基坑支护土钉墙与微型桩复合支护的构成及其技术关键

谭宗辉

(湖南建材地质工程勘察院有限公司,株洲 412000)

在众多的基坑支护结构形式中,土钉墙与微型桩相结合的复合支护结构具备独特的技术特征和技术特点。论文梳理总结基坑支护工程中土钉墙与微型桩复合支护结构的组成,并围绕有关原理开展基于土钉墙和微型桩复合支护结构的受力模型分析。这对于指导土钉墙与微型桩复合支护结构的实践应用而言具有一定的积极意义。

1 基坑支护工程土钉墙与微型桩复合支护结构的组成

基坑支护工程中土钉墙与微型桩复合支护结构主要包含土钉、面层、微型桩三个部分[1]。通过图1可以看出,土钉墙与微型桩的复合支护结构充分利用了基坑四周土体的自承能力,首先借助微型桩增强基坑临空边界地带的稳定性,利用土钉增强微型桩对于土体的抵抗能力,通过喷射混凝土面层、混凝土护顶增强整个复合支护结构的稳定性。

1.1 土钉的技术特征

在土钉与微型桩复合支护结构中,土钉的材质、设置长度、布置间距、土钉在土体内的摩擦倾角等均是关乎其支护效能的重要技术特征[2]。常见土体的土钉技术特征值如表1所示。

表1 常见土体的土钉技术特征值

1.2 混凝土面层的技术特征

在我国大多数工程项目中,常用的面层施工厚度为100 mm、混凝土标号常为C20商品混凝土或C25商品混凝土。面层钢筋网片多为HRB400型钢筋。若使用的钢筋直径为6.5 mm,那么钢筋的横向和纵向布置间距多为150 mm;若使用的钢筋直径为8 mm,那么钢筋的横向和纵向布置间距多为200 mm[3]。

1.3 微型桩的技术特征

所谓微型桩主要指的是直径较小的钻掘桩,这种小口径钻掘桩的直径长度一般在100～300 mm之间。桩体的构成材料主要为“钢筋加水泥砂浆”或“钢筋加细石混凝土”。此外,也会有工程项目根据具体的支护需求使用密排木桩或竹桩作为微型桩。

2 土钉墙与微型桩复合支护的稳定性原理及其技术关键

土钉墙与微型桩复合支护结构的稳定性原理及其技术关键主要包含以下两个部分:1)土钉对于土体的补强作用原理及其技术关键,2)微型桩的支护原理及其技术关键。

2.1 土钉对于土体的补强作用原理以及技术关键

根据土体的准粘聚力有关理论,当土钉被植入需要被加固的土体之后,土体相对于土钉会产生一定的横向位移,土钉对于其周边邻近的土体也会产生一定的变形抑制作用。因此在土钉与需要被加固的土体之间就会产生一定的摩擦阻力,从而引起被加固土体受到的主应力方向发生旋转变化,亦使得土钉与其周边邻近土体之间达到一种新的力学平衡状态。在这种新的力学平衡状态下,植入土钉后的被加固土体的最大主应力值、最小主应力值等均得到了明显的提升,由此体现了土钉对于土体的补强作用[4]。由于土钉对于被加固土体的补强作用是借助摩擦阻力而实现的,因此确定土钉在土体内的最佳摩擦倾角,便成为了施工阶段土钉布设施工方案的技术关键。

2.2 微型桩的支护原理及其技术关键

关于微型桩的支护原理及其技术关键,需要从改善原土体的初始应力场、减少挖掘阶段土体次生应力变化、降低基坑边坡位移量保障基坑稳定性三个角度进行说明。

1)改善原土体的初始应力场 利用“钢筋加水泥砂浆”微型桩或“钢筋加细石混凝土”微型桩与基坑原始土体间的性能差异,在基坑开挖之前便沿着基坑四周的外边线将微型桩植入土体之内,从而实现对于桩体周围一定区域内土体的变形抑制约束,由此实现对于基坑四周部分土体初始应力场的改善提升,尤其是对于改善微型桩支护前的基坑裸坡自承能力,效果明显[5]。虽然基坑土体挖掘前植入微型桩能明显改善土体初始应力场,但是每两根微型桩之间的布置间距应该如何设置是微型桩施工方案的技术关键之一。

2)减少挖掘阶段土体次生应力变化 基坑土体在挖掘期间,随着基坑挖掘深度的逐渐增加,土体的次生应力也会产生一定的变化[6]。因为微型桩能够利用自身的强度和基坑施工区域原始土体之间的强度差异增强原始土体的整体刚度,达到减少基坑瞬时挖掘阶段次生应力变化差异值的功效,因此具备一定的支护加固效果。故而确定钢筋的最佳规格、型号、数量以及确定水泥砂浆或细石混凝土的强度标号也是微型桩施工方案的技术关键之一。

3)降低基坑边坡位移量保障基坑稳定性 通过改善基坑施工区域范围内原土体的初始应力场,减少基坑施工区域范围内土体的次生应力差异变化,其最直接的成效表现就是降低基坑边坡的横向位移量和竖向位移量。一旦基坑边坡的横向位移或竖向位移超出了安全控制范围,就可能导致基坑施工质量安全事故的发生。因此,在采取土钉墙与微型桩复合支护结构进行基坑施工支护期间,监测基坑边坡的位移量便成为保障施工质量和安全的技术关键之一。

