土钉墙支护技术在广州凯华城基坑中的应用

土钉墙支护技术在广州凯华城基坑中的应用

1地下范围图2广州凯华市通常有两层地下空间，只有东部一层。地下室东西向总长约416m,其中2层地下室部分长296m,南北向总宽约146m。由于场地周围高程的差异,2层地下室部分基坑的挖深为:西边12.3m、南边10.7～11.9m、北边10.7m。1层地下室部分基坑挖深仅约4m,故本文仅叙述2层地下室部分的基坑情况。地下室周围建筑物状况为:(1)场地西边紧临高2层、宽约2～3m的浅基础建筑物。其为临时商铺,待凯华城建成后将被拆除。在基坑施工许可的条件下要求地下室的布置尽可能地靠近该建筑物,因此该段基坑为直立侧壁,且距浅基础建筑物的距离约1.5m。(2)地下室南边西段距用地红线约4～9m,距红线外9层高的桩基础建筑物大于20m。南边东段距高3及4层的浅基础建筑物约11m。(3)地下室北边距用地红线的距离大于40m。2项目的地理条件2.1地下水开环分析工程场地为拆迁重建区,自上而下各土层依次为:(1)杂填土层(Qml):主要由砂粒、粘性土及淤泥质土组成,局部含少量砖块及碎石,稍经压实。层厚h=0.7～3.4m,多为1.3～2.7m。(2)冲积层(Qal):①粉质粘土及粘土层,h=3.0～6.8m,标贯N=6～16击,平均击,呈可塑状;②中粗砂层,部分钻孔中揭露,呈透镜体出现,h=0.7～3.4m,N=6.3～15击,击,多呈稍密状。(3)残积层(Qel):为粗砂岩风化残积之粉质粘土及粉土,h=1.2～11.2m,层顶埋深1.3～8.9m,在基坑西边埋深较小。粉质粘土层主要出现在基坑西边,N=7.6～14.1击,呈可塑～硬可塑状。粉土N=14.4～30击,击,呈中密状。(4)基岩风化带:场地下卧基岩为石英质粗砂岩。①全风化带,部分钻孔中揭露,h=1.4～6.5m,层顶埋深9.4～13.6m。N=37～52击,击,呈密实状;②强风化带,h=0.9～9.9m,顶面埋深11.2～17.2m。场地地下水主要受大气降水补给。杂填土层中含有一定量的上层滞水;粘性土层透水性差,含水贫乏;场地中局部揭露的中粗砂层,砂粒间有少量粘性土充填,透水性稍弱。粉质粘土层渗透系数k=0.1m/d。2.2室内土工试验根据地质报告中各土层状态的描述、现场标贯试验击数、室内土工试验资料,结合类似工程参数取值的经验,并参照《广州地区建筑基坑支护技术规定GJB02-98》附录B及文,该工程主要土层物理力学参数取值见表1所列。3基础防护设计3.1支出计划的确定3.1.1基坑边坡支护如前所述该基坑工程的规模相当大,合理经济的支护方案对工程造价的控制具有举足轻重的作用。支护方案的选择是在综合考虑基坑的开挖深度及形状、场地地质条件及周边环境等多因素的基础上进行的。土钉墙支护造价低廉,在经济上具有明显的优越性,目前在基坑工程中得到广泛应用。该基坑挖深10.7～12.3m,在开挖深度范围内基坑边坡主要为可塑状冲积粉质粘土及可塑～硬可塑或中密状残积土(粉质粘土或粉土),适宜于土钉墙支护。该基坑西边紧临两层高的浅基础建筑物,对基坑变形的控制要求较高。较之桩(墙)锚支护,土钉墙支护基坑的变形往往不易有效控制。尤其是基坑边坡的沉降,由于土钉施工时的开孔效应,在通常情况下(未对建筑物地基进行加固)较大的沉降几乎是难以避免的。为此在基坑西边亦设计了桩锚支护方案,经比较其造价明显高于土钉墙支护。另外考虑到基坑西边的建筑物将在凯华城建成后拆除,属将拆迁的临时建筑物,在保证安全的前提下轻微的开裂是许可的。因此,在技术经济比较的基础上,对该区段仍决定采用土钉墙支护。3.1.2砂层范围止水措施设置在基坑支护设计中关于地下水的处理主要从如下两个方面考虑:(1)基坑的涌水量是否大到影响基坑及基础工程的正常施工;(2)基坑降水对周围环境的影响是否在容许范围内,即基坑降水引起的周围地面及建筑物的附加沉降是否在容许范围内。