基坑工程中土钉支护的设计与施工

2011-08-15刘裕

中国房地产业 2011年3期

关键词：土钉土体基坑

刘裕

（山东建工集团，山东，济南，250014）

基坑工程中土钉支护的设计与施工

刘裕

（山东建工集团，山东，济南，250014）

一、土钉支护的设计过程分析

1、土钉支护概述

在工业与民用建筑施工工生产中，基坑开挖后基坑周边常需要采取必要的支护措施，土钉支护是常用的技术措施之一。土钉支护适用于地下水位以上或经人工降水后的填土、粘性土和若胶结沙土等地层。土钉支护宜用于深度不大于12m，且基坑周边安全等级为Ⅱ、Ⅲ级的基坑支护，不宜用于含水量丰富的淤泥质土、粉细砂层及砂砾卵石层，没有自稳能力的淤泥和饱和软弱土层不能使用。

2、土钉的作用机理和工作特点

土体虽然具有一定的结构整体性，但土体的抗剪强度较低，抗拉强度几乎为零。当开挖基坑时，土体存在使基坑边坡保持直立的临界高度，当超过这一高度或地面超载及其它作用下，将发生突发性整体破坏。传统的支挡结构均基于被动制约机制，即以支挡结构自身的强度和刚度承受其后侧向土压力，防止土体发生整体性破坏。土钉支护就是基于一种主动加固的机制。土钉是与土体共同作用成为土钉墙，形成能够大大提高原状土强度和刚度的复合土体，改变了土体的变形和破坏形态，明显提高了土体的整体稳定性。

土钉墙的工作性能可总结为：墙体变形小，墙体顶部最大水平位移与支护深度之比一般不大于3%；土钉所受拉力分布不均匀，一般呈中间大两边小的规律，在边坡滑动面处受力最大；土钉分布较密集时土钉墙的工作性能与重力式挡土墙类似。

3、土钉支护的设计过程简析

土钉支护施工设计应包括下述内容：土钉参数的设计（土钉的长度、间距及布置、孔径、倾角、钢筋直径等），土钉墙体内、外稳定性分析等。在设计计算时，必须考虑基坑边坡的实际情况：基坑周边建筑物及市政设施类型、地层结构及特征、边坡稳定时段、边坡坡比及高度等因素。

要充分了解现场原状土的物理、力学性能，其中最重要的是选定各地层的粘聚力及内摩擦角（c、Φ）的值，做好上述基本工作，是设计计算的前提。若没有所需参数，可先参考相同地质条件的其它场地资料进行设计（设计时可适当增大安全系数取值），再在施工中根据实际情况及时修改设计。

4、设计与施工相互反馈

在施工中经常遇到设计条件不符或无法按设计施工的情况，必须立即分析解决，必要时可变更设计。总之，设计必须能够指导施工，施工应及时给设计反馈施工信息，土钉支护的设计必须考虑施工实际。

二、土钉支护的施工方法

1、基坑开挖

土钉支护要分层进行，每层开挖的最大高度取决于土体的整体稳定性能及土钉竖向间距的大小，以便于安全、快速的施工。济南地区一般不大于 2.5m。每层开挖的纵向长度，取决于交叉施工期间保持边坡稳定的坡面面积和施工流程的相互衔接。在济南地区一般取 20-30m。所用开挖设备必须最大限度的减少对支护土层的扰动。坡体表面松的部分在支护之前必须予以清除。开挖过程中必须遵循完成上层支护以后方可开挖下层作业面的原则，以控制边坡变形及保持边坡稳定，确保安全施工。在实际施工中因违反该原则造成边坡失稳的事故经常发生，应予以重视。

