遇砂層和砂質(zhì)粉土層，嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求分層、分段開(kāi)挖，開(kāi)挖長(zhǎng)度控制在5-6m，挖一段，噴錨一段。(2)限制開(kāi)挖面裸露時(shí)間，盡快加以支護(hù)，分段開(kāi)挖到初噴砼對(duì)于砂質(zhì)粉土和砂層力爭(zhēng)在一小時(shí)內(nèi)完成，避免塌方。 (3)加快注漿和噴砼早期強(qiáng)度的發(fā)展，加速凝劑，防凍劑、早強(qiáng)減水劑，且上覆保溫被防凍，實(shí)測(cè)結(jié)果表明覆蓋面下噴砼表面溫度在外面環(huán)境溫度在-8-10時(shí)仍在10以上。用525#水泥代替425#水泥，提高水泥漿強(qiáng)度。(4)土釘間與網(wǎng)片聯(lián)接由原來(lái)的“井字形”改為“水平橫向拉結(jié)筋和上下層斜拉筋”。解決了粉細(xì)

7、砂層坍塌的難題。(5)在噴砼和注漿體強(qiáng)度未達(dá)設(shè)計(jì)強(qiáng)度的40以上，不能開(kāi)挖下一層。據(jù)實(shí)驗(yàn)室實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，施工兩天后才能進(jìn)行下一層開(kāi)挖。為搶工期(98年11月30日)，噴砼與注漿體強(qiáng)度未達(dá)C20的40以上就開(kāi)挖下一層而導(dǎo)致觀測(cè)點(diǎn)地面沉降和坡頂水平位移分別達(dá)16mm和30mm(最大值產(chǎn)生的另一原因是在分段開(kāi)挖西側(cè)時(shí)，一次開(kāi)挖長(zhǎng)度達(dá)20余米)。 (6)為保證邊坡的垂直和平整性，由測(cè)量人員在垂直邊坡的土體面上，垂直釘入上下共同兩排長(zhǎng)70cm8mm鋼筋，沿邊坡長(zhǎng)度方向間距不超過(guò)l0m，用經(jīng)緯儀在鋼筋桿表面上定出測(cè)點(diǎn)。用鋼鋸鋸槽，然后用白線將各點(diǎn)連成直線，以此作為人工清坡和錨噴以及表面抹灰漿的控制面，以確保

8、砼面層不吃結(jié)構(gòu)。(7)協(xié)調(diào)土方開(kāi)挖與土釘墻施工配合是保證直立邊能順利施工的關(guān)鍵。特別在遇砂層和粉質(zhì)砂土層應(yīng)嚴(yán)格控制分段開(kāi)挖長(zhǎng)度，否則易造成局部土體坍塌或坡頂產(chǎn)生裂縫。在本工程施工中曾出現(xiàn)過(guò)此情況。3測(cè)試3.1應(yīng)變測(cè)試為了滿足基坑支護(hù)的穩(wěn)定性要求，嚴(yán)格控制土釘墻的水平位移(總位移5cm)和坡頂下沉；同時(shí)為確保工程安全、經(jīng)濟(jì)、高效(垂直土釘墻直接充當(dāng)外墻模板使用)；并為以后同類(lèi)工程的設(shè)計(jì)施工提供有價(jià)值的參考依據(jù)，特做土釘應(yīng)變測(cè)試研究。考慮到基坑不同部位放坡角度有所差異，加之深度及開(kāi)挖布局變化，土釘?shù)姆植紝訑?shù)不同的特點(diǎn)。為研究其空間效應(yīng)，在考慮了對(duì)稱性和便于測(cè)試對(duì)比，盡量不影響施工，保證滿足所要求的