在该基坑东边及北边的多个钻孔中揭露出冲积砂层,且厚度变化较大,其分布范围的大小及与外部水体有无联系尚无法定断。但由于砂层的存在,施工降水的影响范围将大为增加,为避免大范围降水对其他建筑物可能带来的不利影响,并减小施工过程中基坑的排水量和在砂层中的施工难度,拟在基坑北边及东边砂层出现的范围设置一道搅拌桩止水帷幕。搅拌桩直径55cm,相邻两桩搭接15cm,桩底进入砂层底面下1.0m。该基坑工程主要地层为冲积粘性土层及残积层,透水性差,含水贫乏。因此从基坑及地下室施工的角度看,在基坑边无砂层的西边及南边不需要采用专门的止水措施,施工过程中在基坑内排水即可满足要求。地下水位降低引起的地面沉降为式中:H为计算点水位线的下降距离;hi为降低后水位线以上第i层土底面至原水位线的距离;hj为降低后水位线以下第j层土底面至降低后水位线的距离;γw为水的重度;Ei,Ej分别为土的变形模量。由于基坑底面以下土层处于三向受力状态,计算其压缩变形时,变形模量相对取高值。基坑开挖降水引起的基坑周围土体中水位的降低由近至远将逐渐减小,因此降水引起的地面沉降亦即如此。距基坑最近的为西边北段的2层楼房。该处因降水而产生的地面沉降取该段地质条件相对较差的ZK39孔的地质资料分析。原地下水位高程8.0m,基坑范围内地下水位取基坑底面。采用“大井法”公式估算得该处地下水位的降低为6.2m。将有关数据代入式(1)计算得。由于地下水位降低引起的地面沉降相对均匀,加之该楼房的宽度较小(B=2～3m),故不会产生明显的沉降差,该沉降值是可接受的。因此该基坑在无砂层的西边及南边不需要采取专门的止水措施。3.2设计目标的选取该工程地下室北边及南边西段距已有的桩基础建筑物有较大距离,设计目标为保证基坑边坡的稳定。而基坑西边紧临、南边东段靠近浅基础建筑物,在保证基坑边坡稳定的基础上,控制基坑变形以保证附近建筑物的安全则是设计的主要目标。故西边及南边东段是该基坑支护设计的难点及重点所在。3.2.1支护结构的设计本着确保基坑边坡稳定、有效控制基坑变形、优化设计参数合理降低支护工程量的原则,在该基坑土钉墙支护设计中考虑并采取了如下措施:(1)在场地许可的条件下采用一定坡度的放坡。这样既可以明显地减少支护工程量,又对控制基坑的水平变形十分有效。综合考虑场地条件及方案的经济合理性等因素,在基坑南、北两边采用约1:0.2或1:0.6的放坡。(2)在边坡上部采用长短相间布置的土钉。对于垂直或近于垂直的基坑侧壁,短土钉的长度约为钉头至坑底的距离hn,长土钉的长度约为2～2.5hn。短土钉的存在使土钉的间距不致过大而具有明显的成墙作用,有利于基坑侧壁的局部稳定。长土钉的存在使土钉的端部锚固段能进入变形较小的深、远区域,从而增强了土钉的抗变形能力。这样不但有利于控制土钉墙的水平变形,而且因土钉的平均长度并未明显增加而控制了工程造价。在该基坑的大部分地段均布置了长短相间的土钉。(3)在重点地段为有效控制基坑的变形,在基坑的中上部适量设置了预应力锚杆。对垂直开挖的基坑西边在第2,4,6排土钉中,对开挖深度大(12.0m)、坑壁较陡(约1:0.2)的南边西端部在第2,4排土钉中,对靠近浅基础建筑物的南边东段在第2,4排土钉中均相间布置了预应力锚杆,以代替长土钉。锚杆预应力值按静止土压力确定,第2排锚杆的预应力F=200kN,第4排锚杆的预应力F=380kN。考虑第6排锚杆已位于基坑中偏下部,且土质较好,故取与第2排锚杆相同的预应力值。(4)在需垂直开挖的重点地段基坑西边,为防止开挖过程中的局部坍塌及控制基坑变形,沿基坑边缘设置了竖向微型钢管桩进行超前加固。(5)基坑南边东段附近高3及4层的浅基础建筑物为永久民房,些许开裂都可能导致较大的纠分和经济损失,有效控制该段建筑物的变形显得尤为重要。对其水平变形控制的措施为:①采用了约1:0.6的放坡;②设置了两排预应力锚杆。为减小土钉施工“开孔效应”引起民房过大沉降,除预应力锚杆外,土钉底端均不伸入民房范围。