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[摘要]介绍某工程通过对超深基坑支护方案的选择、支护设计、支护施工等方面采取有力措施,从而确保工程质量和施工安全的成功经验。
[关键词]土钉支护设计施工现场监测
中图分类号:TU7文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)0910107-02
一、工程概况
内蒙古北方重工挤压机基础工程位于包头市青山区北方重工院内。结构类型为筏板基础,外形尺寸为55.65m×52.91m,南北两侧地势宽阔,东西两侧有已建厂房及无地下管线。基坑开挖深度-16.7米,挤压机主基础埋深-17.5,砂砾层较厚约9m,施工难度较大。自然地坪标高-1.2米。地下水为潜水,埋深在24.3-24.72米。
二、工程地质情况
根据包钢勘察测绘研究院《内蒙古北重集团公司360MN项目岩土工程勘察报告》,该场地地层从上至下分别描述如下:
(一)地层情况
1.杂填土:杂色、灰褐色,稍湿,松散,含有碎石、砖头等建筑垃圾,厚度0.2-5.30m。
2.粉土:黄褐色,稍湿,中密,含云母,混少量砾砂,有白色钙质条纹,砂感强,底层标高1067.70-1071.00m,厚度1.10-6.50m。
3.粗砂:杂色,稍湿,稍密-中密,混砾结构,混少量卵石,长石、石英质。底层标高1066.00-1070.40m,厚度0.3-3.0m。
4.粉质粘土:褐黄色,稍湿,中密,层底标高1063.3-1166.5m,厚度0.4-2.70m。属中压缩性土。
5.砾砂:杂色,稍湿,中密-密实,混砾结构,混卵石、碎石及少量漂石。15.0米未揭穿该层。
(二)水文地质条件
据钻探揭露:勘察场地内地下水按其埋藏分布条件的不同,可分为潜水及承压水。地下水为潜水,埋深在24.3-24.72米,由于地下水位埋藏较深,对基坑支护及施工没有影响。
三、基坑支护设计与方案选择
本工程基础筏板板底标高不一致,且较深。使得基坑边坡深度相关较大,为了合理、经济、地支护基坑,根据不同的深度分区分别进行支护。主要考虑保证坑壁土体稳定及周围留有一定的施工空间,采用适度放坡后土钉墙支护的方案。同时应注意加强土方开挖与基坑支护的配合,防止因开挖面过大而未及时支护导致边坡塌方以及预留的作业面;应考虑边坡荷载对边坡稳定性的影响。
(一)方案选择
土钉墙支护土钉是依靠土钉体与土体之间的摩擦力将边坡土体内不稳定区土体的侧压力,通过土钉的水平拉力作用传递到稳固区。在土钉支护体系中,土钉与土体共同作用,充分利用土体的自承能力和土钉与土体之间的摩擦力,约束土体的侧向变形,形成一种自稳性结构,既增强了土的主动受力能力,又增强了土体破坏的延性。由于土体延性的增加,即使土体支护体系发生破坏,也是渐进性的。该工艺最大特点就是土体位移变形相对较大,但经济造价较低。因此在边坡位移无特殊要求的地方广泛采用。
(二)设计方案
根据现场条件,结合我方工作经验,考虑到经济造价,对于基坑普通段采用土钉墙支护进行支护。按照(1:0.6)放坡,经计算技术参数如下:
土钉墙技术参数(按照1:0.6放坡)
土钉墙表面用Φ6.5钢筋编成200mm×200mm钢筋网,每层土钉采用一道Φ14钢筋作为横压筋,每隔3米采用一道竖压筋,压筋和土钉钢筋采用七字Φ18L=500拐焊接,土钉墙表面喷射C20混凝土,面层厚度100mm。
(三)设计原理
本工程采用土钉墙进行支护,其设计计算原理严格执行《基坑土钉支护技术规程》(CECS96:97)。
土的平均容重为γ=18.8kN/m3,地面超载为常规取q=20kN/m2。
1.边坡最危险滑弧面计算
应用条分法,对每个土体进行极限平衡分析,得出边坡整体稳定性安全系数最小的滑动弧面。忽略条间作用力,利用瑞典条分法计算公式:
式中:ci-第i条士滑动面上的粘聚力(kPa);li-第i条土条弧长(m);Wti-第i条土条自重(kN/m);αi-第i条土条弧线中点切线与水平线夹角;φi-第i条土条滑动面上的内摩擦角;ui-第i条土条承受的水压力;K-安全系数。
