钢管桩与土钉墙组合支护技术在工程中的应用

第11卷第1期工程技术通讯2011年2月EngineeringTechnologyCommunication·PAGE14·2011-01-0910:35:07相似比：4.76%钢管桩与土钉墙墙组合支护护技术在工程中的应用用用研究市政分公司郑筱筱筱彦杨德德良摘要：本文以北北北京鲁谷谷深基基坑支护护工程程为背景景，在在对国内内外相相关研究究成果果进行深深入分分析的基基础上上，采用用现场场监测、理理论论分析和和数值值模拟相相结合合的方法法，着着重探讨讨钢管管桩与土土钉墙墙组合支支护技技术在深深基坑坑工程分分步开开挖过程程中，支支护结构构和土土体的受受力和和变形特特性以以及两者者之间间的相互互作用用。关键词：钢管桩桩桩+土钉墙；；基基坑开挖挖；数数值计算FLACC3DD；基坑监监测测1前言土钉支护自2220世纪70年代产生生以以来，由由于其其明显的的优点点[1,22]]而在国内内外外得到了了迅速速的发展展。但但土钉支支护仅仅适用于于有一一定胶结结能力力和密实实程度度的砂土土、粉粉土和砾砾石土土、素填填土、坚坚硬或硬硬塑的的粘性土土以及及风化岩岩层等等[3]。为为了了使土钉钉支护护结构能能够在在更为广广泛的的地层中中使用用，就必必须对对土钉支支护结结构中的的部分分构件进进行改改进或在在土钉钉支护的的基础础上添加加辅助助构件，复复合合土钉支支护便便是这种种改进进的产物物[44]。微型型钢钢管桩复复合土土钉墙系系指，基基坑开挖挖前，沿沿基坑开开挖线线外侧以以一定定间距垂垂直施施工一排排微型型钢管桩桩，与与分步设设置的的土钉和和喷射射混凝土土面层层协同作作用，形形成具有有一定定的抗剪剪、抗抗弯、抗抗拉、抗抗压作用用的支支护结构构复合合体。微微型钢钢管桩施施工流流程通常常为：：成孔—注浆—插管—养护—冠梁[5]]。钢管管桩复合合土钉钉组合支支护是是一种新新型的的支护结结构，是是复合土土钉墙墙中的一一种。它它克服了了土钉钉墙不适适用于于松散砂砂土、软软土、流流塑粘粘性土的的局限限性，拓拓宽了了土钉支支护的的应用范范围，支支护结构构图参参见图1。但是目前对微型型型钢管桩桩复合合土钉墙墙尚没没有成熟熟的计计算模型型。现现有的设设计计计算中对对钢管管桩在该该支护护结构中中的贡贡献的认认识多多存在如如下不不足：①把钢管桩桩当当作坡前前桩，视视为其刚刚度无无限大，完完全全固定，或或把把钢管桩桩当作作注浆花花管，只只考虑其其抗拉拉作用；②把钢管桩桩当当作抗剪剪构件件[6]，仅仅考考虑其抗抗剪力力对稳定定性的的贡献；③更多的设设计计中干脆脆不考考虑其贡贡献，仅仅当作安安全储储备，故故造成成过度设设计。本论文拟结合工工工程实例例对基基坑工程程钢管管桩与土土钉组组合式支支护结结构进行行的研研究，以以期可可对一些些类似似基坑工工程的的开挖和和支护护提供借借鉴和和参考作作用。2工程概况本工程为鲁谷GGG8044#地块住宅宅及及配套项项目2#楼等4项土方石石方方破碎开开挖、基基坑支护护工程程，施工工地点点位于石石景山山区鲁谷谷半月月园公园园西侧侧，占地地面积积54588mm3，建筑面面积4300000m2。2.1场地周周周边环境境拟建场区位于鲁鲁鲁谷G804地块西北北方方向，西南侧为为鲁鲁谷四号号路，西西北侧为为鲁谷谷南路，东东北北侧为半半月园园花园，东东南南侧为校校区道道路。基坑西侧结构边边边线距离离用地地红线仅40cm，红线外1m处为拟建建的的电力管管沟，该该管沟采采用混混凝土管管直埋埋，埋深1.5m～2m间44，间距30m设一电缆缆井井，井深2.5～3.0m，电缆井井距距离红线线距离离20～30cm。