土釘與錨桿聯(lián)合支護的設(shè)計和施工

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1、工程概況 
    該工程位于北京大學(xué)校園內(nèi)，擬建建筑為24層框架結(jié)構(gòu)塔樓，附設(shè)4層結(jié)構(gòu)裙樓，24層塔樓基坑深度為地面以下11.3m，裙樓基坑深度為地面以下7.88m。場地地層主要有人工填土、第四紀(jì)沖洪積成因的粘性土、粉土等組成，依上而下為：
    (1) 人工堆積層（厚約2.0m） 
    (2) 砂質(zhì)粉土、粘質(zhì)粉土層（厚約2.0m） 
    (3) 粉質(zhì)粘土、重粉質(zhì)粘土層（厚約1.0m） 
    (4) 粉質(zhì)粘土、粘質(zhì)粉土層（厚約5.0m） 
    (5) 砂質(zhì)粉土、粉砂層（厚約2.0m） 
    (6) 粘質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土層（厚約5.0m） 
    2、工程設(shè)計 
    本工程由主樓和裙樓組成，并要求在基坑四周保留一個循環(huán)車道?；又ёo設(shè)計采用了土釘墻和樁錨相結(jié)合的方案。裙樓全部采用常規(guī)土釘墻施工方案；在主樓的西南角設(shè)置16根護坡樁，其余地方采用土釘與預(yù)應(yīng)力錨桿相結(jié)合的設(shè)計方案。
    (1) 降水方案：采用大口徑管井和砂井相結(jié)合的降水方案。 
    主樓井深26.0 m，井距為9.00 m。自滲砂井孔深24.0 m，孔距為3.00m。 
    裙樓井深16.0 m，井距為9.00 m。自滲砂井深14.0 m，井距為3.00m。 
    (2) 基坑支護設(shè)計方案 
    a) 樁錨設(shè)計方案 
    樁頂位于地表處,樁徑：φ600，樁長：16.00 m，樁中心間距：1.2m。 
    主筋： 7Φ25＋6Φ22，采用Ⅱ級熱軋鋼筋，通長不均勻配筋。 
    加強箍筋：Φ14＠2000；螺旋箍筋：Φ6＠200。 
    樁身使用C25砼，鋼筋保護層厚度50mm。 
    錨桿位置：地面下4.50 m； 
    錨桿布置按“兩樁一錨”，即錨桿間距2.4 m； 
    錨桿體自由段長度為：5.0 m； 
    錨桿錨固段長度為：17.0 m； 
    錨桿總長度為：22.00 m。 
    錨桿體選用d15普通松弛鋼絞線，配置3 d15鋼絞線；鋼絞線抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值：fptk≥1570N/mm2。
    樁頂設(shè)置圈梁，圈梁為 600×400，配主筋為6φ22，在距西南角西側(cè)和南側(cè)各3m處設(shè)置600×400斜梁，斜梁配筋為12φ22。砼強度為C25。
    b) 主樓土釘墻設(shè)計方案 
    基坑按1:0.1放坡。 
    第一排土釘在地面以下1.50的位置。 
    第一排土釘水平間距為1.2m，其余各排土釘水平間距為1.5m，土釘垂直間距為1.5m，土釘傾角15°，土釘主筋為Φ22。
    第二、三排采用預(yù)應(yīng)力錨桿，第二排預(yù)應(yīng)力錨桿的鎖定荷載為60KN。第三排預(yù)應(yīng)力錨桿的鎖定荷載為100KN。
    面層加強鋼筋為Φ14，土釘成孔直徑不小于100mm，面層混凝土厚度不小于100mm，土釘（錨桿）的具體長度如下： 
    第1排土釘長9.00 m 