由于安全系数K出现在等号两侧,计算繁杂,一般利用程序搜索计算出最小安全系数。经上机计算,该场地天然土坡最小安全系数K<1,天然边坡土体处于不稳定状态,需进行边坡支护。
2.土钉所受的土压力
式中:Ti-第i个土钉所受的土压力(kN);q-坡上超载(kN/m2);γ-土的容重(kN/m3);Hi-第i个土钉的高度(m);kai-第i层主动土压力系数,kai=tg2(45°-φ1/2);Sx、Sy-士钉水平、垂直间距(m);c-土的粘聚力(kPa)。
3.土体抗拔力(滑裂面外)
式中:Tμ1-第i条土钉滑裂面外的抗拔力(kN);D-钻孔直径(m);Lbi第i层土钉伸入破裂面外稳定区的长度(m);τfi-锚体砂浆与土体间各层士粘结强度(kN/m2)。设计时也用下式代替:
计算时每根土钉的抗拔安全系数Ks应大于1.30。
4.抗滑安全验算
抗滑安全系数
式中:KH-抗滑动稳定安全系数;Eax-墙后主动土压力(kN);Fi-假设墙底断面上产生的抗滑合力(kN)。
5.钢筋选配
以上计算,在选配钢筋时,结合《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-99中6.1.3关于土钉抗拉载荷折减系数乘以理论计算值即为每排土钉实际受力值,以此为计算设计值进行选用:
(四)土钉墙施工工艺
1.土钉墙施工工艺流程
土方施工→钉墙施工→土方开挖(土钉墙的施工随土方开挖进行)
(1)土钉墙的施工流程应符合下列规定:开挖工作面,修整边坡→安设土钉(包括成孔、插钢筋、注浆)→绑扎钢筋网,加强筋、土钉同加强筋焊接、加垫块→喷射砼,厚度为100mm。
(2)基坑边坡应分段分层开挖,每次超挖深度不得超过0.50m,边开挖,边人工修整边坡,人工修整坡时,坡面不平整度不大于20mm。
(3)喷射砼应分段分片依次进行,同一分段内喷射顺序应自下而上,喷射厚度为80～100mm,喷射时,喷头与受喷面应垂直,宜保持0.6～1.0m的距离,喷射手应控制好水灰比,保持砼表面平整、湿润光泽,无干斑或流淌现象。
(4)喷射砼终凝2h后,应进行养护,根据现场实际情况可适当调整。面板砼强度等级不低于C20,砼最大骨料不大于1.5cm,喷层厚度不小于8cm。同时,土钉墙面板应在基槽上口处向外翻边0.80m。
(5)钢筋上每2.5m设置一个定位器,以确保钢筋在孔内居中,土钉端头预留出坡面15cm;常压灌浆,浆体强度不低于10MPa,灌浆材料为水泥浆;喷射砼中的钢筋网应调直除锈,钢筋与坡面间隙宜大于20mm,钢筋网应与土钉和加强筋连接牢固,喷射砼时钢筋不晃动。
(6)土钉钢筋使用前应调直,除锈,注浆材料宜用0.45:1～0.50:1的水泥净浆。
(7)注浆前应将孔内残留及松动废土渣清除干净,注管应插至距孔底250～500mm。
(8)对于可能遇管线区域,首先采用人工洛阳铲进行探勘,确定管线具体位置后,通知设计,调整设计方案,采取保护措施。
2. 原材料要求与配比
(1)水泥为普通PO32.5(或PC32.5复合)水泥,应有出厂合格证,并有复检报告。细骨料为中砂或中粗砂,粗骨料为豆石或碎石,粒径小于15mm,不能使用含有活性二氧化硅的石料;
(2)根据现场实际情况,对于需要速凝剂的区域,其掺量由试验确定,一般地初凝时间不大于15min,终凝时间不大于20min;
(3)不得使用污水及PH值小于4的酸性水和含硫酸盐量按SO4计算超过水量1%的水;
(4)钢筋应有出厂合格证、原材料试验报告;
(5)材料进场后及时送检,并及时报验;
(6)常规C20喷射混凝土配比为:水泥:砂:石=1:2:2。
四、位移监测
由于基坑较深,必须对边坡进行观测,并根据现场实际情况而定。拟在基槽边缘,按照30m间距布设位移观测点,以便对基坑变形进行观测。在施工期间进行观测,直至基槽完工。以后可7～10天观测一次,至变形稳定为止。其间可根据施工进度和变形发展随时加密观测次数,如发现变形异常,应及时停止基坑内作业,分析原因,采取还土、坡顶卸载等加固措施,确保边坡安全。