2、喷射混凝土面层

根据地层的性质，确定喷射混凝土面层的施工时间。一般情况下，为了防止坡面土体松弛和崩解，必须尽快施工喷射混凝土面层。对于土体较松散和含水量较大或坡体有渗水情况的地层，必须在土钉施工之前完成，最好在作业面具备后几个小时内完成。喷射混凝土强度等级应不低于C15。由于喷射混凝土强度受很多因素影响而变化较大，在设计、施工中必须引起重视。水泥含量为最佳值时，能提高喷射混凝土早期和极限强度，当水泥用量超过这一标准时，喷射混凝土瞬凝之后一旦受到扰动，其早期和极限强度均会降低，目前常用的配合比为：水泥：石屑：砂=1：2：1；为了使喷射混凝土速凝快硬，减少回弹损失，防止混凝土因重力作用引起脱落，常在混凝土干拌料中加入一定量的速凝剂。但必须注意速凝剂的掺量在一定范围内（一般为水泥用量的2.5-4%）才有利于提高早期强度，后期强度损失也较小。若速凝剂掺量进一步加大，则喷射混凝土的早期极性及极限强度都会有所降低；喷射混凝土骨料含水量也会影响其强度，最佳含水率为5%。如含水率低于3%，骨料不能充分被水泥包裹，从而喷射时回弹较多，硬化后混凝土密实性较差。当骨料含水率高于7%时，材料有成团结球的趋势，喷射口处的料流不均匀，并容易引起堵管，且引起水泥预水化，造成较低的早期极性和强度；喷射条件直接影响混凝土的强度；喷射手的技术水平是控制喷射混凝土质量的一个重要因素，技术不佳会因裹入回弹或对水控制不当而造成产品的强度及均质性降低。

混凝土面层中应配备一定数量的钢筋网，钢筋网能对面层起加强作用，并对调整面层应力有着重要意义。在编制钢筋网时应注意使钢筋网与土体坡面保持一定距离，不小于2.5cm，并保持钢筋网沿坡面纵向连接，使其整体性良好。

3、土钉支护施工

土钉支护施工包括定位、成孔、置筋、注浆和焊接锚头等工序。当土层整体性较差或含水量较大时，成孔后应迅速放置钢筋，且要在钢筋上须每隔2-3m焊置一个定位架，以保证钢筋位于孔中心，然后尽快注入浆液，以防止塌孔造成置筋困难和注浆效果不好。

为了保证浆体的密实，必须采用自孔底向外压力注浆法注入一定配合比拌和均匀的水泥砂浆或纯水泥浆液。在注浆时，随着浆液注入，应逐渐的将注浆管向外拔出直至孔口，这样可将孔内的水和气排出，以保证注浆质量。一次注入浆体初凝后再进行二次补充注浆，以补充一次注入浆液因凝结失水所减少的部分。二次注浆是在孔内预设二次注浆管，浆液常为纯水泥浆。

待孔内浆体达到一定强度后，可以焊接锚头。土钉锚头形式多样，但必须与土钉焊接牢固，并于钢筋网连接，使其与喷射混凝土面板成为一体。

4、加强排水措施控制基底水位

因基坑底部地下水位较低或进行人工降水将地下水位降了下去，所以进行土钉支护的基坑，基坑边坡含水量较少。水体的入渗或地下水位上升会使土体含水量增大，土体学参数c、Φ值降低，进一步降低土体和土钉之间的界面粘结力了，而且土体含水量的增大使侧向土压力明显增大，致使土钉墙位移增大、安全系数降低，对保持基坑边坡稳定是很不利的。

由于喷射混凝土的水泥含量较大，水灰比小，砂率高，且粗骨料粒径较小等原因，致使具有较高的抗渗性，因此，防止水体渗入主要是在坡顶，而非坡面。应在坡顶设置排水沟，并在坡顶一定范围内用混凝土或砂浆护面，以防止地表水渗入。若仍存在不可阻挡的入渗水源（如地下水管线的渗漏等），则应在喷射混凝土面层中适当位置设置排水管，并在坡底设置排水沟和集水井，以排出坡内水体并及时排走。

5、密切监测，及时做好记录与分析

对于土钉支护工程，监测工作是非常必要的，最为直观和重要的监测是土钉墙顶的水平位移和垂直位移。若出现位移突变和跳跃点应立即停止开挖施工，分析变形原因并进行处理，而后方可继续进行施工。做好施工期间的监测工作，可以达到信息化施工的目的，对于保证工程质量和安全施工均有重要意义。