此电缆缆沟沟在基坑坑开挖挖前完成成并投投入使用用。距距离红线2.0m为鲁谷四四号号路，路路宽8m，路西侧侧距距离基坑20m外为3栋23层高住宅宅楼楼。西侧侧鲁谷谷四号路路下规规划管线线较多多，由近近至远远依次有有电信信、雨水水、污污水、热热力、中中水，在在基坑坑开始施施工时时要首先先确认认该部分分管线线是否已已经施施工，若若已经经施工，则则需需调整支支护设设计，进进行避避让和保保护。除除此之外外，西西侧路边边距基基坑上口口约2m处有一排排树树木，在在施工工过程中中应适适当采取取保护护措施。基坑北侧距离红红红线仅1m，红线外5.9m处有一热热力力泵房，高高约约4m。南侧结构距离红红红线1m左右，红红线线外为小小区道道路，宽宽约5m，路南有有一一层平房房，该该侧居民民楼距距基坑约20m。东侧为半月园花花花园，此此侧无无重要建建构筑筑物，但但距离离红线约4m处有一排排树树木，树树高约约5m，在不影影响响树木的的情况况下可进进行一一定的放放坡支支护，在在需要要的情况况下可可对树木木进行行保护。工程地理位置及及及周边环环境可可参见图2。图1钢管桩复合合土土钉支护结结结构图图2工程地理理位位置及周周边条条件图2.2工程地地地质条件件根据建设综合勘勘勘察研究究院提提供的《北京石景景山山区鲁谷G804地块项目目地地勘报告告》和《北京京石石景山区区鲁谷谷G804地块项目目西西侧周边边地质质补充调调查报报告》，钻钻探探深度范范围内内场地地地基土土沉积时时代及及成因类类型自自上而下下依次次为：①杂填土：杂色色色，稍湿，较较松散，主要要为碎砖、水水泥块等建筑筑垃圾，含少少量风化碎石石和粉质粘土土，局部夹①1素填土；该该层揭露厚度度为0.60～5.50m，层底标高62.27～68.099m。①1素填土：：黄褐褐色～黄黄灰色，稍稍湿湿～湿，可可塑塑。以粘粘质粉粉土为主主，局局部为粉粉质粘粘土，夹夹少量量灰渣、砖砖渣渣、碎石石。②粉质粘土～粘粘粘质粉土：：黄黄褐色，湿湿，含含云母、氧氧化化铁，夹夹有碎碎石块，局局部部近砂质质粉土土，可塑塑，主主要在西西区可可见，东东区大大部缺失失。该该层揭露露厚度度为0～6.200m，层底标标高59.885～68.0099m。③粘土：棕红色色色，为红粘粘土土，湿，硬硬塑塑～可塑塑，含含云母、氧氧化化铁，夹夹有大大量风化化碎石石块，土土工试试验反应应出该该土性质质极为为不均，因因此此本层土土的状状态及物物理力力学性质质通过过土工试试验、原原位测试试和剪剪切波速速测试试数据综综合判判定，该该层在在西区较较厚，揭揭露厚度1.80～6.200m，层底标标高54.112～59.7766m；在东区区较较薄，揭揭露厚厚度0.20～2.400m，层底标标高60.995～67.1199m。④强风化白云岩岩岩：灰白～～灰灰色，为为蓟县县系硅质质白云云岩，局局部夹夹石英和和燧石石，呈条条带状状分布，质质地地坚硬，为为较较硬岩。钻钻进进困难，岩岩体体破碎，岩岩体体局部裂裂隙极极为发育育，有有溶蚀孔孔，钻钻进中漏漏浆严严重。岩岩体基基本质量量等级级为IV级，风化化较较强烈，结结构构破碎，碎碎裂裂状结构构，局局部呈现现为夹夹粘性土土薄层层。该层层上部部局部为④1全风化白白云云岩，其其下为为④2中风化白白云云岩，最最大揭揭露厚度度为13.5500m。④1全风化白云云岩：：灰白～～灰色，风风化化强烈，岩岩石石结构己己破坏坏，呈散散体状状结构，岩岩体体基本质质量等等级为V级，局部部为为残积土土，其其岩石结结构已已完全破破坏，具具可塑性性，侵侵水极易易软化化。2.3地下水水水本次勘察期间，20米深度内内未未见地下下水，因因此在支支护过过程中不不考虑虑降水。