9、精度，同時(shí)包容各個(gè)不同剖面，測(cè)試剖面布置如圖l所示，分別在圖中各剖面位置2、4、6排土釘上布置應(yīng)變片(土釘長(zhǎng)度分別為11.8m、9.8m、7.8m)。 在每個(gè)剖面測(cè)試土釘中間L2處(L為土釘全長(zhǎng))和距離兩端L5位置處安設(shè)應(yīng)變片，如圖2。量測(cè)土釘?shù)妮S向應(yīng)變，進(jìn)而了解土釘?shù)膬?nèi)力情況以及隨時(shí)間和空間分布狀況。施工中實(shí)際安設(shè)測(cè)試土釘共計(jì)26根。一般在安設(shè)土釘后12小時(shí)24小時(shí)內(nèi)進(jìn)行第一次測(cè)量。以后測(cè)試時(shí)間間隔為23天/1次，如變化明顯，適當(dāng)縮短時(shí)間間隔。當(dāng)基坑挖至設(shè)計(jì)深度(主要是西邊坡)，可進(jìn)行一段時(shí)間的跟蹤測(cè)試，并與變形觀測(cè)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)照，當(dāng)結(jié)果趨向穩(wěn)定或低于測(cè)試控制中出現(xiàn)的最大應(yīng)變，表明土釘變化與

10、內(nèi)力不再有明顯變化，即可停止測(cè)試。3.2位移觀測(cè)與沉降觀測(cè)因?yàn)榛拥娜孢吰轮眽婂^抹灰后要用做基礎(chǔ)部分的結(jié)構(gòu)外墻模板，所以邊坡的垂直度和平整度是直接影響結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量的關(guān)鍵。在施工中，控制人工修坡的平整度和噴錨以及抹灰的厚度，保證邊坡的質(zhì)量；同時(shí)密切注視坡頂?shù)乃轿灰坪痛怪背两担杂^測(cè)結(jié)果指導(dǎo)下一步施工。為滿足監(jiān)測(cè)控制的要求，同時(shí)考慮到基坑西側(cè)直坡長(zhǎng)達(dá)105.4米，設(shè)計(jì)和施工上對(duì)坡體的變形要求很高，故在西側(cè)坡頂布設(shè)了5個(gè)位移觀測(cè)樁點(diǎn)，樁點(diǎn)距離坡頂0.5m。在基坑?xùn)|、南、北三面共設(shè)了8個(gè)位移觀測(cè)點(diǎn)。其中2號(hào)位移觀測(cè)樁點(diǎn)與應(yīng)變測(cè)試剖面5在同一剖面上。它們之間的宏觀微觀關(guān)系見(jiàn)后面分析。從1998年1

11、2月16日1999年1月5日，我們對(duì)基坑坡頂?shù)乃轿灰坪统两颠M(jìn)行了連續(xù)觀測(cè)，一般每天觀測(cè)1次，變形量加大時(shí)，增加觀測(cè)頻率為每天2次甚至更多。4測(cè)試結(jié)果分析4.1應(yīng)變測(cè)試4.1.1總的規(guī)律土釘安設(shè)之初，應(yīng)變值增加明顯，當(dāng)開(kāi)挖面至下一道土釘位置時(shí)，其上一道的土釘已開(kāi)始承載，正因?yàn)橥玲數(shù)某休d作用，在開(kāi)挖完畢后的較短時(shí)間內(nèi)?；幼冃尉挖呌诜€(wěn)定，這時(shí)土釘?shù)膽?yīng)變值達(dá)到最大，而不再出現(xiàn)明顯變化。根據(jù)實(shí)測(cè)，與國(guó)外類(lèi)似研究相比(如德國(guó)某基坑實(shí)測(cè)土釘最大拉力80kN等)，土釘應(yīng)變較小，最大拉伸應(yīng)變值為366(28mm鋼筋，折算拉力為47kN)。據(jù)筆者所知，與國(guó)內(nèi)類(lèi)似工程相比，應(yīng)變測(cè)試得到了一組較為完善、全面的空間

12、分布。土釘應(yīng)力隨時(shí)間變化實(shí)測(cè)曲線(圖3)表明，土釘安設(shè)之初，土釘應(yīng)力增長(zhǎng)速率較大，這也說(shuō)明，當(dāng)基坑產(chǎn)生較小的變形時(shí)，土釘就開(kāi)始承載，隨時(shí)間推移，土釘應(yīng)力趨于穩(wěn)定。就本基坑而言，第二排土釘應(yīng)力在安設(shè)后30-35天左右就基本穩(wěn)定，第四排土釘應(yīng)力在安設(shè)后25天左右就基本穩(wěn)定，第六排土釘應(yīng)力在安設(shè)后15天左右就基本穩(wěn)定。圖3 土釘應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線.4.1.2同一剖面處不同層位土釘應(yīng)力結(jié)果分析(參見(jiàn)圖4)同一剖面處不同層位土釘應(yīng)力關(guān)系曲線表明，對(duì)于本基坑土釘墻中土釘受力量大的部位在第24層土釘間，由于具體的地層條件不同，受力的最大點(diǎn)有所變化，即相對(duì)于基坑深度而言，土釘受力最大區(qū)域在基地深度中部偏上部位