3 基坑支护工程土钉墙与微型桩复合支护稳定性验证原理

在确定了上述施工技术关键内容之后,应从复合支护结构内部稳定性、复合支护结构外部稳定性这两个层面计算验证土钉墙与微型桩复合支护结构的稳定性。

3.1 复合支护结构内部稳定性的验证

使用土钉墙与微型桩复合支护结构开展基坑支护的过程中,需要确定整个支护结构体系的抗拉断裂极限状态,以此作为测量监控支护结构内部稳定性和安全性的依据。在基坑进行挖掘施工的过程中,复合支护结构体系在面层土体的作用力影响下,将形成一定的抗拉应力,在此种情况下,需要确保复合支护结构中土钉加筋杆的直径db满足如式(1)、式(2)所示的抗拉强度要求。

(1)

Ei=Pi×Sx×Sy

(2)

式中,Ei为整个复合支护结构体系中第i根土钉所属支承范围内的面层土体压力,MPa;db为整个复合支护结构体系中土钉加筋杆的直径,mm;fk为整个复合支护结构体系中加筋杆抗拉强度标准值;Pi为整个复合支护结构体系中第i根土钉所属支承范围内的面层土压力分布强度,MPa;Sx为整个复合支护结构体系中第i根土钉所属支承范围内的面层土体在x方向上的长度,m;Sy为整个复合支护结构体系中第i根土钉所属支承范围内的面层土体在y方向上的长度,m。此外,在整个复合支护结构体系中,第i根土钉所属支承范围内的面层土压力分布强度Pi的计算式见式(3)和图2。

Pi=me×K×γ×hi

(3)

在式(3)和图2中,hi为土体的压力作用点到基坑坡顶的距离;当hi≤H/2时、hi按照其实际距离进行取值,当hi≥H/2时、hi按照0.5H进行取值;H为基坑土坡的垂直高度,m;γ为基坑施工范围内土体的重度;me为整个复合支护结构体系中土钉的工作条件系数,当土钉工作期限为2年时,其工作条件系数me的取值一般为1.10,当土钉工作期限为2年以上时,其工作条件系数me的取值一般为1.20;K为复合支护结构支承范围内土体的压力系数。

3.2 复合支护结构外部稳定性的验证

在对土钉墙与微型桩组成的复合支护结构开展外部稳定性计算验证的时候,可将整个复合结构支承体系看作是重力式挡土墙进行考虑,在此情况下,根据式(4)进行验证计算。

(4)

式中,KK为复合支护结构体系的滑动安全系数;G为单位长度复合支护结构体系的重力,kN/m;Ex为复合支护结构体系中,作用于单位长度复合结构支护体系的主动土压力在水平方向的分力,kN/m;Ey为复合支护结构体系中,作用于单位长度复合结构支护体系的主动土压力在垂直方向的分力,kN/m;μ为土体对于单位长度复合结构支护体系底部的摩擦系数,该系数可按照表2进行选取。

表2 摩擦系数取值表

4 基坑支护工程土钉墙与微型桩复合支护案例分析

在充分掌握了基坑支护工程中土钉墙与微型桩复合支护结构的组成、土钉墙与微型桩复合支护的稳定性原理及其技术关键、土钉墙与微型桩复合支护稳定性验证原理之后,依据某工程项目开展案例分析,从而为该种复合支护结构的实践应用提供参考。

4.1 案例工程项目概况

位于我国中南地区的某建设工程项目,基坑深度10 m,基坑施工区域范围的长度为60 m、宽度为42 m,属于大型深基坑施工。该项目的施工技术人员拟采用土钉墙与微型桩相结合的复合支护结构对基坑的挖掘施工进行加固保护。此外,经试验测定,案例工程项目基坑施工区域范围内的土体为坚硬性粉质土体,其土体对于土钉墙与微型桩复合结构支护体系底部的摩擦系数μ=0.45。

4.2 案例工程复合结构技术方案

为了使得案例项目在基坑挖掘期间,能够获得可靠的质量和安全保障,施工技术人员根据过往的基坑支护经验,将土钉墙与微型桩复合支护结构的技术方案设置如下:1)由于基坑施工区域土体为坚硬粉质土体,故而将土钉的长度设定为18 m、土钉的布置间距设定为1 m,土钉在土体内的摩擦倾角设定为20°,土钉的制作材料为2根直径为16 mm的HRB400型钢筋加标号为M7.5的水泥砂浆;2)微型桩的孔径设定为200 mm,每2根微型桩孔径圆心之间的间距设定为200 mm,微型桩的制作材料为4根直径为22 mm的HRB400型钢筋加标号为C25的细石混凝土;3)支护结构的面层混凝土采用钢筋混凝土的形式,面层横向、纵向钢筋均为直径12 mm的HRB400型钢筋,横向、纵向钢筋的布设间距为150 mm,面层混凝土采用C20细石混凝土,面层混凝土厚度控制在20 mm。

4.3 案例工程的模型分析验算结果

利用有限元建模软件,根据案例工程项目的特征,以及4.2节所示内容建立模型,同时在软件中录入式(1)～式(4),开展有关案例项目复合支护结构稳定性的验证测算。得到的测算结果表明,依照4.2节的施工技术方案开展案例项目的基坑支护,能够满足土钉加筋杆抗拉强度≥1.5,滑动稳定性系数≥1.3的安装保障条件。随后,案例项目的施工人员根据4.2节所示的技术方案对案例项目进行土钉墙与微型桩相结合的复合结构支护,取得了良好的支护效果,保障了基坑施工期间的安全。

5 结 语

土钉墙与微型桩相结合的复合支护结构具备许多独特的技术特征,在实践运用该种支护结构之前,需要充分掌握该种复合支护结构的组成形式,明确有关施工技术方案的关键内容。同时,对该种复合支护结构体系的内部稳定性验算和外部稳定性验算要了然于胸,才能有效保障该种复合支护结构形式的安全运用。论文借助某案例工程项目开展模型验算分析和实践应用结果阐释,为基坑施工阶段土钉墙和微型桩这类复合支护结构的技术运用提供参考。