钉墙发生较大的水平位移险情分析及加固方案_secret

钉墙发生较大的水平位移险情分析及加固方案
1 概述：
发电厂（四期技改工程）循环水泵房深基坑开挖深度达9.5m（原地面标高为+4.00m），基坑平面尺寸为32ⅹ25m，由于基坑东侧紧邻厂区主要道路，南北侧距厂区其它建筑物也较近，而且在基坑开挖土层中存在较厚的软弱土层，因此经技术经济论证采用土钉墙作为基坑支护结构。

基坑于7月12日开始开挖，于7月24日开始施工东侧的土钉，7月29日东侧基坑侧壁与上表面出现大小不一的水平和斜裂缝，测得最大位移为41.7mm,位移速率为4.8mm/d，7月31日测得最大位移为50.9mm，移速率为9.8mm/d，超过设计的40mm 最大位移的警戒值，必须采取加固措施。

2 工程地质条件
根据场地工程地质报告，场地土的物理力学性指标如表1所示。

3 基坑支护结构设计
基坑支护结构设计时，按基坑所在区的荷载情况及开挖深度不同，将基坑支护结构分成东、南和北三个区。

其中东区为紧邻厂区道路侧，卸载3.5m，采用1：1放坡，土钉墙上表面高程为+0.500m，在此高程作6米宽平台，以下为1：0.5坡度的土钉墙支护，支护深度为6.0m。

考虑厂区道路及施工荷载的作用，取地表超载为20kPa 。

设计时考虑到1-3层为淤泥质粉质粘土，土质较差，设计时增大土钉的向下倾角，使土钉兼作超前锚杆作用，按照工程地质报告所提供的物理力学指标，根据《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-99）进行基坑开挖阶段的整体稳定性和各土钉的抗拉承载力验算，能满足规程的要求（见表2），整体稳定性系数为1.44。

4 基坑支护险情产生的原因分析
基坑出现险情后，有关各方立即进行会诊，认为有以下几方面的原因：
4.1是开挖区域内的地质条件十分复杂，表现在各层土的厚度分布上很不均匀，特别是1-3层土在东南二侧分布呈三角形，由北向南、由西向东厚度渐增，经地质补勘，至东南角厚度达4.2m，同时根据已开挖出的土质分析，1-3层土实际上应细分为三层，即与1-1与2-1层土交界处1.0m为淤泥质粉质粘土，而中间2m 实为淤泥，这与设计时考虑1-3层均为淤泥质粉质粘土已大不相同，同时开挖中发现地下水十分丰富，对基坑的安全不利。

4.2是东侧基坑在原土钉墙设计时，首先将地基土开挖到+0.50m，作大平台后再进行基坑支护，但在施工过程中，由于受到场地的限制，该大平台未能实现。

4.3 是在施工中土钉施工末及时跟上，同时一次性开挖面过大，由于1-3层土的自稳能力很差，在上部土的自重作用下有向外滑动趋势，导致基坑位移增大。

5 东侧基坑加固设计
土钉墙的加固设计应从实际的工程地质条件、现场施工条件、地下水的埋藏性况、经济性和安全性等诸多因素来考虑，原则上应利用土钉墙支护体系，即在原设计基础上进行加固，首先对上部土钉墙用土钉进行加固，利用1-1硬土层的锚固力增大土钉的拉拨力，限制基坑位移，由于受到施工条件的限制，采用全长注浆击入钉进行加固，注浆击入钉采用φ50mm的钢管，通过管壁注浆孔将浆液渗入到土体内。

其次考虑到1-3层土的情况，参考补勘工程地质报告，取该土层的物理力学指标为：固结不排水剪C=4Kpa,ϕ=10º, γ=16.5KN/m3，考虑到该层土质特别差，土钉与土体之间的摩阻力太小，土钉不能提供有效的抗拉力，因此在加固设计将土钉视作锚杆，加长土钉长度，同时加大角度，充分利用2-1层土的摩阻力来提供抗拨力，另外设置超前桩，根据施工便捷和费用经济的要求，超前桩采用ф159钢管和ф200松木，从而形成复合土钉支护，在保证支护体系安全稳定的同时还满足了限制基坑上部变形和解决开挖面的自立性的要求。

再次考虑到地下水的作用，在基坑的外边缘沿长度方向设六只直径为300深10 m的排水深井，用水泵向外抽水，降低地下水位，减轻基坑壁的侧向压力。

5.1 土钉（锚杆）布置及受力分析
设计地面超载为20kPa，表3为各土钉（锚杆）的垂直布置及其受力情况。

5.2 土钉墙整体稳定性分析
按施工工况，当基坑开挖到-1.50m，即第一道锚杆施工完，而第二道锚杆尚未施工时，此时为最危险之工况，此时的整体稳定性安全系数为1.372，开挖到-2.50m、-3.50m、-4.50m，-5.50m时的整体稳定性安全系数分别为1.824、1.817、1.694、1.587，当最后道土钉施工完后的土钉墙整体稳定性安全系数为1.607，以上整体稳定性分析未考虑松木（钢管）桩的作用，此作用仅作为安全储备。

