公安大學住宅樓基坑垂直錨噴支護設計施工與測試分析

1、公安大學住宅樓基坑垂直錨噴支護設計施工與測試分析 唐玉文 錢建春 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﹄S時間的變化的測試情況，經(jīng)過土釘支護施工后，不同地層層位的應力結(jié)果分析。關鍵詞  土釘支護  應力  應變  測試 1 工程概況 公安大學部校東聯(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，基坑周長約336m，基礎埋深10.0m，局部埋深13.0m。 根據(jù)

2、該工程的巖土工程勘察報告，可知場地的地面標高為47.3748.66m。表層為人工堆積的粉質(zhì)粘土填土、局部房渣土層，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；于標高40.4642.69m以下為細砂、粉砂層，卵石層，圓礫層及局部粘質(zhì)粉土層；標高33.9936.99m以下見重粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土層與粘質(zhì)粉土、礫質(zhì)粉土層；再以下于標高30.9532.76m見卵石層，局部細砂、中砂；標高28.8529.29m見重粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土層；再向下標高24.7726.54m見第三紀的粉質(zhì)粘土、重粉質(zhì)粘土層

3、。本場區(qū)在勘探過程中測得地下水靜止水位標高37.9732.86，埋深14.65m15.80m。 2 方案設計與施工 2.1方案設計 根據(jù)場地的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件及周邊情況，對基坑支護方案進行分析比較后采用土釘支護，同時考慮本工程工期緊、任務重、場地小，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，鋪設防水卷材后作基礎結(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：減小了土方開挖量，縮短了工期，避免了后期工程的土方回填。 土釘墻支護采用理正深基坑支護軟件進行計算，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，

4、土釘直徑為130mm，土釘水泥漿體強度設計為20MPa，土釘水泥漿配比為0.5。采用25、28兩種直徑鋼筋，土釘長度為5.813.0m不等。噴射砼設計強度C20，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目經(jīng)理部提出的不超過5cm的變形要求，設計上在西坡直立坡中段60m范圍第二排土釘間每隔2.8m設計長15m，孔口一端帶有螺紋的預應

5、力錨桿，注漿后待水泥漿體強度達70后(三天)，于噴射砼面層上安放300mm×300mm×6mm中間鉆有30mm直徑孔眼的鋼墊板，安裝螺母施加少量預應力。這樣，既增加了土釘長度，又提高了土釘密度。待結(jié)構(gòu)施工到此高度時，卸下螺母墊板，割除土釘外露部分。必要時注漿WC由0.5改0.40.45，適當提高注漿壓力。 鋼筋網(wǎng)片：8200×200mm，保護層厚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14267延長米，砼噴射面積3402m2，砼翻邊面積495m2。 2.2施工工藝控制 在施工工

6、程中，嚴格按照方案進行施工，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，嚴格監(jiān)測基坑周邊的變形，以利及時反饋，一旦出現(xiàn)異常，可采取補救措施。在宏觀上，我們采用精密水準儀和經(jīng)緯儀對基坑坡頂進行水平位移和垂直沉降觀測；在微觀上，采用在土釘鋼筋上貼制電阻應變片，對土釘受力變形進行測試。 施工過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，嚴格按設計要求分層、分段開挖，開挖長度控制在5-6m，挖一段，噴

7、錨一段。 (2)限制開挖面裸露時間，盡快加以支護，分段開挖到初噴砼對于砂質(zhì)粉土和砂層力爭在一小時內(nèi)完成，避免塌方。     (3)加快注漿和噴砼早期強度的發(fā)展，加速凝劑，防凍劑、早強減水劑，且上覆保溫被防凍，實測結(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時仍在10以上。用525#水泥代替425#水泥，提高水泥漿強度。 (4)土釘間與網(wǎng)片聯(lián)接由原來的“井字形”改為“水平橫向拉結(jié)筋和上下層斜拉筋”。解決了粉細砂層坍塌的難題。 (5)在噴砼和注漿體強度未達設計強度的40以上，不能開挖下一層。據(jù)實驗室實測數(shù)據(jù)表明，施工兩

8、天后才能進行下一層開挖。為搶工期(98年11月30日)，噴砼與注漿體強度未達C20的40以上就開挖下一層而導致觀測點地面沉降和坡頂水平位移分別達16mm和30mm(最大值產(chǎn)生的另一原因是在分段開挖西側(cè)時，一次開挖長度達20余米)。     (6)為保證邊坡的垂直和平整性，由測量人員在垂直邊坡的土體面上，垂直釘入上下共同兩排長70cm8mm鋼筋，沿邊坡長度方向間距不超過l0m，用經(jīng)緯儀在鋼筋桿表面上定出測點。用鋼鋸鋸槽，然后用白線將各點連成直線，以此作為人工清坡和錨噴以及表面抹灰漿的控制面，以確保砼面層不吃結(jié)構(gòu)。 (7)協(xié)調(diào)土方開挖與土釘墻施工配

