公安大学住宅楼基坑垂直锚喷支护设计施工与测试分析

1、公安大学住宅楼基坑垂直锚喷支护设计施工与测试分析唐玉文 钱建春 石健 刘祯荣摘要 文章阐述了土钉施工的工艺方法、土钉的应力随时间的变化的测试情况，经过土钉支护施工后，不同地层层位的应力结果分析。关键词 土钉支护 应力 应变 测试1 工程概况公安大学部校东联建住宅楼工程位于北京市西城区木樨地公安大学院内，拟建工程由南北三座塔楼和一栋十三层的住宅连接体组成，总建筑面积60245m2，地下两层，地上二十层，基坑面积约6422m2，基坑周长约336m，基础埋深10.0m，局部埋深13.0m。根据该工程的岩土工程勘察报告，可知场地的地面标高为47.3748.66m。表层为人工堆积的粉质粘土填土、局部房渣

2、土层，其一般厚度为1.202.00m，局部较深处为2.703.40m；其下为第四纪沉积的粉砂、砂质粉土层，与重粉质粘土、粉质粘土及粘质粉土、砂质粉土的交互层；于标高40.4642.69m以下为细砂、粉砂层，卵石层，圆砾层及局部粘质粉土层；标高33.9936.99m以下见重粉质粘土、粉质粘土层与粘质粉土、砾质粉土层；再以下于标高30.9532.76m见卵石层，局部细砂、中砂；标高28.8529.29m见重粉质粘土、粉质粘土层；再向下标高24.7726.54m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37.9732.86，埋深14.65m15.80m。2 方案设计与

3、施工2.1方案设计根据场地的工程地质和水文地质条件及周边情况，对基坑支护方案进行分析比较后采用土钉支护，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，采用直墙喷射砼后抹水泥砂浆抹平，铺设防水卷材后作基础结构外墙的模板。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1.4m，土钉倾角10，土钉直径为130mm，土钉水泥浆体强度设计为20MPa，土钉水泥浆配比为0.5。采用25、28两种直径钢筋，土钉长度为5.813.0m不等。喷射砼设计强度C

4、20，施工配合比采用水泥：砂：碎石：外加剂=1：2：2：0.03，喷射厚度为100mm，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 (8880巢湖牌速凝剂，掺量为水泥重量的3，MD-5防冻剂，掺量为水泥重量的3，早强减水剂掺量为水泥重量的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5cm的变形要求，设计上在西坡直立坡中段60m范围第二排土钉间每隔2.8m设计长15m，孔口一端带有螺纹的预应力锚杆，注浆后待水泥浆体强度达70后(三天)，于喷射砼面层上安放300mm300mm6mm中间钻有30mm直径孔眼的钢垫板，安装螺母施加少量预应力。这样，既增加了土钉长

5、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WC由0.5改0.40.45，适当提高注浆压力。钢筋网片：8200200mm，保护层厚3050mm，另外为保证坡顶稳定，在坡顶做1.5m的钢筋砼翻边，总的工程量为：土钉共1700根，计14267延长米，砼喷射面积3402m2，砼翻边面积495m2。2.2施工工艺控制在施工工程中，严格按照方案进行施工，工艺流程如表1。施工工艺流程 表1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

6、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。施工过程中控制坡顶位移我们采取如下措施： (1)遇砂层和砂质粉土层，严格按设计要求分层、分段开挖，开挖长度控制在5-6m，挖一段，喷锚一段。(2)限制开挖面裸露时间，尽快加以支护，分段开挖到初喷砼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-8-10时仍在10以上。用525#水泥代替425#水泥，提高水泥浆强度。(4)土钉间与网片联接由原来的“井字形”改为“水平横向拉结筋和上下层斜拉筋”。解决了粉细

7、砂层坍塌的难题。(5)在喷砼和注浆体强度未达设计强度的40以上，不能开挖下一层。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(98年11月30日)，喷砼与注浆体强度未达C20的40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16mm和30mm(最大值产生的另一原因是在分段开挖西侧时，一次开挖长度达20余米)。 (6)为保证边坡的垂直和平整性，由测量人员在垂直边坡的土体面上，垂直钉入上下共同两排长70cm8mm钢筋，沿边坡长度方向间距不超过l0m，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，以确保

