土钉墙支护技术在深基坑中的应用及现场监测

土钉墙支护技术在深基坑中的应用及现场监测关键词：深基坑、土钉支护、监测、水平位移、土钉应力土钉支护是利用土钉和表面喷射混凝土作为基坑支护的护壁，从而维持基坑的稳定。土钉墙具有造价低廉、施工迅捷、现场文明、支护质量高，能适用于多种地质条件等优点，作为一种新兴的支护类型近年来已在基坑支护和边坡加固中得到广泛应用。1、工程概况河北省职工医学院附属医院门诊综合楼工程，建筑面积50812m2，地上14层，地下2层，平面尺寸为80.8m×94.7m，基底开挖深度为-9.85m。由于施工场地狭小，无放坡条件，故基坑支护采用土钉墙支护技术。1.1、现场地质条件由冶金工业部勘察研究总院勘察第6G2190号地质报告得到施工深度范围内地层土质分布情况如下：○1杂填土：主要由粘性土组成，平均厚度为1.65m。○2粉土：褐黄色，含氧化铁，干强度底。平均厚度为1.2m。○3粉土：褐黄色，含氧化铁结核，局部粉质粘土和细砂薄层。平均厚度为3.2m。○4粉质粘土：黄褐色，含氧化铁，夹粉土薄层，土质不均，软塑。平均厚度为2.0m。○5粉质粘土：黄褐色，含氧化铁结核及姜结石。平均厚度为3.2m。表1主要土层的物理力学性能注：γ为饱和重度；с为粘聚力；为内摩擦角2、基坑支护结构设计○1、土钉墙墙面坡度1：0.2○2、土钉布置：土钉共设8排，按梅花型布置○3、土钉参数：土钉直径为110mm，土钉长6～8m，竖向、横向间距均为1.2m，土钉倾角15度。土钉杆材料为32.5级普通硅酸盐水泥浆，水泥浆的水灰比为0.45～0.55。○4、面层参数：喷射混凝土面层厚度为100mm，内设4*2*15钢板网，混凝土强度等级为C20。锚杆端部与面层钢板网采用纵横拉结筋锚固，纵横拉结钢筋直径为18。表2各层土钉布置土钉层次土钉长度土钉距坡顶的距离（m）土钉主筋（mm）竖向/水平间距（m）第一排70.6181.2第二排9.51.8221.2第三排103.0221.2第四排11.54.2251.2第五排12.05.4251.2第六排116.6221.2第七排107.8221.2第八排89.0201.23、施工现场监测土层名称γ（KN/m）с/Kpa○1杂填土201020○2-1粉土18.21015○2粉土18.42023○3-1粉质粘土19.11710○3粉质粘土19.429.47.7根据工程的特点，周边环境情况以及基坑工程规范的要求，在施工过程中采用精密光学仪器进行水平位移、土钉钢筋应力计对土钉应力进行监测。基坑开挖深度与支护施工按设计分段分层进行，分段开挖长度为15m，分层开挖深度由土钉竖向间距确定，测试土钉按测试方案要求，在相应开挖步骤完成后设置。3.1水平位移监测：基坑开挖前测试水平位移的初始值，以后每开挖一步进行一次测量，测得锚杆距基坑面0.6m、1.8m、3.0m、4.2m、5.4m、6.6m、7.8m、9.0m等不同深度的水平位移。经过比较，位移变化较明显的Q16为例，其水平位移随施工日期的变化情况。如图1所示由测试结果可见：沿深度各点的水平位移随施工日期的延续而增加；土体开始开挖位移增幅较明显，基坑于2003年12月20日开挖完成后逐渐趋于稳定，开挖对边坡上部的土体影响较大，最大位移位于基坑顶面下2.0m处；8.09.0353025201510506.05.04.02.41.60.811月20日11月30日12月10日12月20日12月30日01月10日图1水平位移随施工日期的变化趋势123456土体的位移随深度的增加逐渐减小。