（岩土工程专业论文）岩土工程新技术及应用研究.pdf

摘要 本研究报告介绍了几项岩土工程新技术及应用研究成果，包括四 个方面的内容： ( 1 ) 日本国土防灾株式会社的专利产品j c e ( j a p a nc o n s e r v a t i o n e n g i n e e r s ) 回收式锚索的引进及在北京地区试验研究，其成功引进 和推广可大大减少地下建筑垃圾，实现环保施工； ( 2 ) 兼作外墙模板垂直锚喷技术试验研究，加快了施工进度、降 低了工程造价。由土钉墙、微型桩、预应力锚杆三者所组成的复合支 护体系，对于垂直锚喷兼作外墙模板边坡位移的控制是有效的； ( 3 ) 刚架双排桩在基坑支护工程中的应用，比悬臂护坡桩节省费 用约2 0 ，比锚拉护坡桩节约费用约1o 、且缩短了工期： ( 4 ) 超纯、超细、窄带c r n i w m o - v 系“穿孔带芯纵轧法”中空 钎钢的研制，是作者攻读博士期间研究工作的延续。本研究设计了 c r n i - w - m o v 系超强韧性合金钢，首创了“穿孔带芯纵轧法”及相 关工艺设备。最近成立了湖北钎钢钎具有限公司，对此项目的研究成 果进行推广应用。其专利申请正在进行中。 关键词：回收式锚索垂直锚喷土钉墙外墙模板双排桩钎钢中空钢 a b s t r a c t s e v e r a lg e o - t e c h n i c a le n g i n e e r i n gn e w t e c h n i q u e sa n da p p l i c a t i o ns t u d y f r u i tw e r ei n t r o d u c e di nt h i sr e p o r t ，c o n s i s to f f o u r r e s p e c t s u b s t a n c e s ： ( 1 ) t h ef e t c hi na n de x p e r i m e n to f t h ej c er e m o v a b l ea n c h o r ，y e tt h a t s u c hi s s u c c e s s f u l l y i n t r o d u c e df r o me l s e w h e r ea n d s p r e a d s d e c r e a s e s u n d e r g r o u n d g a r b a g e e n o r m o u s l y ，t h e e n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n i s r e a l i z e d ； ( 2 ) t h e e x p e r i m e n ta n d r e s c a r e h0 f 舭t e c h n i c a lo f v e r t i c a la n c h o r i n g a n d s p r o u t i n gp i tw a l la c t a so u t s i d em o u l d i n g b o a r d ，s p e e d su p t h eb u i l d i n g r a t ea n dc u t sd o w nt h e p r o j e c tc o s t ； ( 3 ) t h e a p p l i c a t i o no f t w i nl i n ep i l e so f r i g i df r a l t l ei nt h ef o u n d a t i o n p i t ，c o u l d s a v et h ee x p e n s eb r i e f 2 0 t h a nt h ec a n t i l e v e r s l o p ep r o t e c t i o np i l e ， a n d1 0 t h a nt h a to fs l o p ep r o t e c t i o np i l ew i t ha n c h o r , a n dc u td o w nt h e ( 4 ) s u p e r p u r ea n ds u p e r f i n ec r y s t a l l i n eg r a i na n dh i 出p r e c i s i o no f t h e s ee l e m e n t sc m p o s i t i o nt oc r - n i - w - m o - vs e r i e so fh o l l o wr o c kd r i l l s t e e l sb yp u n c h e da n de n f i l a d e d r o u i r 玛w i t hc o r e 。