8、砼面层不吃结构。(7)协调土方开挖与土钉墙施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，否则易造成局部土体坍塌或坡顶产生裂缝。在本工程施工中曾出现过此情况。3测试3.1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5cm)和坡顶下沉；同时为确保工程安全、经济、高效(垂直土钉墙直接充当外墙模板使用)；并为以后同类工程的设计施工提供有价值的参考依据，特做土钉应变测试研究。考虑到基坑不同部位放坡角度有所差异，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

9、精度，同时包容各个不同剖面，测试剖面布置如图l所示，分别在图中各剖面位置2、4、6排土钉上布置应变片(土钉长度分别为11.8m、9.8m、7.8m)。 在每个剖面测试土钉中间L2处(L为土钉全长)和距离两端L5位置处安设应变片，如图2。量测土钉的轴向应变，进而了解土钉的内力情况以及随时间和空间分布状况。施工中实际安设测试土钉共计26根。一般在安设土钉后12小时24小时内进行第一次测量。以后测试时间间隔为23天/1次，如变化明显，适当缩短时间间隔。当基坑挖至设计深度(主要是西边坡)，可进行一段时间的跟踪测试，并与变形观测的结果进行对照，当结果趋向稳定或低于测试控制中出现的最大应变，表明土钉变化与

10、内力不再有明显变化，即可停止测试。3.2位移观测与沉降观测因为基坑的三面边坡直墙喷锚抹灰后要用做基础部分的结构外墙模板，所以边坡的垂直度和平整度是直接影响结构施工质量的关键。在施工中，控制人工修坡的平整度和喷锚以及抹灰的厚度，保证边坡的质量；同时密切注视坡顶的水平位移和垂直沉降，以观测结果指导下一步施工。为满足监测控制的要求，同时考虑到基坑西侧直坡长达105.4米，设计和施工上对坡体的变形要求很高，故在西侧坡顶布设了5个位移观测桩点，桩点距离坡顶0.5m。在基坑东、南、北三面共设了8个位移观测点。其中2号位移观测桩点与应变测试剖面5在同一剖面上。它们之间的宏观微观关系见后面分析。从1998年1

11、2月16日1999年1月5日，我们对基坑坡顶的水平位移和沉降进行了连续观测，一般每天观测1次，变形量加大时，增加观测频率为每天2次甚至更多。4测试结果分析4.1应变测试4.1.1总的规律土钉安设之初，应变值增加明显，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，这时土钉的应变值达到最大，而不再出现明显变化。根据实测，与国外类似研究相比(如德国某基坑实测土钉最大拉力80kN等)，土钉应变较小，最大拉伸应变值为366(28mm钢筋，折算拉力为47kN)。据笔者所知，与国内类似工程相比，应变测试得到了一组较为完善、全面的空间

12、分布。土钉应力随时间变化实测曲线(图3)表明，土钉安设之初，土钉应力增长速率较大，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30-35天左右就基本稳定，第四排土钉应力在安设后25天左右就基本稳定，第六排土钉应力在安设后15天左右就基本稳定。图3 土钉应力随时间变化曲线.4.1.2同一剖面处不同层位土钉应力结果分析(参见图4)同一剖面处不同层位土钉应力关系曲线表明，对于本基坑土钉墙中土钉受力量大的部位在第24层土钉间，由于具体的地层条件不同，受力的最大点有所变化，即相对于基坑深度而言，土钉受力最大区域在基地深度中部偏上部位

13、，这与太原煤矿设计研究院对原位加筋土钉复合陡坡的原位试验及理论分析结果基本相符。图4 同一剖面处不同层位土钉应力结果分析4.1.3同一层位不同剖面应力结果分析(参见图5)同一层位不同剖面应力关系表明：同一层位土钉中点应力因具体的地层条件不同而不同，但其变化规律大致相同，比较突出的是剖面4处土钉应力明显比其他剖面处大，这是因为在此处基坑西北角外侧有一个化粪池，使得该处原设计的土钉无法施工而在剖面4处形成一个类似自由端的断面。后采取预应力锚索对该处进行了局部加固。图5同一层位不同剖面应力结果分析4.1.4同一土钉上不同部位结果分析在开挖阶段后期，土钉拉力进入稳定阶段，稳定阶段土钉应力分布情况如图6