1.观测依据:《建筑基坑支护技术规程》中有关规定。
2.人员及仪器设备:由专职测量人员进行位移观测,采用仪器J6型经纬仪。
3.点位埋设:观测点布置在土钉墙翻边边缘,统一编号,观测点的间距30m,观测基准点选在距基坑较远且相对稳定的地方。观测基准点用水泥桩固定,测量点用彩墨线标定,以保证仪器对中精度,附近做醒目标志,便于观测及保护。
4.观测方法:可采用直线法进行观测。在基坑开挖之前进行一次观测,作为基准数据,以后观测结果和首次观测结果比较,求出边坡位移。
5.观测时间:在基坑开挖过程中,每天进行一次观测,雨后第二天加强一次观测,基坑开挖结束达到稳定后,每周观测1次,且随外界条件变化随时做适当调整。
6.资料料整理:每次观测结果详细记录、及时整理分析,绘制有关代表边坡位移、建筑物沉降的时间-位移曲线。同时利用曲线成果预测下一步施工阶段支护系统变形发展趋势,如发现异常现象,应立即通报决策部门,采取对策与措施。
在基坑东西两侧的土钉墙由于地面高,支护深,土钉墙的水平位移和垂直位移的监测应予取予以特别重视,在施工期间要求每天观察一次,施工结束后要求一周观察一次,若发现有水平位移和垂直位移应立即采取相应的措施。施工表明,基坑南面的测点水平位移测点在基坑南面支护中段,主动土压力影响较大,最终积累水平位移明显偏大,最大值分别为60mm和71mm;其余各点的水平位移在施工期间增长较快,施工结束后趋于稳定。
五、结语
综上所述,在工业建筑超深基坑工程中,土钉墙以其经济实用安全可靠的特点优势正逐渐得到越来越广泛的运用。实践证明,该方案在本工程的实施过程中,成功地解决了深基坑支护问题,确保了施工质量和安全,取得了良好的效果。
参考文献:
[1]建筑基坑支护技术规程,JGJ120-99.
[2]建筑边坡工程技术规范,GB50330-2002.
[3]杨志银、张俊、王凯旭,土钉墙技术的研究及应用,岩土工程学报,2005.2.
[4]基坑土钉支护技术规程,CECS96197,北京:中国建筑工业出版社.
作者简介:
刘富强(1978-),男,河北唐山人,工程师,就职于河北中冶润丰建设股份有限公司,研究方向:施工技术与管理。
[关键词]土钉支护设计施工现场监测
中图分类号:TU7文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)0910107-02
一、工程概况
内蒙古北方重工挤压机基础工程位于包头市青山区北方重工院内。结构类型为筏板基础,外形尺寸为55.65m×52.91m,南北两侧地势宽阔,东西两侧有已建厂房及无地下管线。基坑开挖深度-16.7米,挤压机主基础埋深-17.5,砂砾层较厚约9m,施工难度较大。自然地坪标高-1.2米。地下水为潜水,埋深在24.3-24.72米。
二、工程地质情况
根据包钢勘察测绘研究院《内蒙古北重集团公司360MN项目岩土工程勘察报告》,该场地地层从上至下分别描述如下:
(一)地层情况
1.杂填土:杂色、灰褐色,稍湿,松散,含有碎石、砖头等建筑垃圾,厚度0.2-5.30m。
2.粉土:黄褐色,稍湿,中密,含云母,混少量砾砂,有白色钙质条纹,砂感强,底层标高1067.70-1071.00m,厚度1.10-6.50m。
3.粗砂:杂色,稍湿,稍密-中密,混砾结构,混少量卵石,长石、石英质。底层标高1066.00-1070.40m,厚度0.3-3.0m。
4.粉质粘土:褐黄色,稍湿,中密,层底标高1063.3-1166.5m,厚度0.4-2.70m。属中压缩性土。
5.砾砂:杂色,稍湿,中密-密实,混砾结构,混卵石、碎石及少量漂石。15.0米未揭穿该层。
(二)水文地质条件
据钻探揭露:勘察场地内地下水按其埋藏分布条件的不同,可分为潜水及承压水。地下水为潜水,埋深在24.3-24.72米,由于地下水位埋藏较深,对基坑支护及施工没有影响。
三、基坑支护设计与方案选择
