1、基础工程Foundation Engineering深基坑复合土钉墙支护技术研究与应用Research and application of deep foundation pit of composite soil nailing wallsupport technology刘兴旺，王洋，刘长志，赵俊雅，高亚强LIU xmg-wang，WANG Yang，LIU Changzhi，ZHAO Junya，GAO Ya-qiang(北京市机械施工有限公司，北京100045)【摘要】对复台土钉墙支护技术受力机理、适用范围、设计要点、土层自稳定能力分析、复合方式的合理选用、在不同土层和基坑深度下的合
2、理应用进行了深入的研究。着重介绍了复合土钉墙设计与应用的经验。在不同地层和基坑深度中控制复合土钉墙的变形和稳定，在保证基坑设计安全的前提下将复合土钉墙支护结构的设计深度加深，发挥复台土钉墙施工速度快成本低的优势【关糊】土钉抗拔力，抗滑移。抗倾覆；土层自稳定能力分析，预应力锚杆l复合土钉墙支护受力机理及复合方式1)复台土钉墙为密集土钉群、被加固原位土体、喷射混凝土面层共同受力，土钉依靠与土体间的粘结力，在土体发生变形时土钉被动受拉。土钉与混凝土面层共同承担土体自重、地面荷载及地下水等产生的侧向土压力。开挖使土钉墙发生位移，土压力通过混凝土面板传递给土钉，土钉与周围土体接触界面粘接力或摩擦力使土钉
3、被动受拉，受拉工作钉给土体以约束达到加固体与土体共同受力的效果。土钉墙基本受力模式仍类似于重力式挡墙，靠土体的变形而被动发挥挡土作用。2)土钉墙支护结构设计按原理分为极限平衡法和有限元法。土钉墙设计采用以经典极限平衡法为基础的条分法，分析搜索潜在滑移面位置及形状，将坡体条分利用剩余推力法计算每一块剩余下滑力及坡体的整体稳定性。复合土钉墙设计与土钉墙原理相同，还要综合考虑各种复合方式的受力机理和补强作用，各种复合方式没有独立的设计计算模型只能作为一种安全储备，按受力分有超前支护和主动约束两种。3)复合土钉墙是针对单纯土钉墙受力和支护深度应用上的缺点，对土钉墙的补强和修正。复合土钉墙支护可与截水帷
4、幕、预应力锚杆、超前微型桩、加筋土、竖向钢管注浆加固土体、桩锚联合支护等进行复合。组合成为截水型土钉墙、加强型土钉墙或加强截水型土钉墙。复合土钉墙增加了预应力锚杆、微型桩、帷幕、钢管注浆等结构构件，其受力模式属于重力式挡墙与预支、锚拉等受力形式的联合作用，而且具有主动加固和超前加固效果。每种复合方式都有其各自的优缺点和适用范围，根据土层特性基坑深度、周边条件的限制合理选用复合方式，以弥补土钉墙支护结构的不足和充分发挥原位土体的自稳定能力。2工程概述京东商城集团总部工程位于北京市亦庄开发区，基坑为长方型，南北长270m，东西宽度lOOm。基坑深度143m、周边无重要建筑物、基坑深度范围内以粘性土
5、层为主、基坑采用了降水方案控制地下水。复合土钉墙选用与预应力锚杆、竖向钢管注浆加固土体、加筋土与桩锚联台支护四种复合方式进行支护。基坑深度范围内土层参数及地下水埋藏情况如表1所示。建筑机械化2014($1)55Foundation Nineeri旧基础工程表1基坑深度范围内土层参数及地下水埋藏情况内摩擦角 粘聚力 地下水 含水层 稳定水位地层名称 地层厚度(m)Q(。) c(kPa) 类型 厚度(m) 埋深m)粉粘素填土 0721 15 IO 层间潜水层 35 10012，6粘质粉土 156 33 13 微承压水层 50 225264粉质粘上 2470 25 12 徽承压水层 100 4224
6、70采用周边降水方案后将基坑地下水位降低至埋深16米粉质粘土 1888 25 20 以下，对基坑支护结构不会产生水压力，支护结构计算选用水士合算的模型3复合土钉墙设计选型及设计模型1)复合土钉墙设计选型复合土钉墙为验证型设计，初步选定放坡角度、土钉长度、土钉水平和竖向间距、孔径，土钉钢筋直径、混凝土面板厚度、土钉与面板连接构造。设计输入复合土钉墙参数及基坑深度范围内土层参数后，进行上钉抗拨力、土钉钢筋抗拉强度验算、土钉抗滑移稳定性、土钉抗倾覆稳定性。根据基坑深度范围内的土层特性、基坑深度和周边条件合理选用复合方式。与锚杆的复合是控制土钉墙顶部水平位移最有效的方法。回填土层较厚区域利用钢管注浆加