t h e n e a r e s th u b e id r i l l s t e e la n dd r i l lt o o l sc o r p o r a t i o nl t d w a se s t a b l i s h e d ，a n dt h e p a t e n ti sa p p l i e d f o rb e i n g u n d e r w a y 。 k e y w o r d s ：r e m o v a b l ea n c h o r ，v e r t i c a l 跚d 州1 1 9a n ds p i l i j 崦，s o i ls n a i l ，o u t s i d em h j n g b 0 咖，t w i l l l i n e p i l e s ，d r i l ls t e e l ，h o l l o w s t e e l 中南丈学博士后工作报告黄常被岩土工程新技术及应用研究 第一章jce 回收式锚索的引进及试验 1 综述 1 1 概述 锚索支护是建筑基坑的一种重要支护形式，多用于安全等级要求较高 的基坑工程，常因难回收而不回收，光北京一年就有上万吨的钢绞线留在地 下，造成严重的地下污染：斜打入基坑外的锚索，不同程度地延伸到红线外， 侵犯到其它建筑的地下领地，而一般城市建设档案没有这一方面的资料，为 后续工程建设留下了严重隐患。因此，回收锚索减少地下建筑垃圾是一个基 建和环保的重要课题，并已经在全社会形成了共识。 我国的众多科研院所和施工单位也做了不少的工作，并收到良好的经济 和社会效益。如原冶金部建筑研究总院程良奎先生主持研制的“u ”形回收 式锚杆，已经多次用于生产中，成为了一项成熟的技术；重庆大学资源与环 境科学学院邱贤德教授针对采准、回采巷道特点，研究设计种新型的可回 收锚杆，根据巷道围岩压力大小、可采用单、双锚头结构型式，经现场应用 证明是成功的，锚杆回收率可达7 5 9 0 ；此外还有陕西华煤岩土工程技术 有限公司研制生产了金属可回收锚杆，四川省华蓥山广能集团绿水洞煤矿的 “双锚头”可回收锚杆( 1 9 9 9 年获中国专利权) ，北京市第三城市建设工程 公司的握线式可回收锚杆( 专利号9 7 2 0 0 7 6 8 ) 等。 这些工作直接节省支护材料及费用，推动了回收式锚杆( 索) 在我国的 研发和应用，创造了较好的经济、社会、安全效益。 但是这些回收式锚杆都并非是十全十美，都有一定的适用条件，不同 程度存在一些问题，如旌工工艺繁杂、工人劳动强度大、回收所需的设备复 杂笨重、回收率较低等。 针对这种情况，中建局引进日本国土防灾株式会社回收式锚索技术， 并在2 0 0 1 年2 5 月在北京进行试验。旨在掌握该项技术工法，最终实现国 产化，并在全国推广应用。 1 2 jc e 回收式锚索简介 j c e ( j a p a nc o n s e r v a t i o ne n g i n e e r s ) 回收式锚索是日本国土防灾株式 会社的专利产品，是在其承压型永久锚索的基础上开发研制成功的。其特点 是： ( 1 ) 吸取了其它地锚的技术专长，具有高信赖度的良好施工结构，施工 简便。 中商大学博j 一后工作报告 黄带波岩士工程新技术及应用研究 ( 2 ) 受拉构件是由pc 钢绞线、承载体、套管、水泥砂浆四部分构成。 pc 钢绞线在承载体端部处于压接状态，在套管内处于自由状态。 ( 3 ) 拉伸荷载根据所使用的pc 钢绞线的公称直径及根数来决定，拉伸 荷载在3 0 1 0 0 t f 之间。 ( 4 ) 锚固体的结构为端部压缩型结构。其锚国民度仅为2 m 左右( 普通地 锚的锚固长度一般为8 9 m ) 。 ( 5 ) 使用专用千斤顶回收pc 钢绞线，安全快速、工人劳动强度低、易 回收、回收率高等。 ( 6 ) 被回收的pc 钢绞线能重复使用2 3 次；因此整体价格低廉，能充 分利用资源，具有高效环保的优点。 2 在北京地区的试验研究 试验原定于北京光彩事业中心进行，锚索也按该工地加工制作( 注：该 基坑深1 8 m ，设计锚索长度为3 0 m ，锚固力为5 0 7 0 t f ) ；后因情况变化，改 在汇城花园，但又因民扰影响不能施工，最终临时改在西外大街扩建工程白 颐路挡墙工程道路边坡支护工地进行，位于北京市西城区西直门外大街与白 颐路路口交汇处，东西向为西外大街。试验于2 0 0 1 年3 月1 9 日3 月2 3 同 进行。 2 1 场地工程地质和水文地质条件： 场地地层分为路面及无机料和第四纪沉积层，自上而下分述如下： ( 1 ) 路面及无机料：分布于现状地表，层厚为o 8 m 。 ( 2 ) 第四纪沉积层：人上到下为 亚砂土、粉细砂、亚粘土，一般层厚为3 5 5 m 。 轻亚粘土、粘土、重亚粘土，一般层厚为0 3 0 一5 ，9 0 m ，平均厚度3 1 0 r e 。 粉细砂、重亚粘土、轻亚粘土，一般层厚为o 6 0 6 2 0 m ，平均厚度3 4 0 m 。 卵石、圆砾、中亚粘土，一般层厚为0 6 0 1 0 。o o m ，平均厚度5 3 0 m 。 轻亚粘土、粘土、重亚粘土，一般层厚为o 2 0 4 4 0 m ，平均厚度2 3 0 m 。 卵石、细、中砂局部重亚粘土，一般层厚为o 2 5 6 6 m ，平均厚度3 4 3 m 。 