另外在该处形成连续的搅拌桩止水帷幕,以维持该处地下水位。(6)在难以成孔的杂填土及砂层中可根据施工需要采用锚管。对南边东段民房旁的第1排土钉要求采用锚管以发挥其注浆加固土体的作用。3.2.2土钉墙边坡锚杆验算及调整在设计中,首先根据同类工程的设计经验初拟土钉墙的结构参数,再据规范对单根土钉的参数进行验算及调整,而后按文采用圆弧滑动条分法对土钉墙边坡作整体稳定验算,再据计算结果调整锚杆的设计参数直至得出合理的结果。在基坑边坡安全系数计算中,地面活荷载按15kN/m2计,设计中采用简化Bishop法计算。基坑各典型段的土钉墙支护如图1～4所示。3.2.3降低基坑挖深设计实施过程中较明显的变化有如下两点:(1)设计时基坑深度为11.1～12.8m。施工过程中据建设单位提供的资料基坑挖深减少了0.63m,前述基坑挖深10.7～12.3m是最终的实际深度。(2)近浅基础民房的南边东段,因临时铺设高压电缆的要求,需在地面上填土约1m高,故对第3,4排土钉采取了加大长度和增大锚筋直径的措施,图4中给出的是该段最终实施的设计。4基本构建监测4.1基础建筑物观测在基坑的重点地段——西边及南边东段进行了重点监测:(1)按约25m间距布置测斜孔,西边5孔,南边东段2孔;(2)在西边布置3个锚杆测力计,南边东段布置2个;(3)对该两段的浅基础建筑物进行沉降观测;(4)在基坑南边东段的浅基础建筑物旁布置3个水位孔观测地下水位的变化。4.2监测结果4.2.1基坑侧壁水平变形基坑西边水平变形测斜监测典型结果如图5,6所示。在基坑开挖到底约1个月的时间内,图5所示的CX02测孔处基坑侧壁的较大水平变形达到40～60mm,图6所示的CX03测孔处基坑侧壁的较大水平变形达到70～100mm。若忽略图5,6中个别明显的突出点,从图5,6的整体图形来看,基坑的水平变形呈整体平移式。基坑南边东段浅基础建筑物旁基坑侧壁水平变形监测结果如图7所示,水平变形最大值30mm,呈上大下小的倾斜式,且在基坑开挖到底后水平变形的增量较小。4.2.2锚索拉拔力计力损失由图8可见,Φ32钢筋锚杆张拉锁定时拉力为76～128kN,未达到设计要求的预应力(拉力)200kN。随着基坑开挖及时间的延长,钢筋锚杆的拉力呈增大的趋势,增加到119～214kN,增量为17～118kN。使用锚索拉力计对预应力锚索的张拉锁定力进行了试验测试及监测,对张拉力与锁定力之间的关系先后进行了3次试验:(1)无夹片情况试验,千斤顶荷载读数与锚索拉力计拉力读数差异在10%以内,表明二者拉力一致,均属合格产品。(2)带夹片张拉锁定试验,锚索计的拉力读数为千斤顶荷载的60%,锁定后10mm锚索计读数为56%。结果表明,夹片与钢绞线之间摩擦力高达千斤顶荷载的40%,造成了张拉力的大量损失。(3)带夹片张拉锁定试验,更换了夹片,锚力计拉力为千斤顶荷载的86%,锁定后10min锚力计拉力仅为40%,可见尽管锁片的摩擦力损失减少,但锁定回弹造成的预应力损失却十分大。可见两批锁片与锚具的匹配均不适宜,难于达到设计要求的锚索预应力(拉力)380kN。据施工情况判断,多数锚索的预应力应同第(2)种试验情况。由于种种原因,锚索拉力计被安装在基坑的西北角,对基坑西边的大部分而言不具代表性。锚索拉力随时间的变化如图9所示,随着施工的进行,锚索拉力呈增大趋势。4.2.3地下水位变化在基坑南边东段浅基础建筑物傍布置的3个水位孔的水位变化如图10所示,该图取水位孔孔口为0.00m。5为补充工程中的问题和处理在基坑施工过程中出现如下几个主要问题:(1)基坑内河坡面排水系统在基坑南边西段及西边开挖到约5～6m深时尚未挂网喷混凝土前曾出现了几次局部坍塌,高度约为锚杆排距,长度数米。据反映,在基坑西边坡面渗水相对明显是出现局部坍塌的原因之一。引起局部坍塌的另外2个主要原因是:①开挖面暴露时间偏长;②锚杆施工时,紧靠基坑侧壁开槽用做循环水池,致使坡面长时间泡水软化。