13、，這與太原煤礦設(shè)計(jì)研究院對(duì)原位加筋土釘復(fù)合陡坡的原位試驗(yàn)及理論分析結(jié)果基本相符。圖4 同一剖面處不同層位土釘應(yīng)力結(jié)果分析4.1.3同一層位不同剖面應(yīng)力結(jié)果分析(參見(jiàn)圖5)同一層位不同剖面應(yīng)力關(guān)系表明：同一層位土釘中點(diǎn)應(yīng)力因具體的地層條件不同而不同，但其變化規(guī)律大致相同，比較突出的是剖面4處土釘應(yīng)力明顯比其他剖面處大，這是因?yàn)樵诖颂幓游鞅苯峭鈧?cè)有一個(gè)化糞池，使得該處原設(shè)計(jì)的土釘無(wú)法施工而在剖面4處形成一個(gè)類(lèi)似自由端的斷面。后采取預(yù)應(yīng)力錨索對(duì)該處進(jìn)行了局部加固。圖5同一層位不同剖面應(yīng)力結(jié)果分析4.1.4同一土釘上不同部位結(jié)果分析在開(kāi)挖階段后期，土釘拉力進(jìn)入穩(wěn)定階段，穩(wěn)定階段土釘應(yīng)力分布情況如圖6

14、所示(圖中結(jié)果為12月26日的測(cè)試計(jì)算結(jié)果)，由圖6可知，總體上講，基坑上部土釘(如一、二、四排)拉力略大于基坑底部(如六排)土釘拉力，這與基坑上部土體水平位移大于底部位移一致。對(duì)每根土釘而言，土釘內(nèi)力分布是不均勻的，實(shí)測(cè)表明：多數(shù)情況下土釘拉力在土釘桿體中部最大，往兩端逐漸變?。挥械耐玲攦?nèi)力在靠近外錨端時(shí)較大(即A點(diǎn)處)，這與土體的臨界破裂面(潛在滑移面)位置變化有關(guān)，因?yàn)榭拷鼭撛诨泼嫖恢猛玲攦?nèi)力往往達(dá)到最大；對(duì)A、B、C位置拉力比較表明，靠近內(nèi)錨(C位置)拉力最小，這說(shuō)明對(duì)土釘墻的設(shè)計(jì)并不是土釘長(zhǎng)度越長(zhǎng)越好，長(zhǎng)度的加長(zhǎng)并不能顯著增加錨固力，反而造成材料浪費(fèi)。值得探討是，根據(jù)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行計(jì)

15、算時(shí)，有關(guān)土體的原始參數(shù)的選取會(huì)直接關(guān)系到設(shè)計(jì)結(jié)果和工程的安全性和經(jīng)濟(jì)性；當(dāng)?shù)谝粚油馏w開(kāi)挖深度較大時(shí)，第一排土釘長(zhǎng)度選取問(wèn)題只要土體產(chǎn)生位移，第一排就會(huì)受力，因此第一排長(zhǎng)度不宜太短，短了對(duì)控制土釘墻的坡頂變形不利。圖6土釘墻穩(wěn)定階段土釘力分布情況4.2位移觀測(cè)4.2.1沉降分析基坑坡頂沉降變化曲線(圖7)表明基坑坡頂各位移觀測(cè)樁點(diǎn)的沉降量基本一致，差別不大，由于觀測(cè)精度的原因，且有上下波動(dòng)。總的變化趨勢(shì)：隨著基坑的開(kāi)挖逐漸加大，開(kāi)挖到底后即趨于穩(wěn)定。圖7基坑坡頂沉降變化曲線4.2.2水平位移分析基坑坡頂水平位移變化曲線(圖8)表明：基坑開(kāi)挖后短期內(nèi)坡頂水平位移基本上沒(méi)有大的變化，只有當(dāng)基坑開(kāi)挖