9、合是保證直立邊能順利施工的關鍵。特別在遇砂層和粉質(zhì)砂土層應嚴格控制分段開挖長度，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)過此情況。 3測試 3.1應變測試為了滿足基坑支護的穩(wěn)定性要求，嚴格控制土釘墻的水平位移(總位移5cm)和坡頂下沉；同時為確保工程安全、經(jīng)濟、高效(垂直土釘墻直接充當外墻模板使用)；并為以后同類工程的設計施工提供有價值的參考依據(jù)，特做土釘應變測試研究。考慮到基坑不同部位放坡角度有所差異，加之深度及開挖布局變化，土釘?shù)姆植紝訑?shù)不同的特點。為研究其空間效應，在考慮了對稱性和便于測試對比，盡量不影響施工，保證滿足所要求的精度，同時包容各個不同剖

10、面，測試剖面布置如圖l所示，分別在圖中各剖面位置2、4、6排土釘上布置應變片(土釘長度分別為11.8m、9.8m、7.8m)。    在每個剖面測試土釘中間L2處(L為土釘全長)和距離兩端L5位置處安設應變片，如圖2。量測土釘?shù)妮S向應變，進而了解土釘?shù)膬?nèi)力情況以及隨時間和空間分布狀況。施工中實際安設測試土釘共計26根。 一般在安設土釘后12小時24小時內(nèi)進行第一次測量。以后測試時間間隔為23天/1次，如變化明顯，適當縮短時間間隔。當基坑挖至設計深度(主要是西邊坡)，可進行一段時間的跟蹤測試，并與變形觀測的結(jié)果進行對照，當結(jié)果趨向穩(wěn)定或低于測試控制中出現(xiàn)的

11、最大應變，表明土釘變化與內(nèi)力不再有明顯變化，即可停止測試。 3.2位移觀測與沉降觀測 因為基坑的三面邊坡直墻噴錨抹灰后要用做基礎部分的結(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；同時密切注視坡頂?shù)乃轿灰坪痛怪背两?，以觀測結(jié)果指導下一步施工。 為滿足監(jiān)測控制的要求，同時考慮到基坑西側(cè)直坡長達105.4米，設計和施工上對坡體的變形要求很高，故在西側(cè)坡頂布設了5個位移觀測樁點，樁點距離坡頂0.5m。在基坑東、南、北三面共設了8個位移觀測點。其中2號位移觀測樁點與應變測試剖面5在

12、同一剖面上。它們之間的宏觀微觀關系見后面分析。 從1998年12月16日1999年1月5日，我們對基坑坡頂?shù)乃轿灰坪统两颠M行了連續(xù)觀測，一般每天觀測1次，變形量加大時，增加觀測頻率為每天2次甚至更多。 4測試結(jié)果分析 4.1應變測試 4.1.1總的規(guī)律 土釘安設之初，應變值增加明顯，當開挖面至下一道土釘位置時，其上一道的土釘已開始承載，正因為土釘?shù)某休d作用，在開挖完畢后的較短時間內(nèi)?；幼冃尉挖呌诜€(wěn)定，這時土釘?shù)膽冎颠_到最大，而不再出現(xiàn)明顯變化。 根據(jù)實測，與國外類似研究相比(如德國某基坑實測土釘最大拉力80kN等)，土釘應變較小

13、，最大拉伸應變值為366(28mm鋼筋，折算拉力為47kN)。據(jù)筆者所知，與國內(nèi)類似工程相比，應變測試得到了一組較為完善、全面的空間分布。 土釘應力隨時間變化實測曲線(圖3)表明，土釘安設之初，土釘應力增長速率較大，這也說明，當基坑產(chǎn)生較小的變形時，土釘就開始承載，隨時間推移，土釘應力趨于穩(wěn)定。就本基坑而言，第二排土釘應力在安設后30-35天左右就基本穩(wěn)定，第四排土釘應力在安設后25天左右就基本穩(wěn)定，第六排土釘應力在安設后15天左右就基本穩(wěn)定。圖3  土釘應力隨時間變化曲線. 4.1.2同一剖面處不同層位土釘應力結(jié)果分析(參見圖4) 同一剖面處不同層位土