本场地第一层地下水为潜水承压水，静止水位埋深1 9 9 0 2 1 8 0 m ，静 止水位标高2 9 8 3 3 1 6 2 m ，近年来最高地下水位标高为3 1 5 0 m 。本场地地 下水对混凝结构均无腐蚀性。本试验在地下水位以上进行。 2 , 2 试验方案与施工 2 2 1 锚杆施工的概要 试验锚杆的规格如下： a 钻孔孔径： 中南火学博士后t 作报告黄常波岩土工程新技术及应用研宄 钻杆管的外径：日) 1 3 5 r a m 钻杆管的内径：中1 1 5 m m b 钻孑l 长：2 7 m + 0 5 m ( 多钻孔长) c 锚杆材：由7 根中1 2 7 m m 的p c 钢绞线组成( 中心的铡绞线的 氏度比周边的钢绞线的长度长1 ，0 m ) d 施工根数：2 根 e 锚杆的配置 根据试验现场情况来决定( 间隔2 2 5 m ) 2 2 2 施工方法 ( 1 ) g i - t l t l 径 钴杆管外径：击1 3 5 m m ，钻杆管内径：巾1 1 5 r a m 。实际施工时成 孔孔径为由1 3 3 r m n 。 ( 2 ) 钻孔角度( 水平向下) 3 5 。4 5 。，实际成孔角度为3 0 度。 ( 3 ) 钻孔孔长 2 7 m + 0 5 m ( 多钻长度) ，实际成孔深度为15 5 m 。 ( 4 ) 钻孔及锚杆设置顺序 a 钻孔( 套管跟进) 采用s m 4 0 0 钻机套管跟进钻进。实际采用普通螺旋钻锚杆钻 机成孔，无套管跟进。 b 清孔( 用压缩空气进行清孔) 锚杆的锚固段如果残留有余泥的话，不能达到规定的粘结强 度；因此必须把余泥完全地清除。实际施工时加大孔深了。 c 插入锚杆体 ( 插入时变形计向上。 d 注入防漏填充剂 防漏填充济的配合比及混合方法见本章附件。 注入防漏填充剂到塑料管面为止。( 如果用水泥浆进行洗孔的 话，先注入填充剂，后插入锚杆体。) e 置换注入( 注入水泥浆) 如果孔内有地下水的话，将会导致水泥浆的强度不足，因此 必须用水泥浆把地下水置换出来。 灌浆用管插入到孔底直到水泥浆上升到地面为止。 f 向上提升钻杆管( 从孔底开始8 m ) g 1 次注入( 钻杆管内加压，压力为o 3 m p a ) 中南大学博上届工作报告 黄常波 岩土工程新技木及应用研究 加压方法是在钻杆管的头部盖上帽盖，装上加压软管，在钻 杆管的内部进行加压；加压时问为1 分钟左右。钻杆管头部 附近的加入压力为o 3 m p a 左右。 为了使水泥浆不浸入锚杆体内部，必须对锚杆材的头部进行 密封。 注：实际施工时，f 和g 两步省去了，注浆直至孔口，并补浆3 5 次， 直至浆液面不再下降为止。 ( 5 ) 水泥浆的规格 早强水泥 水灰比：c w ：5 0 ，流动值1 2 分2 秒 单轴抗压强度0c = 4 0 m p a 2 2 3 张拉、锚固方法 水泥浆的试块压缩强度达到所规定的值后，才可以进行张拉。张拉的方 法与永久锚杆的方法一致，只是中心的钢绞线不能加力，处于自由状态。 通过适应性试验及确认试验，确认锚杆的弹性延伸量、塑性延伸量、松 弛是否满足所规定的性能要求，并且同时考虑夹片的松弛导致对张拉力的减 少的影响因素，根据所要求的有效张拉力进行张拉、锚固。 锚杆头部由夹片进行锚固的时候，随着荷重的增加，夹片将嵌入锚头内。 其嵌入量，在由1 2 7 m m 的场合，荷重1 1 0 k n 根时= 1 1 2 t f 根时为1 】姗m 。 进行了适应性试验，确认试验的锚杆，根据其弹性延伸量，判断出锚杆 体的锚固状态牌良好的状况下，才能进行张拉。 a 张拉、锚固 锚固状况良好的情况下，才能对其它的锚杆进行张拉。 4 中南大学博士后工作报告黄常波 岩土工程新技术及应用研究 b 张拉的方法 单纯加载，到达所定荷重后，进行锚固。 c 锚固荷重 设计锚固力的1 0 0 。 2 2 4 锚杆回收方法 回收的方法是：先把中心的钢绞线用千斤顶拔出后，然后用千斤顶相继 对周围的钢绞线进行加载，使之脱离固定台座后，用手工或用吊车进行回收。 ( 1 ) 回收的顺序 回收中心钢绞线一一依次回收周边第一六根钢绞线。 ( 2 ) 所需的设备 回收需要使用2 0 t 的千斤顶或者吊车。 3 测试 依据条件我们做了锚索锚头拉拔试验中荷重与应变关系测定。 3 1 测试方案 3 1 1 主要仪器 国产y d 8 8 便携式超级应变仪3 台； 国产l v d v - 3 位移传感器1 台； 日产m 1 5 0 数字万用电表l 台； 国产y c q 一1 5 0 千斤顶1 台。 3 1 2 测定方法 沿锚索锚头长度方向的不同距离处布置3 组电阻应变片，每组4 片， 两两串联，最后测定时选用1 对电阻应变片；将上述串联后的应变片引出接 中南大学博士后工作报告黄常波岩土工程新技术及应用酬究 线备测。电阻应变片位置见表l 。 表1 电阻应变片位嚣表 应变片组距孔底距离( c f l 3 ) 【试验孔号 1 #2 “3 #备注 n o 18 92 2 93 3 l n o 一29 52 2 73 2 8 “ 群站 j j ；应窭譬、垂蒸 翱终绻 3 2 测试结果分析 锚索锚头拉拔试验中荷重与应变数据见表2 、表3 、 由锚索锚头拉拔试验中荷重与应变关系图表可知： ( 1 ) 拉拔试验中锚头受压应力，应变为“一”值； ( 2 ) l 。