本工程基础筏板板底标高不一致,且较深。使得基坑边坡深度相关较大,为了合理、经济、地支护基坑,根据不同的深度分区分别进行支护。主要考虑保证坑壁土体稳定及周围留有一定的施工空间,采用适度放坡后土钉墙支护的方案。同时应注意加强土方开挖与基坑支护的配合,防止因开挖面过大而未及时支护导致边坡塌方以及预留的作业面;应考虑边坡荷载对边坡稳定性的影响。
(一)方案选择
土钉墙支护土钉是依靠土钉体与土体之间的摩擦力将边坡土体内不稳定区土体的侧压力,通过土钉的水平拉力作用传递到稳固区。在土钉支护体系中,土钉与土体共同作用,充分利用土体的自承能力和土钉与土体之间的摩擦力,约束土体的侧向变形,形成一种自稳性结构,既增强了土的主动受力能力,又增强了土体破坏的延性。由于土体延性的增加,即使土体支护体系发生破坏,也是渐进性的。该工艺最大特点就是土体位移变形相对较大,但经济造价较低。因此在边坡位移无特殊要求的地方广泛采用。
(二)设计方案
根据现场条件,结合我方工作经验,考虑到经济造价,对于基坑普通段采用土钉墙支护进行支护。按照(1:0.6)放坡,经计算技术参数如下:
土钉墙技术参数(按照1:0.6放坡)
土钉墙表面用Φ6.5钢筋编成200mm×200mm钢筋网,每层土钉采用一道Φ14钢筋作为横压筋,每隔3米采用一道竖压筋,压筋和土钉钢筋采用七字Φ18L=500拐焊接,土钉墙表面喷射C20混凝土,面层厚度100mm。
(三)设计原理
本工程采用土钉墙进行支护,其设计计算原理严格执行《基坑土钉支护技术规程》(CECS96:97)。
土的平均容重为γ=18.8kN/m3,地面超载为常规取q=20kN/m2。
1.边坡最危险滑弧面计算
应用条分法,对每个土体进行极限平衡分析,得出边坡整体稳定性安全系数最小的滑动弧面。忽略条间作用力,利用瑞典条分法计算公式:
式中:ci-第i条士滑动面上的粘聚力(kPa);li-第i条土条弧长(m);Wti-第i条土条自重(kN/m);αi-第i条土条弧线中点切线与水平线夹角;φi-第i条土条滑动面上的内摩擦角;ui-第i条土条承受的水压力;K-安全系数。
由于安全系数K出现在等号两侧,计算繁杂,一般利用程序搜索计算出最小安全系数。经上机计算,该场地天然土坡最小安全系数K<1,天然边坡土体处于不稳定状态,需进行边坡支护。
2.土钉所受的土压力
式中:Ti-第i个土钉所受的土压力(kN);q-坡上超载(kN/m2);γ-土的容重(kN/m3);Hi-第i个土钉的高度(m);kai-第i层主动土压力系数,kai=tg2(45°-φ1/2);Sx、Sy-士钉水平、垂直间距(m);c-土的粘聚力(kPa)。
3.土体抗拔力(滑裂面外)
式中:Tμ1-第i条土钉滑裂面外的抗拔力(kN);D-钻孔直径(m);Lbi第i层土钉伸入破裂面外稳定区的长度(m);τfi-锚体砂浆与土体间各层士粘结强度(kN/m2)。设计时也用下式代替:
计算时每根土钉的抗拔安全系数Ks应大于1.30。
4.抗滑安全验算
抗滑安全系数
式中:KH-抗滑动稳定安全系数;Eax-墙后主动土压力(kN);Fi-假设墙底断面上产生的抗滑合力(kN)。
5.钢筋选配
以上计算,在选配钢筋时,结合《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-99中6.1.3关于土钉抗拉载荷折减系数乘以理论计算值即为每排土钉实际受力值,以此为计算设计值进行选用:
(四)土钉墙施工工艺
1.土钉墙施工工艺流程
土方施工→钉墙施工→土方开挖(土钉墙的施工随土方开挖进行)
(1)土钉墙的施工流程应符合下列规定:开挖工作面,修整边坡→安设土钉(包括成孔、插钢筋、注浆)→绑扎钢筋网,加强筋、土钉同加强筋焊接、加垫块→喷射砼,厚度为100mm。
(2)基坑边坡应分段分层开挖,每次超挖深度不得超过0.50m,边开挖,边人工修整边坡,人工修整坡时,坡面不平整度不大于20mm。
(3)喷射砼应分段分片依次进行,同一分段内喷射顺序应自下而上,喷射厚度为80～100mm,喷射时,喷头与受喷面应垂直,宜保持0.6～1.0m的距离,喷射手应控制好水灰比,保持砼表面平整、湿润光泽,无干斑或流淌现象。