3基坑支护方案案案3.1支护选选选型本工程场地狭窄窄窄，地下下室外外墙线距距离红红线仅0.4～1.0m，且南北北及及西侧支支护不不能超过过红线线，则必必须采采用直坡坡开挖挖支护，东东侧侧可适当当放坡坡。北京地区常用的的的基坑支支护型型式主要要有以以下几种种类型型：桩锚锚支护护类型、上上部部土钉墙+下部桩锚锚支支护、复复合土土钉墙、单单一一土钉墙墙和放放坡挂网网喷护护等，依依据本本工程的的特点点，如采采取桩桩锚支护护，护护坡桩施施工受受白云岩岩影响响很大对对质量量、安全全、工工期和造造价均均不利，且且施施工过程程很难难满足不不超红红线的要要求，而而且西侧侧可能能会与即即将施施工的电电缆沟沟检修井井位置置发生冲冲突，因因此选择择合理理的支护护形式式至关重重要。综合各种因素后后后，本工工程基基坑支护护的型型式是复复合土土钉墙支支护，西西北侧建建筑基基础边线线距红红线距离离仅为为40cm，且红线线外1m为电缆，埋埋埋深为1.5～2.0m，无放坡坡条条件，南南北两两侧可适适因距距离红线线较近近，也无无放坡坡条件，仅仅东东侧可适适当放放坡。对对直坡坡开挖的的西、南南、北三三侧施施工钢管管桩超超前支护护，设设计思路路是以以岩石层层顶面面为分界界，以以上采取取复合合土钉墙墙支护护，以下下采取取岩石破破碎后后直立面面自然然稳定。考考虑虑到岩面面埋深深变化较较大，支支护时按按岩层层埋深最最深的的土层情情况进进行支护护选型型、计算算，最最大限度度的保保证即使使岩层层埋深变变化较较大也能能保证证顺利支支护到到基底。岩岩石石与土层层结合合部位土土钉需需用潜孔孔钻机机成孔，为为与与上部普普通土土钉区别别现定定义为“岩钉”。根据现现场场条件、地地层层条件等等，将将整个支支护范范围划分分为如如图3剖面。图3基坑支护平平面面布置图基坑西、南、北北北侧：开开挖深深度10.770～14.6655m，直坡，钢钢钢管桩复复合土土钉墙支支护。共共分为五五个小小剖面；；基坑坑东侧：：开挖挖深度10.9900~133.445m，1：0.20放坡，复复合合土钉墙墙支护护，分为为三个个小剖面面。各各剖面参参数详详见表1。表1各剖面参数数统统计表剖面地面标高槽底标高开挖深度放坡系数岩层埋深西侧I－I1-5轴-0.8-13.2512.45直坡12.8mII－II5-10轴-0.8-15.4514.65直坡10.7mⅢ-Ⅲ10-14轴-0.8-13.2512.45直坡10.4m北侧IV-IVA-D轴-0.0-13.2513.25直坡9.0mV-VD-G轴-0.0-10.7010.70直坡9.0南侧VI－VI-1.5-13.2511.75直坡11.4m东侧VII－VIIII1-1/4轴+0.2-10.7010.901:0.29.1mVⅢ-VⅢ1/4-10轴轴轴+0.2-13.2513.451:0.211.7mⅨ-Ⅸ10-14轴+0.2-13.2513.451:0.28.2m3.2施工难难难点西区场地地层在在在开挖范范围内内存在少少见的的白云岩岩，从从地勘报报告看看岩石埋埋深达达8m至11m，甚至更更深深，岩面面起伏伏较大，成成为为支护施施工过过程中的的难点点之一；；本工工程支护护的另另一个难难度是是由于岩岩层的的走向和和倾角角尚不确确定，因因此无法法准确确判断基基坑开开挖后会会不会会引起局局部滑滑坡，这这些还还要根据据基坑坑开挖后后的岩岩层面的的情况况来判断断。对策：如果发生生生此类险险情,将及时调调整整方案,可将最后后一一层土钉钉加长长、加大大入射射角度，并并根根据岩层层松散散程度增增加岩岩层土钉钉以确确保基坑坑安全全。