5.3 土层锚杆的局部稳定性分析
由于（1-3）层土为淤泥，土质条件特别差，而其下层为（2-2）层土，为粉质粘土，土质条件相对较好，为此可假定土层锚杆产生局部失稳时，滑动楔体通过（1-3）层与（2-2）层土层的结合面，土层锚杆产生局部失稳的最不利工况为：基坑开挖至-1.5m高程而第二层锚杆尚未施工时，其破坏形式如图1所示。

由图可知，各作用力的计算如下：
G=0.5⨯(5.369+2.369)⨯3⨯19.2+0.5⨯(5.869+6.869) ⨯1⨯16.5+6.869⨯2.5⨯16.5+20⨯2.369=658.669kN
Ea=0.5⨯14.313⨯1.509+0.5⨯(44.431+88.069) ⨯3.5=239.454kN
Ea1=0.5⨯19.853⨯1.15+0.5⨯(19.853+27.023)⨯0.575+0.5⨯(27.023+58.05) ⨯0.775=57.858kN
根据力的平衡条件：
可得：
而锚杆的极限抗拉承载力为：T uj=3.14⨯d⨯q sk⨯l=3.14⨯0.15⨯30⨯12=169.65kN，则安全系数为1.882。

5.4 松木(钢管)桩支护结构分析
钢管的设计抗弯强度为f w=215MPa、设计抗剪强度为f v =125MPa，松木的设计抗弯强度为f w =13MPa、设计抗剪强度为f v=1.5MPa。

松木(钢管)桩支护结构分析时应按如下几种工况进行分析：工况一：基坑开挖至-1.50m，尚未施工第二道锚杆，仅有第一道锚杆产生作用；
工况二：基坑开挖至-2.50m，尚未施工第三道锚杆，第一、二道锚杆产生作用；
工况三：基坑开挖至-5.50m，反压土体嵌固松木（钢管）桩，三道锚杆全部产生作用。

以下对各工况进行分析
工况一：其受力分析如图3所示，图中B点可视为假想铰，则T1=22.23kN/m，最大剪力为20.89kN/m，最大弯矩为18.681kN-m/m。

工况二：其受力分析如图4所示，假想铰也可设为图中B点，则T1=11.87kN/m、T2=23.124kN/m，最大剪力为39.684kN/m，最大弯矩为15.09kN-m。

工况三：反压土体所提供的被动土压力可按图5所示的分析计算，假定被动破裂面经过桩底，破裂角为450+ϕ/2，由此可求得被动土压力为Ep=57.299kN，其分布如图5所示。

假想铰位于图中B点。

则T1=6.464kN/m、T2=22.971kN/m、T3=27.482kN/m，最大剪力为25.825kN/m，最大弯矩为6.877kN-m/m。

截面设计：分析各工况的受力情况，可知桩身的最大剪力和最大弯矩分别为39.684kN/m、18.681kN-m/m，
若采用直径为200mm、间距为500mm的松木桩，则作用于桩上的最大弯曲应力为16.65MPa>f w(13MPa)，最大剪应力为0.884MPa，显然，松木桩不能满足抗弯要求，为此需用钢管桩进行加固，即采用直径为159mm 的钢管，间距为1000mm。

为了使松木（钢管）桩与锚杆支护体系具有足够的整体性，在锚杆出露处设置围檩，围檩可用双榀#12槽钢加工而成，锚杆与围檩之间焊接牢固。

6 结语
基坑土钉支护近年来得到了广泛的应用，可适用于多种类型的土层，但在软弱土层中应用应慎重，由于软弱土如淤泥质土和淤泥土体自身的强度低，土钉与土体之间的摩阻力小，两者相互作用若发生剪切破坏，破坏面一般在两者接触面上，向外对土体的影响范围小，土钉与土体难以形成整体，加固效果差，不能有效的约束土体，因此往往位移较大，严重时导致基坑的整体失稳。

设置超前桩后，超前桩可作为悬壁桩或锚拉桩来限制土体的侧向松胀，减少边坡土体的应力释放，边坡非稳定土体的位移明显减小，土钉承受的水平拉力大为减小，水平位移减小。

本基坑东侧加固方案确定后即按此进行施工，9月28日基坑开挖至基底标高，10月8日施工至▽+4 m 标高开始基坑回填，东侧基坑加固后位移增量明显减小，至基坑回填位移增量均在1mm之内，累计位移增量不超过1cm，说明采用钢管（松木）桩加锚杆的复合土钉支护能有效支挡软弱土层，阻止软弱土层的滑动，而且超前桩可以部分回收利用。

工程基坑支护实际使用120万元，较概算节约投资110万元，达到了安全、经济的目的。

参考文献：1. 陈肇元、崔京浩，土钉支护在基坑工程中的应用，北京：中国建筑工业出版社，1997
2 《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-99）
3 龚晓南、高有潮，《深基坑工程设计施工手册》，北京：中国建筑工业出版社，1998
4 《电厂（四期技改）循环水泵房基坑支护设计》屠毓敏。