16、至一定深度(約0.4H)時(shí)，水平位移變化才比較明顯。由圖8a中2#測(cè)點(diǎn)可見(jiàn)變形量有4個(gè)明顯的突躍，其他幾個(gè)測(cè)點(diǎn)有不同的顯現(xiàn)。這是因?yàn)楸竟こ坦て诰o，噴射混凝土和注漿強(qiáng)度沒(méi)有完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求就向下開(kāi)挖所致；同時(shí)也暴露了土釘墻支護(hù)具有當(dāng)開(kāi)挖深度加大后，變形量顯著增大的缺陷。說(shuō)明對(duì)于超深大基坑或?qū)χёo(hù)結(jié)構(gòu)變形要求較高時(shí)，土釘墻支護(hù)是不太適宜的。圖8 基坑坡頂水平位移變化曲線4.3應(yīng)變測(cè)試與坡頂水平位移的關(guān)系初探土釘應(yīng)力與坡頂水平位移關(guān)系曲線(圖9)表明：宏觀上的水平位移觀測(cè)曲線與微觀上的土釘應(yīng)力變化曲線趨勢(shì)一致。圖中還表明應(yīng)力下降不變段也對(duì)應(yīng)于水平位移不變段，只是土釘應(yīng)力變化趨勢(shì)超前于宏觀上所觀測(cè)到的

17、坡頂水平位移變化。所以從根本上講，以宏觀上的水平位移變化作為推測(cè)土釘墻穩(wěn)定與否，只能是一種事后補(bǔ)救措施。在保證土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定和安全，避免更大損失的意義上是值得進(jìn)一步探討的。圖9 土釘應(yīng)力與坡頂水平位移的關(guān)系曲線5幾點(diǎn)結(jié)論 .深基坑土釘墻直立邊坡兼作外模板必須嚴(yán)格控制坡頂水平位移，我們從設(shè)計(jì)方案上、施工工藝和施工速度上、信息化施工三方面采取綜合控制措施，保證了基坑位移未超過(guò)3cm，工期一個(gè)月。并獲得了深基坑土釘墻中應(yīng)力應(yīng)變變化關(guān)系的空間分布。從中得出以下結(jié)論：1、宏觀上對(duì)坡頂水平位移與微觀上的土釘應(yīng)力變化關(guān)系曲線趨勢(shì)一致，且應(yīng)力下降不變段也對(duì)應(yīng)于水平位移不變段，但土釘應(yīng)力變化趨勢(shì)超前于宏

18、觀觀測(cè)的水平位移變化。因此，以宏觀觀測(cè)的水平位移變化來(lái)判斷土釘墻的穩(wěn)定與否是一種事后補(bǔ)救措施，值得進(jìn)一步探討。 2、土釘應(yīng)力隨時(shí)間變化的關(guān)系：土釘應(yīng)力在安設(shè)之初增長(zhǎng)速率極大，隨后趨于穩(wěn)定。各剖面第二排土釘應(yīng)力在安設(shè)后3035天左右基本穩(wěn)定。第四排約25天，第六排約15天。此時(shí)土釘應(yīng)變值達(dá)到最大而不會(huì)出現(xiàn)明顯變化。 3、同一剖面處不同層位土釘應(yīng)力變化關(guān)系：觀測(cè)結(jié)果表明，土釘墻中土釘受力最大的部位在第24層土釘間。相對(duì)基坑深度而言，土釘受力最大區(qū)域在坑深中部偏上部位(0.4H)(由于地層條件不同，受力最大點(diǎn)有所變化)。總體上基坑上部（一，二，四排）拉力略大于基坑底部(六排)土釘拉力。這與基坑上部土體水平位移大于底部位移一致。 4、同一層位不同剖面土釘中點(diǎn)應(yīng)力變化：對(duì)每層位不同剖面土釘中點(diǎn)應(yīng)力因地層不同而不同。但其變化規(guī)律大致相同 (從安設(shè)初應(yīng)力增長(zhǎng)速率較大隨后趨于穩(wěn)定) 。 5、同一土釘上不同部位土釘內(nèi)力分布關(guān)系：對(duì)每根土釘而言，土釘內(nèi)力分布是不均勻的。土釘拉力在土釘中部最大，往兩端逐漸變小。也有些土釘內(nèi)力在靠近外錨端(即近開(kāi)挖面)較大。這與土體潛在的滑移