14、釘應力關系曲線表明，對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，受力的最大點有所變化，即相對于基坑深度而言，土釘受力最大區(qū)域在基地深度中部偏上部位，這與太原煤礦設計研究院對原位加筋土釘復合陡坡的原位試驗及理論分析結(jié)果基本相符。圖4  同一剖面處不同層位土釘應力結(jié)果分析 4.1.3同一層位不同剖面應力結(jié)果分析(參見圖5) 同一層位不同剖面應力關系表明：同一層位土釘中點應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處土釘應力明顯比其他剖面處大，這是因為在此處基坑西北角外側(cè)有一個化糞池，使得該處原設計的土釘無法

15、施工而在剖面4處形成一個類似自由端的斷面。后采取預應力錨索對該處進行了局部加固。圖5同一層位不同剖面應力結(jié)果分析 4.1.4同一土釘上不同部位結(jié)果分析 在開挖階段后期，土釘拉力進入穩(wěn)定階段，穩(wěn)定階段土釘應力分布情況如圖6所示(圖中結(jié)果為12月26日的測試計算結(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。 對每根土釘而言，土釘內(nèi)力分布是不均勻的，實測表明：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??；有的土釘內(nèi)力在靠近外錨端時較大(即A點處)，這與土體的臨界破裂面(

16、潛在滑移面)位置變化有關，因為靠近潛在滑移面位置土釘內(nèi)力往往達到最大；對A、B、C位置拉力比較表明，靠近內(nèi)錨(C位置)拉力最小，這說明對土釘墻的設計并不是土釘長度越長越好，長度的加長并不能顯著增加錨固力，反而造成材料浪費。 值得探討是，根據(jù)設計軟件進行計算時，有關土體的原始參數(shù)的選取會直接關系到設計結(jié)果和工程的安全性和經(jīng)濟性；當?shù)谝粚油馏w開挖深度較大時，第一排土釘長度選取問題只要土體產(chǎn)生位移，第一排就會受力，因此第一排長度不宜太短，短了對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 4.2.1沉降分析基坑坡頂沉降變化曲線(圖7)表明基

17、坑坡頂各位移觀測樁點的沉降量基本一致，差別不大，由于觀測精度的原因，且有上下波動。總的變化趨勢：隨著基坑的開挖逐漸加大，開挖到底后即趨于穩(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：基坑開挖后短期內(nèi)坡頂水平位移基本上沒有大的變化，只有當基坑開挖至一定深度(約0.4H)時，水平位移變化才比較明顯。由圖8a中2#測點可見變形量有4個明顯的突躍，其他幾個測點有不同的顯現(xiàn)。這是因為本工程工期緊，噴射混凝土和注漿強度沒有完全達到設計要求就向下開挖所致；同時也暴露了土釘墻支護具有當開挖深度加大后，變形量顯著增大的缺陷。說明對于超深大基坑或

18、對支護結(jié)構(gòu)變形要求較高時，土釘墻支護是不太適宜的。圖8  基坑坡頂水平位移變化曲線 4.3應變測試與坡頂水平位移的關系初探 土釘應力與坡頂水平位移關系曲線(圖9)表明：宏觀上的水平位移觀測曲線與微觀上的土釘應力變化曲線趨勢一致。圖中還表明應力下降不變段也對應于水平位移不變段，只是土釘應力變化趨勢超前于宏觀上所觀測到的坡頂水平位移變化。所以從根本上講，以宏觀上的水平位移變化作為推測土釘墻穩(wěn)定與否，只能是一種事后補救措施。在保證土釘墻支護結(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一步探討的。圖9  土釘應力與坡頂水平位移的關系曲線 5幾點結(jié)論

19、    . 深基坑土釘墻直立邊坡兼作外模板必須嚴格控制坡頂水平位移，我們從設計方案上、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3cm，工期一個月。并獲得了深基坑土釘墻中應力應變變化關系的空間分布。從中得出以下結(jié)論：1、宏觀上對坡頂水平位移與微觀上的土釘應力變化關系曲線趨勢一致，且應力下降不變段也對應于水平位移不變段，但土釘應力變化趨勢超前于宏觀觀測的水平位移變化。因此，以宏觀觀測的水平位移變化來判斷土釘墻的穩(wěn)定與否是一種事后補救措施，值得進一步探討。     2、土釘應力隨時間變

20、化的關系：土釘應力在安設之初增長速率極大，隨后趨于穩(wěn)定。各剖面第二排土釘應力在安設后3035天左右基本穩(wěn)定。第四排約25天，第六排約15天。此時土釘應變值達到最大而不會出現(xiàn)明顯變化。     3、同一剖面處不同層位土釘應力變化關系：觀測結(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應力變化：對每層位不同剖面土釘中點應力因地層不同而不同。但其變化規(guī)律大致相同 (從安設初應力增長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)力分布關系：對每根土釘而言，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(即近開挖面)較大。這與土體潛在的滑移面位置有關。對桿體前、中、內(nèi)錨端比較表明，