7、固土体、加筋土来改善支护结构背后土体参数、增加土钉的整体抗剪能力从而控制复合土钉墙的整体沉降。回填土及渣土较厚部位土钉及锚杆无法成孑L采用加大放坡角度(1：08)来减小土压力对侧壁的压力，配合钢管注浆和加筋土超前支护。一般的浅基坑背后采用微型桩超前支护提高整体稳定性和控制变形能力。2)复合土钉墙设计模型基坑支护剖面及土压力计算模型如图1所示。4复合土钉墙设计成果1)土钉墙内部稳定性验算(表2)56 2014(S1)建筑机械化图1基坑支护剖面及土压力计算模型图表2土钉墙内部稳定性验算土钉I K Y 以 L e k t 民 咒t 靠(kN) 墨第1层 033 18 60 l 88 lO 5，921
8、 2104 8182 3R9 76 361第2层 029 19 60 24 8，8 lO 6289 28OO 10862 387 76 271第3层 033 20 60 38 24 lO lO 4368 24926 57 76 174第4层 04l 20 70 5，2 118 lO 9937 6779 2408l 355 76 112第5层 041 20 80 66 118 lO 10296 8卜33 28883 355 94 1，16第6层 0，4l 20 80 8 11-8 10 897 9485 24786 26l 114 120第7层 04l 20 80 94 88 lO 767 10
9、836 21516 198 114 105第8层 033 20 80 108 88 10 800 98，10 22442 228 114 116第9层 033 20 80 122 88 10 8391 10900 23539 2】6 114 104第lO层 033 20 85 l 36 88 10 645 10534 18569 176 114 108注：c、机7、f为土体粘聚力、内摩擦角、重度、抗剪强度；Hx、L、0分别为土钉埋深、长度、倾斜角度；Ka、Ti、TW、船7、Lbi为主动土压力系数、土钉设计拉力、土钉抗拔力、土钉钢筋抗拉力土钉抗拉安全系数、第i层土钉伸八滑裂面外长度。网M川俐川幽
10、叫獬缪山，lllJIl叫llfIllL2)土钉支护外部稳定性验算土钉支护的外部稳定性稳定性分析验算与重力式挡土墙的稳定分析相同。土钉抗滑移稳定性：KH=FtEax=(w+qB)Svt90f rl+T2+，1 0)=l 89 5 kN75749kN=25l土钉抗倾覆稳定性：KQ=MwMO=(w+筘)口2Sv(rl+，2+T6)83=l 0 800kNm2019kNm=534其中，K-、Eax、Ft为抗滑动稳定安全系数、土钉墙后主动土压力、假设墙底断面上产生的抗滑合力缘W为地面均布荷载、墙土的重量；Mw、MO为抗倾覆力矩、倾覆力矩。5基坑监测及使用情况1)根据规范按基坑侧壁安全等级一级基坑监测内容
11、对基坑水平位移、竖向沉降、土钉拉拔力及深层土体位移进行监测。各层土钉试验拉拔力均大于设计拉拔力。深层土体位移变化的变形及变化速率也在规范允许范围内。经过21个月的基坑水平位移和竖向沉降观测。复合土钉墙最大位移值为16ram，最小位移值为13ram，实测位移值小于理论计算位移。于2013年2月 2014年3月基坑回填完成。2)通过位移曲线分析，第三层预应力锚杆的施加能有效的控制墙顶及坡面水平位移。各监测点的水平位移随时间的延续而增加，位移变化较大的时间主要集中在土方开挖未支护的阶段，开挖完成后位移趋于稳定。基坑周边沉降变化速率最大为72l暴雨影响期间，最大值为25ram，处于西南角渣土较好部位，
