土钉墙在冬施条件下的稳定性研究

肖 荣 邹仕奇

1 概述

土钉与其他支护类型相比,具有工期短、造价低、施工简便等优点,已在我国许多城市得到推广应用。然而,土钉支护设计过程中,将受到选择土工参数模型困难、变形和受力性能、破坏模式不易确定及冻结条件下的土压力的计算和经验的约束,出现了理论落后于实践的局面。本文通过工点冬季施工过程中水平位移和土钉拉力的变化,分析冬季施工过程中冻胀对土钉支护稳定不利的影响,为今后类似工程提供参考依据。

2 冻胀力对基坑支护的影响

季节性冻土对土钉的安全危害,主要表现为季节性冻土对土钉的设计抗拉强度、土钉弯钩与水平压筋的连接强度,以及护面层强度的安全构成危害。由于北京地区土体的年平均地温较高,地下水埋深较大,地基含水量较小,可以采取以下措施:坑壁及地面覆盖草帘保温,减小土层冻结厚度;地面施加混凝土硬覆盖,防止地表水入渗;冬季停工期间,基坑降水不停止。

3 工程实例

北京广安门外大街 305号住宅楼基坑工程中,由于工期紧,其基坑必须在冬季来临前完成,并在来年进行底板施工,而在设计中却没有将冻胀力考虑在内。为确保基坑的安全性,在基坑一侧进行了相应的监测项目,验证越冬期间冻胀对基坑的不利影响。

3.1 支护设计

3.1.1 工程条件

拟建工程的地貌单元属于永定河冲洪积扇中上部,上部为人工填土层,其下为第四纪沉积土层,主要由粘性土、粉土、砂土及碎石土构成,拟采用复合土钉墙支护方案。

基坑分为 1—1,2—2,3—3,4—4,5—5,6—6,7—7七个支护分区,论文仅以 3—3剖面支护断面进行分析讨论,该断面的基坑开挖深度为 14.30m。设计中将附近的临时设施荷载考虑在内,荷载距基坑边线7.0m,宽度为3.0m,大小为20 kPa均载。

3.1.2 设计及稳定性验算

1)支护设计。

复合土钉墙设计方案,直接将涉及的锚杆作为土钉进行设计,其设计过程见JGJ 120-99建筑基坑支护技术规程。

通过计算及工程类比设计,基坑支护方式为:上部 5.0m放坡系数1∶0.2;下部9.3m放坡系数为1∶0.4;设计土钉8道,锚杆2道,长度3m～15m,水平间距1.5m,竖向间距1.4m,梅花状布置。土钉和锚杆人工或机械成孔,土钉孔径 100mm,锚杆孔径150mm,倾角 10°～15°,压力注P.S.A.32.5素水泥浆,水灰比0.50,土钉杆体材料为螺纹钢 1Φ20,喷锚面层为φ6.5@200×200钢筋网和螺纹钢 Φ14的横纵向加强筋。锚筋采用 1束(7φ5) 1860级钢绞线,第一道锚杆自由段 5.0m(采用隔浆处理),锚固段长度10.0m;第二道锚杆自由段5.0m(采用隔浆处理),锚固段长度7.0m;孔内注水泥浆,浆体强度M20,采用20b槽钢作为腰梁,第一道锚杆锁定力不小于 120 kN,第二道锚杆锁定力不小于150 kN。面层喷射10 cm厚C20细石混凝土,混凝土配比为水泥∶砂∶碎石=1∶2∶2;坡顶四周做1.0m宽的散水,材料做法同喷锚面层。复合土钉墙最后的设计如图 1所示。

2)稳定性验算。

a.整体稳定性计算。抗滑安全系数为Kh=2.90;土钉墙的抗倾覆安全系数为Kh=3 725.48/1 360.72=2.74;土钉的抗拉安全系数为K=5.08,均大于规范要求。b.内部整体稳定性验算。内部稳定性系数按圆弧法进行计算,圆心和圆弧均采用枚举法进行,稳定性系数随开挖过程不同而不同;其安全系数均大于1.2,满足规范要求。

3.2 现场监测数据分析

鉴于设计中未考虑冻胀力,因此,选择了基坑 3—3断面作为试验研究对象,进行水平位移和土钉拉力测试,用来判断其越冬期间该基坑的稳定性。

3.2.1 监测项目的布置

考虑到基坑的最大变形通常发生在基坑的中心,因此在 3—3断面中心位置钻孔埋设测斜管;考虑到细粒土存在冻胀现象,而粗粒土冻胀作用不明显这一特点,在第 1,3,4,5层土钉及第 1层锚杆布置拉力测试元件(锚杆测力计);其中土钉第 1层 ～第 4层和第 1层锚杆在细粒土地基中,土钉第 5层则在粗粒土中。

3.2.2 水平位移的变化特征

从监测数据来看,随着气温的不断降低,其水平位移量逐渐加大,从 2008年 12月 29日～2009年 1月 19日,水平位移量从8.9mm增长到26.2mm,增长幅度达194.4%。

从图 2可以看出水平位移量主要发生在开挖深度范围内(开挖深度为 14.3m),开挖结束后,开挖深度内水平位移变化量很小,而寒冷季节过后,在基坑上部 8m以上的水平位移变化量较大,分析其原因是由于该范围主要为粘性土,在冬季由于冻胀类土的冻胀作用,产生了较大的水平位移;从2009年1月 19日～2月18日,在深度2m位置处,其水平位移仅增长了3.0mm,说明基坑的冻胀量主要发生在冻胀前期,由于基坑侧壁上其水分没有继续补充,因此其冻胀量就没有继续增加。从以上现象可以看出,基坑的水平位移量绝大部分由冻胀引起,这点也可以从土钉的拉力变化特征得到,其变化值也主要发生在此时间段。

3.2.3 土钉拉力变化特征

从表 1可以看出,土钉的拉力在开挖完成后一段时间内,其拉力的变化不大;到 12月中旬开始,其拉力随着气温的降低而逐渐增大,在 2008年 12月 23日达到最大,其后拉力值基本保持不变。对于第 1层土钉而言,开挖到基底后,其拉力为8.31 kN,20 d后的拉力值几乎不变;但随着气温的降低,其拉力值逐渐增大,至2009年 1月 13日时,其拉力值达到了最大值 9.28 kN,增加了0.97 kN;同样的,对于第 3层土钉,其拉力值也在此阶段有了相应的增加;说明对于具有冻胀敏感性的粘性土而言,由于该部分出现了较大部分的水平位移,其拉力也相应的增加。但对于第 4层和第 5层土钉而言,由于其所处位置为非冻胀土,不发生冻胀,因此,该两层土钉在寒季中没有出现拉力明显增大的现象。

表1 不同部位的土钉拉力测试统计表

4 结语

论文通过对土钉支护中冻胀力的产生原因及实例分析,得到以下结论:

1)北方地区的寒冷冬季的基坑开挖必须考虑冻胀力,尤其是地下水量埋藏浅且丰富的地区,务必考虑冻胀力的存在,并采用一定的防冻胀措施;

2)基坑开挖后,其冻胀产生的水平量也相当可观,最大的水平位移达到34.9mm,对于旁边有管线的地段,尤其要注意其水平位移的发展;土钉拉力的增加和水平位移的变化主要发生在冻胀土中,对于弱冻胀的地基土,可以不予考虑。

[1] JGJ 120-99,建筑基坑支护技术规程[S].

[2] JGJ 118-98,冻土地区建筑地基基础设计规范[S].

[3] 胡焕校,魏 涛.土钉与桩锚复合支护方案在边坡工程中的应用[J].山西建筑,2010,36(1):107-108.