3.3监测结结结果分析析3.3.1基坑坑坑围护变变形监监测内容容基坑监测对象主主主要为自自身围围护结构构和基基坑周边边环境境。基坑坑的监监测内容容主要要与基坑坑的安安全等级级有关关，并结结合基基坑支护护形式式、围护护体变变形大小小和对对周边环环境的的影响程程度，有有针对性性地选选择相应应的监监测项目目、编编制监测测方案案。为了保证基坑开开开挖的顺顺利进进行，结结合本本工程的的实际际现场情情况，沿沿基坑坡坡顶或或桩顶间间距约约为15m布置一个个观观测点，基基坑坑支护等等级一一级，按按照北北京市地地方标标准《建建筑基基坑支护护技术术规程》中中规规定，一一级基基坑水平平位移移控制值值为0.00022h，沉降控控制制值为20mm，预警值值取取控制值值的70%；并做好好周周边建筑筑物和和重要管管线等等设施的的变形形监测和和裂缝缝观察。本文选取底板施施施工过程程中，基基坑沉降降监测测和周边边建筑筑物沉降降监测测两项内内容进进行分析析。3.3.2监测测测结果分分析3.3.1.111基坑沉降降监监测结果果分析析监测时间201110年2月4日至2010年3月3日，各项项内内容监测测频率率1d/次。主要要针针对累计计沉降降量测量量数据据进行汇汇总整整理，基基坑沉沉降监测测点布布置17个，累计计沉沉降量与与监测测时间关关系图图参见图4、图5。图4N1至至至W4累积沉降降量量与监测测时间间关系图图5WW5至W12累积沉降降量量与监测测时间间关系图图从上图图图可知，沉沉降降主要发发生在在基坑开开挖过过程中，最最大大沉降量量达到到4.188mmm，在底板板施施工过程程中，沉沉降量变变化不不明显，钢钢管管桩+复合土钉钉墙墙组合支支护结结构沉降降变形形量明显显小于于单一土土钉墙墙支护结结构，主主要是由由于钢钢管桩的的超前前支护，控控制制了土体体的变变形，改改变了了单一土土钉墙墙被动受受力状状态。3.3.1.222周边建筑筑物物监测结结果分分析监测时间201110年2月5日至2010年3月1日，各项项内内容监测测频率率3d/次，由于于周周边环境境复杂杂，布置48个监测点点，选选取有代代表性性的监测测点进进行分析析，见见图6。图6周边建筑累累积积沉降量与与与监测时时间图图由上图可知，钢钢钢管桩+土钉支护护结结构与单单一土土钉墙支支护结结构相比比，钢钢管桩与与土钉钉墙的组组合支支护结构构更能能控制好好周边边建筑的的变形形，基本本上变变形量控控制在在5mm之内。此此种种支护结结构较较桩锚结结构造造价要低低的多多，而且且也解解决了较较深基基坑没有有工作作面时候候的支支护难题题，从从支护结结果来来看是安安全可可行的。4数值模拟4.1计算模型型型、力学学参数数及模拟拟步骤骤以西侧II－IIII剖面为研研究究对象，支支护护结构图图参见见图7。利用“genzzoneebbricck”命令完成成基基坑建模模工作作，数值值计算算不涉及地震和和水水对基坑稳定性性的的影响以及及土土体、锚索材料料的的流变特特征，只只考虑土体自重和和附附加荷载载的作作用。沿基基坑坑切取长40m，高20m一段作为为模模拟对象象，计计算网格格如图图8所示。计算算中中支护参参数及及材料力力学参参数见表2。与施工过程步骤骤骤相同，数数值值模拟过过程分分2步组成：：（1）通过对所所有有土体单元元元赋予重重力来来实现初初始应应力，然然后在在基坑顶顶施加加应力边边界条条件来模模拟建建筑荷载载对土土体的作作用。（2）在边开挖挖边边锚固施工工工过程中中，每每级开挖挖模拟拟是设定定开挖挖空间为为零模模型并计计算若若干时间间步后后，使用用程序序自带的fish语言确定定锚锚索单元元位置置及属性性，开开挖完成成后运运行与现现实时时间相对对应的的时间步步。