在土钉施工阶段，基坑边坡位移一直在发展，最大水平位移为27mm，与基坑深度的比值约为3‰。3.2土钉应力监测现场测试在基坑北、西、东坡各选四个试验断面，土钉拉力的测试工作结合施工同步进行。○1开挖施工前期：每天测量一次。○2开挖施工后期：每天一次，发现土钉受力或变形较大时加密监测频率。○3稳定期：土钉受力及变形稳定后每2天测量一次。在施工阶段，测得三个试验断面土钉的拉力日程曲线，从A-A断面第1、第一层土钉第二层土钉第四层土钉第七层土钉123456789图3土钉拉应力分布图拉应力\MPa2724211815129639.85m15°87图2基坑支护测试示意2、4、7排的测试土钉的拉力日程曲线可以看出第一排土钉的最大拉应力出现在距开挖面大约3/4处，并从这一点开始，拉应力值都比较高；在第二排土钉中，最大拉应力出现的位置在土钉长度2/3处，两边相对较小；第四排土钉的最大拉应力出现的位置继续向开挖面延续，已达到土钉长度的中间处，且最大值比前两排高；在第七排土钉中最大拉应力出现的位置靠近开挖面，由于土钉并非超长，所以在两端依然有应力存在。由测试结果可得：土钉支护受力随施工日期的延续而变化，在施工阶段，从土钉被置入边坡土中开始，所受的拉力每天都有增加，随开挖深度的增加，土钉的拉力也逐渐增加。下层土体开挖对已设的所有上层土钉的受力均有较大影响，各层土钉的拉力均有突变，即土钉的受力具有开挖效应。由土钉应力曲线可见，全长注浆土钉的应力呈枣核形分布，存在一个峰值，此峰值即是边坡土体的内在滑裂面，应力由峰值向两侧递减，土钉内力最大值不在土钉的端部，而是在内部，随基坑向下开挖，上排土钉的最大拉力逐渐向土钉尾部移动，该现象主要由土体滑裂面随挖深增加不断向深处转移形成的。由上可知，基坑开挖后土体应力与应变具有时间效应，而土钉拉力和边坡水平位移的变化是由土体的应力和变形引起的，因此土钉支护的受力和变形同样也具有时间效应。土钉支护分层开挖后，土钉设置越早，可及时约束土体变形，减小基坑的位移量。工程实测表明：土钉支护的变形趋势是：自上而下变形逐渐减小，靠近上部的位移最大，底部很小，说明上部土钉承受的拉力较大，土钉的最大拉力位置距面层较近，且从最大拉力点位置到土钉的末端拉力值减小的很快。因此在下部采用长土钉不能有效的发挥土钉的作用而造成浪费，可适当减少土钉的长度；同时适当减小间距，采用密而短的土钉，才能充分发挥土钉的加固效果。4、总结土钉支护的受力与变形具有时间效应。根据土力学的基本概念，土体是多相介质，而土骨架又有儒变性，这些因素都使基坑开挖后土体应力与变形具有时间效应，而土钉拉力和基坑水平位移的变化是土体应力与变形引起的，所以土钉支护的受力和变形同样有时间效应。运用土钉进行基坑支护，要求做到信息化施工，土钉支护分层开挖后应尽快设置土钉以及时约束土体变形。在施工阶段，土钉一旦安装，土钉拉力就以缓慢的速率逐渐增加，开挖施工使土钉拉力产生突变，土钉拉力沿土钉延长呈曲线分布，最大拉力在基坑中部最大，上、下部土钉受力较小。土钉受力并不是与水平位移大小成正比，而是与基坑边坡潜在的滑动趋势有关。土钉的设置越快越好，早设置早受力，可及时约束土体的变形并减小开挖对土体的扰动影响，土钉设置后宜停留一段时间，或使用早强剂使注浆体达到一定强度并与周围土体粘结牢固后再进行下一步开挖。