12、主要原因是周边绿化雨水渗漏影响，其翻边局部出现负位移，打入钢管注入水泥浆加固后趋于稳定。3)北京于2012年7月21日遭遇一场61年一遇的暴雨，历时一天一夜，降水量最高达460mm。基坑周围未硬化、地势外高内地、裸土存水严重。基坑东院的10m高土山上的雨水倾泻至基坑内，对边坡形成猛烈冲刷。洪流沿基坑形成小型瀑布。基坑周边雨水存水深度高达lm，基坑内存水深度高达25m。基础工程Foundation Engineering6复合土钉墙的坡度设计1)天然放坡角度的合理设计对于深基坑复合土钉墙支护结构的安全也尤为重要。土钉墙及复合土钉墙的坡度设计一直都被岩土设计者忽视。有的工程设计人不分析土层的特点随
13、意进行坡度的调整和设计，造成的设计上的缺陷而引发基坑坍塌事故的发生。北京市为永定河冲积扇，以粘性土及砂性土交互层为主。根据经验确定土体最佳的使用坡度为天然坡度，参考建筑基坑支护技术规程(DB224892007)中各种土质的放坡坡度允许值即自然休止角来确定基坑设计坡度。2)根据总结的北京多个深基坑经验，小于5m的土钉墙可不受坡度限制，510m深土钉墙最小坡度1：02，大于10m的复台土钉墙最小坡度为1：O4。根据本工程的土层特点以粘性土层为主确定设计坡度为1：O4。土性较差的杂填土区域采用1：08放坡配合钢管注浆和加筋土复合支护。3)基坑内侧试验性开挖，观察和确定土层的特性，分析土层的自稳定能力
14、，确定基坑设计坡度。本工程上部土层以粘性土层为主减小放破比例1：01O2，下部以砂性土层为主自稳定能力差即加大放坡比例，保证总体坡度为1：04。变坡度复合土钉墙即根据不同土层的自稳定能力调整支护坡度做到信息化施工。变坡度复合土钉墙充分发挥天然土体的自稳定能力，施工难度虽大，但其对支护安全有着重要的作用。7结论与建议1)复合土钉墙支护技术一般不宜使用在基坑深度范围内有不稳定的砂性土和杂填土地层中，对复合土钉墙的使用深度也有限制。在京东商城工程中基坑深度143m且局部有较厚的填土砂层大胆采用深基坑复合土钉墙支护技术，挑战了该技术的使用极限。通过对深基坑土钉墙基坑设计的合理优化、变坡度复合土钉墙的信
15、息化应用，京东商城深基坑复合土钉墙支护结构经受住了72l北京特大暴雨的洗礼，经受住了雨季冲刷、冬季冻融等不利因素的考验，使用时间长达21个建筑机械化201 4S1 57Foundation Engineering基础工程月。以上对复合土钉墙支护技术的研究和实践为该技术在类似工程中的应用积累了宝贵的经验。2)土钉墙一般只适用于有一定胶结和密实程度、自立性能较好的地层；适用于地下水位以上或人工降水的地层；适用于基坑深度10m以下的基坑等级二级、三级的浅基坑。复合土钉墙对复杂地质条件适应性强，常见工程地质条件也可采用，包括回填土，淤泥和淤泥质土，砂层等。复合土钉墙可用于未经降水的富含水地层，截水型复
16、合挡墙具有“截水一支挡”双重作用。3)复合土钉墙施工速度快、设备轻巧、噪音等环境污染小。较桩锚支护结构节约工期30，节约成本60。充分体现了复合土钉墙支护设计的经济、社会和环境效益。4)复合土钉墙是一项技术性很强的复合支护形式，应用条件也必须与其技术特点相适应。切忌单纯追求经济效益，不恰当地取代“桩、墙、锚”等强力支护。尤其对城区内紧邻高层建筑的基坑要谨慎使用。5)复合土钉墙为被动支护结构的一种，其变形控制难度大。合理选择有效的复合方式、放坡角度的合理设计、土体整体沉降控制、土钉的抗58 zm4 Csl)建筑机械化剪能力提高、保证土钉的灌浆质量、合理设计预应力锚杆位置和设计参数这6项是深基坑复
17、合土钉墙能否成功的关键。6)复合土钉墙在地下水充足的砂卵石地层中谨慎使用。经历雨季时，周边裸露土体必须硬化完成，周边做好有效的排水系统(保证地势外低内高且排水沟应远离基坑)。地下水压力及地表雨水冲击下渗是复合土钉墙的两大隐患，会扰动被加固原位土体改变土层性能参数、破坏复合土钉墙墙体的抗剪性能、造成土体的整体沉降，复合土钉墙内力重新分布打破原有的土体受力平衡，要引起岩土设计者的重视。(编辑张海霞)中雷分类号】U455文献标识码B文章编号1001 366(2014)S1 0055叫收稿日期】2014-0710作者简介】刘出旺，工程师、一级建造师，北京市机械施工有限公司，北京市西城区南礼士路1 5号。