电阻应变片产生的应变量比其他2 组大得多 试验中加载卸载都进行到4 次循环时断片； 图1 、图2 。 且在2 个孔的拉拔 ( 3 ) n o l 试验孔的最大荷重为2 3 4 7k n ；n o 一2 试验孔的最大荷重为2 9 7 k n 。 表2 锚索锚头拉拔试验中荷重与应变数据表 试验孔号 丝q = 2 测定日期2 q q ! ：q 3 ：2 记录 扬回 校核王塞堂 应变量( 1 0 - 6 )应变量( 1 0 4 ) 荷重( k n ) 1 #2 #3 “备注荷重1 #2 4 1 备注j ( k n ) 0oooooo0 1 4 3 64 5 04 09加载1 4 3 618 25 3一1 4 加载 o卸载2 1 9 13 9 76 71 9 加载 2 0 3 59 0 0 03 99 1 8 片断 0o0o2 3 4 75 21 4 加载 1 4 3 62 5 73 2一1 7加载03 86 卸载 0卸载 oo0o 1 4 3 ，61 7 63 41 7加载 o 卸载 中南大学博土扁丁作报青黄常波岩土工程新技术及应用研究 表3 锚索锚头拉拔试验中荷重与应变数据表 试验孔号 道q ：! 测定日期2 q q ! 二q 3 ：2 3 记录拯 回 校核王塞堂 应变量( 1 0 。6 )应变量( 1 0 “) 荷重1 4 2 43 “各注荷重1 “2 43 4备注 ( k n )( k n ) ooo02 0 3 5。2 2 95 23 5加载 5 742 7 73 69加载2 3 4 72 8 26 35 8 加载 8 6 23 4 6- 8 75 6加载2 6 5 8、3 0 29 71 0 2加载 1 1 493 9 9，1 1 69 6加载2 8 1 4- 3 2 01 1 3- 1 2 6加载 1 4 3 64 3 91 3 11 2 0加载0- 1 1 35 88 1卸载 】7 2 34 6 8一】4 01 2 8加载 1 4 3 63 4 41 3 2。1 1 9卸载oo0o 0 2 6 5 82 5 25 62 5加载 2 8 1 4。3 4 47 43 8 加载 oo0o2 9 7 05 1 29 45 5 加载 8 6 ，2 2 4 72 15 加载 2 5 0 2。2 1 9。8 02 8 卸载 1 4 36。2 8 13 2。1 4 加载 o一9 6 0 04 62 卸载 1 7 2 33 2 54 83 6加载o一4 6o l “片 1 4 3 62 2 93 52 1 卸载 1 7 232 7 45 l一3 0 加载 o0o 1 8 7 93 0 57 55 8加载2 6 5 83 12 5 加载 2 0 3 53 8 98 27 2加载2 8 1 44 02 9 加载 1 7 2 33 0 l一6 25 l卸载01 0一5 卸载 】4 3 62 7 04 04 l卸载 03 002 2卸载 o0oo 1 4 3 61 3 52 09 加载 i 7 2 31 5 93 01 4 加载 1 8 7 9一1 9 54 72 4 加载 7 中南大学博七后工作报告黄常波岩土工程新技术及应用研究 图1n o i 试验孔就变与荷重关系曲线 ( 第1 次循环加载) 图2n o 一2 试验孔就变与荷重关系曲线 ( 第4 次循环加载) 本次试验未达到设计的5 0 7 0 t f ，其原因分析如下： ( 1 ) 钻孔未能按要求使用跟管钻进，在孔底砂层中有塌孔，造成锚固 端固结体不饱满、强度较低。 ( 2 ) 受钻机能力限制，孔深为1 5 m ，孔径为巾1 3 3 m m ，无法进入卵石、 圆砾、中亚粘土层，锚固端地层为粉细砂、重亚粘土、轻亚粘土层，其c 、 中值分别为2 2 0 和3 0 。有效锚固长度按3 5 m 计，则锚力为 0 1 3 3 * 3 1 4 * 3 5 * 2 2 0 1 0 = 3 2 2 t f 。与实测较接近。另按北京施工经验，粉细 砂、重亚粘土提供的锚杆锚固力一般为8 - 1 0 t f m 。这说明试验是基本正常 的。 中南大学博士后工作报告黄常波 岩土工程新技术及应用研究 4 结论 ( 1 ) jce 回收式锚索的结构是合理的，其回收简单可靠，回收率高 达1 0 0 ，工人劳动强度低，用千斤顶拉松后，可2 人人工抽出钢 绞线； ( 2 ) 为达到最优效果，须用套管跟进成孔，注意洗孔； ( 3 ) 设计锚拉力必须考虑地层，以锚固端进入砂卵石、岩石层为佳， 可大大提高锚固力。 ( 4 ) 采用端部压缩型结构，在岩石中的锚固长度为2 m 左右，拉力可达 3 0 、1 0 0 t f ( 日方提供) 。 ( 5 ) 为了进一步推广，须国产化降低成本，并依据不同地层条件改进 产品，形成系列化的产品。 ( 6 ) 端部压缩型锚杆锚固端受压应力长度在2 m 左右后很小，即其有效 的锚固长度只需2 m 左右。 ( 7 ) 为了进步的推广使用，还要进行更多更广泛的试验和室内测试 工作，探索其设计计算方法，同时研究其现场加工生产及配剂的本地 化问题，以降低价格。 