随后采取了相应的措施,基本上排除了较大坍塌的出现。(2)预应力锚索锚杆刚度与支护体的刚度由前述的预应力锚索张拉锁定试验可见,其锁定时的有效预应力值仅为设计要求值的56%,两者相差较多。在基坑边坡的变形过程中,锚杆注浆段(非自由段)的受力非常复杂,在实际中要确定锚杆的等效自由段(或等效锚固段)是困难的。该工程设计要求预应力锚索锚入岩层中的长度不小于3m,锚杆的预留自由段为5m。表2中给出了假定等效自由段的长度及其对应的锚杆(索)刚度。由表中数据可见,锚索的刚度比钢筋锚杆要小得多。该工程中估计锚杆等效自由段的长度约为(0.6～0.8)L。为便于说明问题,对钢筋锚杆等效自由段取大值0.8L,对钢绞线锚索等效自由段取小值0.6L。对钢筋锚杆,其平均预应力(拉力)约100kN,达到锚筋的受拉承载力值249kN所需的变形增量为16.5mm,这在基坑工程中容易达到。而对锚索,达到设计要求的预应力值380kN所需要的变形增量为40mm,达到锚筋的受拉承载力值443kN所需的变形增量55mm。可见,要有效地发挥预应力锚索控制变形的作用,必须达到足够的预应力值。(3)基坑围岩结构及基坑支护情况由图5,6可见,基坑西边出现了较大的水平变形,CX02测孔的最大水平变形达6cm,基坑2/3深度范围内的水平变形已达到或超过3cm。CX03测孔的最大水平变形达12cm,基坑2/3深度范围内的水平变形已达到或超过5cm。基坑西边出现过大水平变形的主要原因如下:①基坑施工过程中,曾在西边03#测孔北侧5m左右、深约2.5m处发现一根废旧的直径约Φ200mm的陶土排水管,涌水量较大,当时在距基坑边约2m处进行了封堵处理。由于陶土排水管的管节间会有较大的漏水,在封堵后形成有压水的条件势必对其周围的土体产生较强的软化作用,并对支护结构形成一定的水压力。对此设计者曾多次要求在距基坑较远的上游截断来水,在基坑边拆封放水。由于客观原因,无法采取这一措施而仍然维持原状。②预应力锚索远未达到设计要求的预应力值。③在CX03测孔最大变形点附近曾出现局部坍塌。基坑西边因浅基础建筑物的存在按一级基坑的标准控制其变形(参见广州地区建筑基坑支护技术规定GJB02-98),即该变形小于基坑挖深的2.5‰(31mm)且不大于30mm。若从基坑稳定的角度来看,则可按二级基坑的标准来评价基坑的变形,即基坑挖深的4‰(49mm)且不大于50mm。图5中除-1.0m(相对于地面)外,水平变形不超过6cm。图6中除一2.5及一6.0m外,水平变形多在70mm内,尤其在—4.5m处水平变形约为50mm,且在后期无大的变化。该高程与预应力锚索的位置对应,表明在变形达到50mm时锚索对水平变形的继续发展起到了明显的限制作用。图6中-2.5m处过大的水平变形是由于该处附近在施工过程中出现的局部坍塌引起的,并非基坑西边全面出现的情况。另外,由图1所示的基坑西边支护结构布置来看,在-2.5m处出现滑动破坏可能甚小。因此预应力锚索所在的-4.5m是基坑总体变形的一个控制性关键点。总的来说基坑西边总体水平变形为50～60mm,与二级基坑的变形控制要求相当。基坑开挖到底后正值雨季,且工程桩——挖孔桩的施工也在进行,但水平变形的发展总体上呈收敛及稳定的趋势。对变形最大的CX03测孔,其关键点-4.5m处的水平变形除略有波动外,基本上未增加。对于已开挖到底的基坑,变形发展趋势是基坑稳定性判断的最重要手段。从这点看基坑应是稳定的。如前所述,基坑西边变形控制的主要目的是保护紧临的2层高浅基础建筑物。据目测该建筑物无明显的开裂现象,其中的商铺一直在正常营业,仅个别商铺拉闸门的开关不如原来灵活。距基坑西边4～5m的围墙外的地面仅有一些小的裂缝。总之,从基坑外商铺及地面的外观情况看,基坑已有的形尚可接受。从以上各方面的分析看,基坑边坡的稳定及临近商铺的安全均无大的问题。毕竟基坑西边的最大水平变形已相当大