图7基坑构造造及钢钢管柱复复合土钉钉布置置方案示示意图图图8加固基坑坑模模型构造造图表2计算模型相相关关参数模型弹性模量（MPPPa）泊松比抗压强度（MPa）抗拉强度（MPa）黏聚力（MPaaa）内摩擦角（°）密度（kg/m3）杂填土11.10.3-0.0910101800粉土5.710.3-0.113121900粘土17600.25-0.1245141800强风化岩38000.29-2.2690242500钢管桩40000.2002700土钉210000.2007800砂浆体281.00.1751.821.488.0e225.52550锚杆210000.3-120--78004.2计算结果果果分析4.2.1位移移移分析为了更清楚的分分分析钢管管桩在在支护中中的加加固作用用，对对钢管桩+土钉墙支支护护以及土土钉墙墙支护两两种形形式进行行了模模拟计算算，对对每步土土体开开挖后的的最大大位移量量进行行统计，汇汇总总结果见见表3。表3最大位移量量汇汇总表支护方式第1步土体开挖（cmmm）第2步土体开挖（cmmm）第3步土体开挖（cmmm）第4步土体开挖（cmmm）第5步土体开挖（cmmm）第6步土体开挖（cmmm）第7步土体开挖（cmmm）钢管桩+土钉墙墙墙1.75基坑内2.29基坑内2.76坑壁3.63坑壁4.09坡顶4.58坡顶5.2坡顶土钉墙42坡顶图9钢管桩组合合支支护第一步步步开挖支支护后后位移云云图图10土钉墙支支护护第一步步开挖挖支护后后位移移云图从表333数据和图9、图10可知，由由于于钢管桩桩的超超前支护护，开开挖后土土体的的受力状状态与与单一土土钉墙墙支护形形式的的受力状状态是是不相同同的，钢钢管桩与与土钉钉墙共同同支护护形式，最最大大位移出出现在在基坑内内坑底底面处，由由上上而下呈“层状分布”，而单一一土土钉墙支支护形形式，最最大位位移出现现在基基坑坑顶顶位置置，位移移呈“圆滑状分分布”。由此可可知知，钢管管桩超超前支护护很好好的控制制了基基坑的变变形，改改变了基基坑的的应力重重分布布状态，起起到到了很好好的支支护效果果。4.2.2钢管管管桩受力力分析析从位移角度分析析析，我们们知道道了土体体的变变形特征征，但但是钢管管桩在在整个支支护过过程中是是怎样样工作的的，也也是我们们关心心的问题题之一一，通过过分析析钢管桩桩的的的水平应应力分分布情况况，可可以更好好的了了解钢管管桩的的作用机机理。（1）第一步开开挖挖支护（2）第二步步开开挖支护（3）第三步步开开挖支护护（4）第四步开开挖挖支护（5）第一步步开开挖支护（6）第一步步开开挖支护护（7）第七步开开挖挖支护图11钢管桩边边开挖挖边支护护水平应应力分分布图图11为钢管桩桩随基基坑开挖挖支护不不同工工况下，水水平平应力分分布图图，其中中定义义与X轴正方向向一一致为正正应力力，图中中用红红色表色色，与与X轴正方向向相相反的方方向为为负应力力，图图中用黑黑色表表示。从从（1）~（7）可知，第第第一步开开挖支支护后，钢钢管管桩上部部受正正应力作作用，下下部受负负应力力作用；；第二二部土体体开挖挖支护后后只有有桩中部部局部部受负应应力，其其余均为为正应应力，随随着基基坑进一一步开开挖，钢钢管桩桩整体受受正应应力，且且正应应力的大大小随随着开挖挖的进进行呈增增加趋趋势，最最大正正应力均均出现现在桩的的中部部。由上可知钢管桩桩桩在支护护过程程中，应应力之之间有一一个转转化的过过程，转转折点出出现的的位置主主要与与基坑开开挖深深度和钢钢管桩桩的长度度有关关。5结论（1）由现场监监测测资料和数数数值模拟拟结果果可知：：钢管管桩在地地质情情况复杂杂的情情况下