附件 附件l锚固长度的计算 锚固长度的计算( 因现场的详细地质资料不齐，以下按强风化土质进行 计算) a 耐荷体的锚固长度的计算： l s a = f x t d ( u t 。) 但是：l 。：锚杆体的锚固长度( c m ) t d ：设计荷重( 7 0t ) u ：耐荷体的固定周长( c m ) te t ：容许粘着应力k g c m 2 ( = 1 2 ) f ：安全系数( 1 5 ) l 。= 7 0 ，0 0 0 1 5 ( 8 9 3 1 4 1 2 ) = 3 1 3 c m = 3 2 m b 与地层的锚固长度计算： l s a = f ) t d ( u t 。) 但是：l s a ：锚杆体的锚固长度( c m ) t d ：设计荷重( 70t ) u ：耐荷体的固定周长( c m ) 9 中南大学博士后工作报告黄常波岩土工程新技术及应用研究 tg t ：水泥浆与地基的摩擦强度k g c m 2 ( = 6 ) f ：安全系数( 1 5 ) 1 。= 7 0 ，0 0 0 1 5 ( 1 3 5 x3 1 4 6 ) = 4 1 3 c m = 4 2 m 附件2止水材的制作方法 1 、配剂g 的作液方法 ( 1 )把清水倒入容器内 ( 2 )一边进行搅拌、一边加入l ( 与水的比例) 的配剂p 。然后 用手动搅拌机搅拌1 0 分钟左右( 注意不要形成疙瘩) 。 ( 3 )优后加入配剂g 。然后再搅拌5 分钟左右。 ( 4 )用泵注入锚杆的内部。 2 、凝固时间 配剂p 1 + 配剂g 5 配剂p 1 + 配剂0 6 水温1 0 度5 2 分1 8 分 水温2 0 度2 4 分1 0 分 水温3 0 度1 3 分4 分 3 、成份 4 、注意事项 配剂p n a 一蒙脱石 配剂g 高分子多糖类 不同的温度差，其硬化时间不同 配剂g 溶解后，迅速注入锚杆内( 因硬化很快) 附件3 成份表 配剂g 主要成份 商分子多糖类 ( 硅消泡剂、无机盐的混合剂) 中南大学博士后工作报告黄常波 岩土工程新技术及应用研究 2 、性状 外观：白色粉未 p h 值：6 8 0 3 水分：1 0 以下 实际比重：1 4 2 0 2 0 高比重：0 7 配剂p 1 、机能 溶于水后，具有增加粘度，容易形成泥皮，调整脱水等优点的钠 系的澎润土。 2 、性状 p h 值：10 o 1 0 6 水分：1 0 以下 实际比重：2 5 2 7 高比重：0 5 4 0 7 4 粒度90 通过200 网眼 膨润度3 0 m l 2 9 3 、化学分析值 s i 0 2 a 1 2 0 3 f e 2 0 3 c a o m g o n a 2 0 k 2 0 i g l o s s 2 2 5 1 8 2 o 2 6 5 5 附件4张拉比压计算、承压钢板、工字钢、反力板设计 按设计张拉力7 0 吨计算，安全第系数取为1 2 ，土层的抗压力取为 2 0 k g c m 2 ，所需的张拉受拉面积为 s = 7 0 * 1 0 0 0 1 2 2 0 = 4 2 0 0 c m 2 取承压钢板为： 长8 0 c m 宽6 0 c m 厚2 c m 为了保证钢板有足够的刚度，沿钢板宽度方向加焊两道5 c m 宽6 0 c m 长 的钢肋板。 一一妣姗 r 1 2 1 中南大学博_ 上后t 作报告黄常波岩土工程新技术及应用研究 实际加工时，使用了1 0 m m 钢板，规格为1 0 0 0 * 1 0 0 0 m m ，中，l ：, t l 中 1 8 0 m i n ，为了加大刚度，在距两边1 5 0 r a m 和3 0 0 m m 处，两边满焊加焊4 根由3 5 r a m 钢筋。 选用2 5 b 工字钢，截取1 0 m 两根，用4 根书2 5 r a m 钢筋，在距两头1 0 0 r a m 和2 0 0 m m 处连接，两工字钢的问距为1 5 0 r a m 。 反力板尺寸：4 0 0 * 4 0 0 * 2 0 ，中心孔中8 0 r a m 。 1 2 中南大学博士后工作报告黄常波岩土t 程新技术及应用研究 第二章兼作外墙模板垂直锚喷技术试验研究 1 概述 在深基坑工程施工中，由于受到周边环境的限制，没有足够的空间放坡 或采用其它的工法进行基坑支护；或者由于工期紧，没有足够的时间来制作 外模板及回填土方；此时采用垂直锚喷支护技术，可以很好地解决这些问题， 获得良好的技术经济效果。 为了满足做外模板的要求，一般坡顶的位移不得超过2 0 5 0 m m 。因此， 位移控制是关键，必须采用各种控制变形的手段( 例如微型桩、超前小导杆 和预应力的应用等) ，同时配合信息法施工，及时掌握整个边坡的变形和受 力情况。 此外，垂直锚喷边坡支护的成功在很大程度上依赖于降水的成功。 2 在公安大学部校东联建住宅基坑的试验研究 2 1 工程概况 公安大学部校东联建住宅位于北京市西城区木樨地公安大学院内，拟建 工程由南北两座塔楼和一栋十三层住宅。( 连接体) 组成，总建筑面积 6 0 2 4 5 m 2 。地下两层，基坑面积约6 4 2 2 m 2 ，基坑周长约3 3 6 m ，基础埋深为 1 0 o m ，局部埋深1 3 o m 。 