14、所示(图中结果为12月26日的测试计算结果)，由图6可知，总体上讲，基坑上部土钉(如一、二、四排)拉力略大于基坑底部(如六排)土钉拉力，这与基坑上部土体水平位移大于底部位移一致。对每根土钉而言，土钉内力分布是不均匀的，实测表明：多数情况下土钉拉力在土钉杆体中部最大，往两端逐渐变小；有的土钉内力在靠近外锚端时较大(即A点处)，这与土体的临界破裂面(潜在滑移面)位置变化有关，因为靠近潜在滑移面位置土钉内力往往达到最大；对A、B、C位置拉力比较表明，靠近内锚(C位置)拉力最小，这说明对土钉墙的设计并不是土钉长度越长越好，长度的加长并不能显著增加锚固力，反而造成材料浪费。值得探讨是，根据设计软件进行计

15、算时，有关土体的原始参数的选取会直接关系到设计结果和工程的安全性和经济性；当第一层土体开挖深度较大时，第一排土钉长度选取问题只要土体产生位移，第一排就会受力，因此第一排长度不宜太短，短了对控制土钉墙的坡顶变形不利。图6土钉墙稳定阶段土钉力分布情况4.2位移观测4.2.1沉降分析基坑坡顶沉降变化曲线(图7)表明基坑坡顶各位移观测桩点的沉降量基本一致，差别不大，由于观测精度的原因，且有上下波动。总的变化趋势：随着基坑的开挖逐渐加大，开挖到底后即趋于稳定。图7基坑坡顶沉降变化曲线4.2.2水平位移分析基坑坡顶水平位移变化曲线(图8)表明：基坑开挖后短期内坡顶水平位移基本上没有大的变化，只有当基坑开挖

16、至一定深度(约0.4H)时，水平位移变化才比较明显。由图8a中2#测点可见变形量有4个明显的突跃，其他几个测点有不同的显现。这是因为本工程工期紧，喷射混凝土和注浆强度没有完全达到设计要求就向下开挖所致；同时也暴露了土钉墙支护具有当开挖深度加大后，变形量显著增大的缺陷。说明对于超深大基坑或对支护结构变形要求较高时，土钉墙支护是不太适宜的。图8 基坑坡顶水平位移变化曲线4.3应变测试与坡顶水平位移的关系初探土钉应力与坡顶水平位移关系曲线(图9)表明：宏观上的水平位移观测曲线与微观上的土钉应力变化曲线趋势一致。图中还表明应力下降不变段也对应于水平位移不变段，只是土钉应力变化趋势超前于宏观上所观测到的

17、坡顶水平位移变化。所以从根本上讲，以宏观上的水平位移变化作为推测土钉墙稳定与否，只能是一种事后补救措施。在保证土钉墙支护结构整体稳定和安全，避免更大损失的意义上是值得进一步探讨的。图9 土钉应力与坡顶水平位移的关系曲线5几点结论 .深基坑土钉墙直立边坡兼作外模板必须严格控制坡顶水平位移，我们从设计方案上、施工工艺和施工速度上、信息化施工三方面采取综合控制措施，保证了基坑位移未超过3cm，工期一个月。并获得了深基坑土钉墙中应力应变变化关系的空间分布。从中得出以下结论：1、宏观上对坡顶水平位移与微观上的土钉应力变化关系曲线趋势一致，且应力下降不变段也对应于水平位移不变段，但土钉应力变化趋势超前于宏

18、观观测的水平位移变化。因此，以宏观观测的水平位移变化来判断土钉墙的稳定与否是一种事后补救措施，值得进一步探讨。 2、土钉应力随时间变化的关系：土钉应力在安设之初增长速率极大，随后趋于稳定。各剖面第二排土钉应力在安设后3035天左右基本稳定。第四排约25天，第六排约15天。此时土钉应变值达到最大而不会出现明显变化。 3、同一剖面处不同层位土钉应力变化关系：观测结果表明，土钉墙中土钉受力最大的部位在第24层土钉间。相对基坑深度而言，土钉受力最大区域在坑深中部偏上部位(0.4H)(由于地层条件不同，受力最大点有所变化)。总体上基坑上部（一，二，四排）拉力略大于基坑底部(六排)土钉拉力。这与基坑上部土体水平位移大于底部位移一致。 4、同一层位不同剖面土钉中点应力变化：对每层位不同剖面土钉中点应力因地层不同而不同。但其变化规律大致相同 (从安设初应力增长速率较大随后趋于稳定) 。 5、同一土钉上不同部位土钉内力分布关系：对每根土钉而言，土钉内力分布是不均匀的。土钉拉力在土钉中部最大，往两端逐渐变小。也有些土钉内力在靠近外锚端(即近开挖面)较大。这与土体潜在的滑移