(4)喷射砼终凝2h后,应进行养护,根据现场实际情况可适当调整。面板砼强度等级不低于C20,砼最大骨料不大于1.5cm,喷层厚度不小于8cm。同时,土钉墙面板应在基槽上口处向外翻边0.80m。
(5)钢筋上每2.5m设置一个定位器,以确保钢筋在孔内居中,土钉端头预留出坡面15cm;常压灌浆,浆体强度不低于10MPa,灌浆材料为水泥浆;喷射砼中的钢筋网应调直除锈,钢筋与坡面间隙宜大于20mm,钢筋网应与土钉和加强筋连接牢固,喷射砼时钢筋不晃动。
(6)土钉钢筋使用前应调直,除锈,注浆材料宜用0.45:1～0.50:1的水泥净浆。
(7)注浆前应将孔内残留及松动废土渣清除干净,注管应插至距孔底250～500mm。
(8)对于可能遇管线区域,首先采用人工洛阳铲进行探勘,确定管线具体位置后,通知设计,调整设计方案,采取保护措施。
2. 原材料要求与配比
(1)水泥为普通PO32.5(或PC32.5复合)水泥,应有出厂合格证,并有复检报告。细骨料为中砂或中粗砂,粗骨料为豆石或碎石,粒径小于15mm,不能使用含有活性二氧化硅的石料;
(2)根据现场实际情况,对于需要速凝剂的区域,其掺量由试验确定,一般地初凝时间不大于15min,终凝时间不大于20min;
(3)不得使用污水及PH值小于4的酸性水和含硫酸盐量按SO4计算超过水量1%的水;
(4)钢筋应有出厂合格证、原材料试验报告;
(5)材料进场后及时送检,并及时报验;
(6)常规C20喷射混凝土配比为:水泥:砂:石=1:2:2。
四、位移监测
由于基坑较深,必须对边坡进行观测,并根据现场实际情况而定。拟在基槽边缘,按照30m间距布设位移观测点,以便对基坑变形进行观测。在施工期间进行观测,直至基槽完工。以后可7～10天观测一次,至变形稳定为止。其间可根据施工进度和变形发展随时加密观测次数,如发现变形异常,应及时停止基坑内作业,分析原因,采取还土、坡顶卸载等加固措施,确保边坡安全。
1.观测依据:《建筑基坑支护技术规程》中有关规定。
2.人员及仪器设备:由专职测量人员进行位移观测,采用仪器J6型经纬仪。
3.点位埋设:观测点布置在土钉墙翻边边缘,统一编号,观测点的间距30m,观测基准点选在距基坑较远且相对稳定的地方。观测基准点用水泥桩固定,测量点用彩墨线标定,以保证仪器对中精度,附近做醒目标志,便于观测及保护。
4.观测方法:可采用直线法进行观测。在基坑开挖之前进行一次观测,作为基准数据,以后观测结果和首次观测结果比较,求出边坡位移。
5.观测时间:在基坑开挖过程中,每天进行一次观测,雨后第二天加强一次观测,基坑开挖结束达到稳定后,每周观测1次,且随外界条件变化随时做适当调整。
6.资料料整理:每次观测结果详细记录、及时整理分析,绘制有关代表边坡位移、建筑物沉降的时间-位移曲线。同时利用曲线成果预测下一步施工阶段支护系统变形发展趋势,如发现异常现象,应立即通报决策部门,采取对策与措施。
在基坑东西两侧的土钉墙由于地面高,支护深,土钉墙的水平位移和垂直位移的监测应予取予以特别重视,在施工期间要求每天观察一次,施工结束后要求一周观察一次,若发现有水平位移和垂直位移应立即采取相应的措施。施工表明,基坑南面的测点水平位移测点在基坑南面支护中段,主动土压力影响较大,最终积累水平位移明显偏大,最大值分别为60mm和71mm;其余各点的水平位移在施工期间增长较快,施工结束后趋于稳定。
五、结语
综上所述,在工业建筑超深基坑工程中,土钉墙以其经济实用安全可靠的特点优势正逐渐得到越来越广泛的运用。实践证明,该方案在本工程的实施过程中,成功地解决了深基坑支护问题,确保了施工质量和安全,取得了良好的效果。
参考文献:
[1]建筑基坑支护技术规程,JGJ120-99.
[2]建筑边坡工程技术规范,GB50330-2002.
[3]杨志银、张俊、王凯旭,土钉墙技术的研究及应用,岩土工程学报,2005.2.
[4]基坑土钉支护技术规程,CECS96197,北京:中国建筑工业出版社.
作者简介:
刘富强(1978-),男,河北唐山人,工程师,就职于河北中冶润丰建设股份有限公司,研究方向:施工技术与管理。