根据该工程的岩土工程勘察报告( 北京市泛华工程有限公司9 8 技0 4 3 ) ， 场地的地面标高为4 7 _ 3 7 4 8 6 6 ，地质情况描述如下： 表层为人工堆积的粉质粘土填土层，局部房渣土。层，其般厚度 为1 2 0 2 o o m ，局部较深处为2 7 0 3 4 0 m ，其下为第四纪沉积的粉砂、砂 质粉土层，与重粉质粘土、粉质粘土1 层及粘质粉土、砂质粉土2 层 的交互层，于标高4 0 4 6 4 2 6 9 以下为细砂、粉砂l 层，卵石、圆砾层， 及局部粘质粉土、粉质粘土2 层，标高3 3 9 9 3 6 9 9 m 以下见重粉质粘土、 粉质粘土层与粘质粉土、砂质粉土l 层，再以下于标高3 0 9 5 3 2 7 9 m 见 卵石层，局部细砂、中砂1 ，标高2 8 8 5 2 9 2 9 m 见重粉质粘土、粉质粘 土层，再下标高2 4 7 7 2 6 5 4 m 见第三纪的粉质粘土、重粉质粘土层。 本场区在勘探过程中测得地下水静止水位标高3 1 9 7 m 3 2 8 6 m ， 埋深1 4 6 5 1 5 8 0 m 。 2 2 方案设计与施工 2 2 1 方案设计 中南大学博士后t 作报告黄常波岩土工程新技术及应用研究 根据场地的工程地质和水文地质情况及周边条件，对基坑支护方案进行 分析比较后采用土钉墙支护，同时考虑本工程工期紧、任务重、场地小，为 了确保工期，在基坑西侧和南北两侧西段，采用垂直墙喷射砼后抹水泥砂浆 找平，铺设防水材后作基础结构外墙的模板。垂直墙喷锚作结构外墙模板有 诸多优点：减小了土方开挖量，缩短了工期，避免了后期工程的土方回填。 土钉墙支护采用理正深基坑支护软件进行计算，结构参数为：土钉垂 直间距、水平间距均取1 4 m ，土钉倾角1 0 。，土钉直径为1 3 0 m m ，土钉水 泥浆体强度强度设计为2 0 m p a ，土钉水泥浆配比为水灰比0 5 。采用由2 5 、 中2 8 两种直径钢筋，土钉长度为5 8 一1 3 o m 不等。喷射砼设计强度c 2 0 ，施 工配合比采用水泥：砂：碎石：外加剂= l ：2 ：2 ：0 0 3 ，喷射厚度为1 0 0 m m ， 冬季施工并考虑工期紧等因素外加剂选用速凝剂、防冻剂和早强减水剂三 种。、( 8 8 8 0 巢湖牌速凝剂，加量为水泥、砂、碎石重量的3 ；m d 一5 防冻剂， 加量为以上材料的3 ：早强减水剂5 用于水泥注浆) 为了限制坡顶位移满足项目经理部提出的不超过5 c m 的变形要求，设 计上在西坡直立坡中段6 0 m 范围第二排土钉问每隔2 8 m 设计长1 5 m ，孔口 段带有螺纹的预应力锚杆，注浆待水泥浆体强度达7 0 后( 三天) ，于喷射 砼面上安放3 0 0 m mx3 0 0 m mx6 m m 中间钻有中3 0 m m 直径孑l 眼的钢垫板，安 装螺母施加少量预应力。这样，既增加了土钉长度，又提高了土钉密度。( 待 结构施工到此高度时，卸下螺母垫板，割除土钉外露部分) 。必要时注浆w c 由0 5 改0 4 - 0 4 5 ，适当提高注浆压力。 钢筋网片：8 2 0 0x2 0 0 m m ，保护层厚3 0 5 0 m m ，另外为保证坡项稳 定，在坡顶做1 5 m 的钢筋砼翻边，总的工程量为：土钉共1 7 0 0 根，计 1 4 2 6 7 t h p 延长米，砼喷射面积3 4 0 2 m 2 ，砼翻边面积4 9 5m 2 。 2 2 2 施工工艺控制： 在施工过程中，严格按照方案进行施工，工艺流程如f ： 本： 程的土钉成孔施工采用s m + 4 0 0 锚杆钻机一台，国产c y 锚杆钻机 4 三台。 垂直边坡土钉墙采用信息法施工，严格监测基坑周边的变形，以利及时 反馈，一旦出现异常，可采取补救措施。在宏观上，我们采用精密水准仪和 经纬仪对基坑坡顶进行水平位移和垂直沉降观测；在微观上，采用在土钉钢 筋上，贴制电阻应变片，对土钉受力变形进行测试。 中南大学博士后丁作报告黄常渡岩t 工程新技术及应用研究 施工过程中控弗4 坡项位移我们采取如下措施： ( 1 ) 遏砂层和砂质粉土层，严格按设计要求分层、分段开挖，可分长度 控制在5 6 m ，挖一段，喷锚一段。 但1 限制开挖面裸露时间，尽快加以支护，分段开挖到支护时间对于砂 质粉土和砂层力争在一小时内完成，避免塌方。 ( 3 ) 加快注浆和喷砼早期强度的发展，( 加速凝剂、防冻剂、早强减水剂， 且上覆保温被防冻实测结果表明，覆盖面下喷砼表面温度在外面环 境温度在一8 一i o 。c 时仍在i o 。c 以上) ，且用5 2 5 # 水泥代替4 2 5 9 水 泥，提高水泥浆强度。 ( 4 ) 土钉问与网片联接由原来的“井字形”改为“上下层余拉筋”。解决 了粉细砂层塌坍的难题。 ( 5 ) 在喷砼和注浆体强度未达设计强度的4 0 以上，不能开挖下层。据 实验室实测数据表明，施工两天后才能进行下一层开挖。为抢工期 ( 1 1 月3 0 日) ，喷砼与注浆体强度未达c 2 0 的4 0 以上就开挖下一 层而导致观测点地面沉降和坡顶水平位移分别达1 6 r a m 和3 0 m m ( 最 大值产生另一原因是在分段开挖西侧时，未能控制好一次挖了2 0 余米) 。 ( 6 ) 为保证边坡的垂直度和平整性，由测量人员在垂直边坡的士体面上， 垂直钉入上下共同两排长7 0 c m 中8 m m 钢筋，沿边坡长度方向间距不 超过l o m1 用经纬仪在钢筋杆表面上定出测点。用钢锯锯槽，然后 用白线将各点连成直线，以此作为人工清坡和锚喷以及表面抹灰浆 的控制面，以保证边坡的质量。 ( 7 ) 协调土方开挖与土钉墙旋工配合是保证直立边能顺利施工的关键。 特别在遇砂层和粉质砂土层应严格控制分段开挖长度。否则易造成 土方或坡顶产生裂缝。我们就在本工程施工中出现过此情况。 2 3 应变测试 为了满足基坑支护的稳定性要求，严格控制土钉墙的水平位移( 总位移 5 c m ) 和坡顶下沉；同时为确保工程安全、经济高效( 土钉墙垂直墙直接充 当模板使用) ；并为以后同类工程的设计施工提供有价值的参考依据，特做 如下土钉应变测试试验研究。 2 3 i 测点布置： 考虑到基坑不周部位放坡尺寸有所差异，加之深度及开挖布局变化， 土钉的分布层数不同的特点。为研究其空间效应，在考虑了问题的对称性和 便于测试对比，尽量不影响施工，保证满足所要求的精度，同时包容各个不 同剖面。测试剖面布置为如图l 所示，分别在图中各剖面位置的2 、4 、6 中南大学博士后工作报告黄常波岩土工程新技术及应用研宄 等排土钉布置应变片。 j12 mk i 坞 uu 巧、。 1 0 # 1 3 “深处 9 # 北 1 #1 3 道 暑l - 12 # 8 # 曼i 计 + 对 几几n几几 童3 7j5 6道 料4 # i 5 #6 #7 + 瞳盟j 5 1 8 ml 1r 7 8 4 m 。 图i 测试剖面的空间布置 2 3 2 应变片测点设计及实际布点情况： 对于2 、4 、6 等排土钉中，在每个剖面测试土钉中心l 2 处( l 为土钉 全长) 和距离内外锚固端l 5 位置处安设应变片，如图2 示，其中a 、b 、 c 分别表示所测试的每根试验土钉中应变量测点的不同位置。量测土钉的轴 向应变，进而求解土钉的内力情况以及随时问和空间分布状况。旌工中实际 安设测试土钉2 6 根( 1 3 0 米：l 根、1 1 8 米：1 0 根、9 8 米：7 根、7 8 米： 7 根、5 8 米：1 根) 。 丑鼍一上l 叫叫 f ab c l l s t4 4 - t 1 图2 土钉中应变计的安放位置 各测试应变片的实际位嚣如下： 内锚端 中南大学博士后工作报告 黄常渡 岩卜工程新技术及应用研究 测点1 1 剖面( 直墙) ： 2 排( 测试土钉第一层) ：布三个点( 1 1 - 8 米中2 8 中：2 3 6 米、5 9 米、 9 4 4 米) 4 排( 测试士钉第二层) ：布三个点( 原设计为9 8 米西2 5 土钉，后因 设计更改为1 1 8 米中2 8 钢筋，实际测点为距离外端1 9 6 米、4 9 米、7 8 4 米) 6 排( 测试土钉第三层) ：布三个点( 7 8 米巾2 8 中：1 5 6 米、3 9 米、 62 4 米) 测点2 - 2 、3 - 3 、4 - 4 、5 - 5 剖面( 直墙) 布置情况相同，均为： 2 排( 测试土钉第一层) ：布三个点( 1 1 8 米巾2 8 中：2 3 6 米、5 9 米、 9 4 4 米) 4 排( 测试土钉第二层) ：布三个点( 9 - 8 米中2 5 中：1 9 6 米、4 9 米、 7 8 4 米) 6 排( 测试土钉第三层) ：布三个点( 7 8 米中2 8 中：1 5 6 米、3 9 米、 6 2 4 米) 在3 3 剖面，因为勘察报告及原施工设计未预料的原因，该位置处原 有一化粪池，最初打眼困难无法安设土钉，后改为锚索。因该位置处于角部 ( 考虑到在2 2 剖面邻近角部已布点) ，研究后不在该位置安设测试土钉。 测点6 - 6 剖面( 直墙) ： l 排( 测试土钉第一层) ：布三个点( 5 8 米0 2 5 中：1 1 6 米、2 9 米、 3 8 4 米) 2 排 9 4 4 米) 4 排 7 8 4 米) 6 排 6 2 4 米) ( 测试土钉第一层) ：布三个点( 1 1 8 米0 2 8 中：2 3 6 米、5 9 米、 ( 测试土钉第二层) ：布三个点( 9 8 米巾2 5 中：1 9 6 米、4 9 米、 ( 测试土钉第三层) ：布三个点( 7 8 米0 2 8 中：1 5 6 米、3 9 米、 测点7 7 剖面( 直墙) ： 3 排( 测试土钉第一层) ：布三个点( 1 1 8 米m 2 8 中：2 3 6 米、5 9 米、 9 4 4 米)因该点2 排在进行方案讨论前已安设土钉，故改为3 排 4 排( 测试土钉第二层) ：布三个点( 9 8 米中2 5 中：1 9 6 米、4 9 米、 7 8 4 米) 6 排( 测试土钉第三层) ：布三个点( 7 8 米中2 8 中：1 5 6 米、3 9 米、 6 2 4 米) 测点8 8 剖面( 直墙) ： 中南大学博士后工作报告黄常波 岩土工程新技术及应用研究 3 排 94 4 米) 4 排 7 8 4 米) 6 排 6 2 4 米) ( 测试土钉第一层) ：布三个点( i i 8 米击2 8 中：2 3 6 米、5 9 米、 一因该点2 排在进行方案讨论前已安设士钉，故改为3 排 ( 厕试土钉第二层) ：布三个点( 9 ，8 米中2 5 中：19 6 米、4 9 米、 ( 测试土钉第三层) ：布三个点( 7 8 米0 2 8 中：15 6 米、3 9 米、 测点9 - 9 剖面( 1 ：o 1 放坡) ： 2 排( 测试土钉第一层) ：布三个点( 1 1 8 米中2 8 中：2 3 6 米、5 9 米、 9 4 4 米) ，因施工影响的原因，旌工员将其改为3 排，土钉长度和测点布置 与2 排相同。 4 排( 测试土钉第二层) ：布三个点( 9 ，8 米击2 5 中：1 9 6 米、4 9 米、 78 4 米) 测点1 0 1 0 剖而( 1 ：o 1 放坡) ： 2 排( 测试土钉第一层) ：布三个点( 1 3 米2 8 中：2 6 米、65 米、1 0 4 米) 4 排( 测试土钉第二层) ：布三个点( 1 1 8 米中2 8 中：2 3 6 米、5 9 米、 9 4 4 米) 2 3 3 主要试验材料： 1 、应变片：常温、胶基应变片，尺寸sxl = 2x7 m m ，数量2 5 0 片； 2 、导线：采用屏蔽线s v o 2 型，长度5 0 0 0 m ： 3 、9 1 4 室温快速固化环氧粘合剂：1 4 盒； 4 、绝缘胶布：塑料基若干；5 、白胶布：l o 卷； 6 、5 0 2 瞬间强力粘合剂：1 0 瓶；7 、应变片端子：若干； 8 、电烙铁：2 5 w 、4 0 w 各一个；9 、焊锡：1 卷； 1 0 、松香( 焊膏) ：1 个； 1 1 、卷尺：5 米规格一个； 1 2 、普通万用表：一个； 1 3 、小镊子：一个： 1 4 、钢锉：4 把； 1 5 、砂纸：粗、中、细各若干块； 1 6 、脱脂棉：若干；1 7 、酒精：5 0 0 克； 1 8 、仪器：y j 一5 型静态电阻应变仪一台及平衡箱二台；y j x 4 型及平衡 箱备用。 2 3 4 测试工作安排用注意事项： ( 1 ) 在进行实验前，对所有测点的应变片进行电阻最测；回路导通性测 试：同时进行绝缘性能测试；并进行仪器平衡和平衡箱平衡调节： 另外需进行未变形情况下仪器与应变片的稳定性测试，在确保贴片 质量条件下进行土钉安装测试。 中南大学博士后工作报告黄常波岩土工程新技术及应用研究 ( 2 ) 考虑到水泥浆终凝需要段时间，而在水泥浆凝结以前对土钉本身 没有加预应力。为便于比较，得到在土钉未产生变形条件下的初值 情况，一般在安设土钉后，1 2 小时一1 天内进行第一次测量。 ( 3 1 测试时间间隔为2 3 天，次，并按要求记录测试结果。在开挖初期间 隔可短一些；在土钉变形明显的时候应缩短时间间隔，若士钉出王见 明显变形，测试时间间隔应缩短为1 天次；若变形急剧应缩短到每 1 2 小时次，并即时报告。 ( 4 ) 在基坑开挖到每一道新土钉安设部位并准备安设新一道新土钉时， 应该测试已有土钉的应变结果，以便于研究不同土钉问相互影响情 况。 ( 5 ) 测试时，对不同剖面的不同土钉、同一剖面的不同土钉的测点、同 一土钉不同测点应注意结果的比较；若发现异常，应圾时查清原因， 如果系因基坑变形过大引起土钉内异常，应及时提出报告，以便及 时采取必要的补救措施。 ( 6 ) 当基坑开挖至设计深度( 主要是西边坡) ，可进行一段时问的跟踪测 试，并与变形观测结果进行对照，当结果趋向稳定或低于测试控制 中出现的最大应变，表明土钉变形与内力不再有明显变化，即可停 止测试。 2 3 5 应变测试结果及分析 2 3 5 1 应变量测结果 按照实验设计要求进行了应变的量测工作。记录结果如附表一至表九。 2 3 5 2 测试结果分析 ( 1 ) 总的规律 土钉安设之初，土钉应变增加明显，当开挖面至下一道土钉位置时，其 上一道的土钉已开始承载，正因为土钉的承载作用，在开挖完毕后的较短时 间内，基坑变形就趋于稳定，这时土钉的应变达到最大值，而不再出现明显 变化。 总体上讲，土钉应变较小，最大拉伸应变值为3 6 6ue ( $ 2 8 m m 钢筋， 按钢筋弹性模量e = 2 1 0 g p a ，折算拉力为4 7 k n ) ，与国外类似研究相比( 如德 国某基坑实测土钉最大拉力8 0 k n 等 程良奎等著，岩土加固实用技术，地 震出版社1 9 9 9 5 ，一般螺纹钢筋弹性极限应力时对应应变值在1 0 0 0l ie 左 右。因此十钉拉力与变形结果在正常的控制范围内。据笔者所知，与国内同 类工程相比，本应变测试得到了一组较为完善、全面的空间分布数据。图3 为部分土钉应力实测曲线。 中南大学博上后= 作报告黄常波岩十工程新技术及应用研究 2 0 中南大学博士后工作报告黄常波岩土丁程新技术投应用研究 图3 土钉应力随时间变化曲线。 土钉应力随时间变化曲线表明，土钉安设之初，土钉应力增长速率较大 中南大学博士j 青工作报告黄常渡岩土t 程新技术及应用研究 这也说明，当基坑产生较小的变形时，土钉就开始承载，随时间推移，土钉 应力趋于稳定。 就本基坑而言，第二排土钉应力在安设后3 0 - 3 5 天左右就基本稳定， 第四排土钉应力在安