    第2排錨桿長12.00 m 
    第3排錨桿長12.00 m 
    第4排土釘長9.00 m 
    第5排土釘長7.00 m 
    第6排土釘長6.00 m 
    第7排土釘長6.00 m。 
    c) 裙樓土釘墻設(shè)計方案 
    基坑按1:0.1放坡。 
    第一排土釘在地面以下1.50的位置。 
    第一、二排土釘水平間距為1.2m，其余各排土釘水平間距為1.5m，土釘垂直間距為1.5m，土釘傾角15°，土釘主筋為Φ22。土釘?shù)木唧w長度如下：
    第1排土釘長8.00 m 
    第2排土釘長8.00 m 
    第3排土釘長7.00 m 
    第4排土釘長6.00 m 
    第5排土釘長5.00 m。 
    3、工程施工 
    (1) 降水 
    a) 主樓的降水井較深，已經(jīng)進入了卵石層，而裙樓的降水較淺，沒有進入卵石層。降水井點施工完成以后，經(jīng)過抽降，發(fā)現(xiàn)主樓降水井的自滲效果較好，即使在不抽水的情況下，其水位也穩(wěn)定在地面以下16m左右。而裙樓的降水井幾乎沒有自滲作用，接電抽水以后，經(jīng)過幾分種水泵即斷流，說明降水井的補給供不上水泵的流量；但停泵以后，經(jīng)過一段時間降水井的水位又回升上來了。
    b) 經(jīng)過開挖檢驗，發(fā)現(xiàn)基槽底部沒有滯水，說明降水效果良好。但在土釘錨桿施工過程中，主要是第三排錨桿和第四排土釘施工時，隨著土釘深度的增加，土釘施工過程中所帶出的土體由潮至濕、到最后成為稀泥，有的孔在土釘錨桿施工以后，有水從孔中流出，有的孔出水太大甚至無法注入水泥漿。在土釘墻施工完成以后，仍有5-6個錨桿孔流水，有的孔中的水流還帶有壓力，一會兒水量大，一會兒水量小，怎樣會出現(xiàn)這種情況，經(jīng)分析認為主要是由于土體的不均勻性、土體中存在裂隙所引起的，土釘錨桿施工時遇到了地下滲水途徑很可能引起這種情況。
    (2) 支護施工 
    a) 由于錨桿較長（22 m），其長度超過了降水的有效范圍，在錨桿施工過程中，當(dāng)錨桿長度超過9m以后即有稀泥流出。為了保證施工質(zhì)量，確保錨桿的鎖定荷載，為此采取了一定措施：對設(shè)計方案作了適當(dāng)修改，由原來的兩樁一錨改為一樁一錨，把錨桿的鎖定荷載相應(yīng)降低；確保從孔底注漿，注漿時用清水把泥漿從孔底頂出，并把孔壁泥漿破壞，然后從孔底注入素水泥漿；在素水泥漿中加入適量膨脹劑，以充分破壞孔壁泥漿，確保施工錨桿能滿足張拉鎖定荷載的要求。
    b) 在土釘墻施工時，一定要把鋼筋網(wǎng)片位于噴射混凝土的中間，特別對于第二、第三錨桿來說更為重要，因為錨桿需要施加預(yù)應(yīng)力，如果不把鋼筋網(wǎng)片居中，錨桿張拉鎖定時，噴射混凝土面層會被壓裂。
    c) 在土釘和錨桿的施工時應(yīng)做好保護架的綁接、焊接工作。在降水后的土釘墻支護施工中，由于降水效果及降水有效范圍的影響，土釘（錨桿）孔中往往有水及泥漿，如果土釘（錨桿）的保護架間距太大或制作不合理，往往會造成土釘（錨桿）的保護層不夠，甚至根本沒有保護層，土釘直接放在泥漿中，對土釘墻施工質(zhì)量造成嚴(yán)重不良影響。
    4、出現(xiàn)問題的解決 
    (1) 施工過程中出現(xiàn)的問題 
    在主樓西南角的護坡樁施工完成以后，即開挖土方，開始土釘墻支護施工。按設(shè)計方案及施工要求，一切均順利進行，至5月31日裙樓的第四排土釘已經(jīng)完成，主樓的第五排土釘也已施工完成，經(jīng)過變形觀測沒有發(fā)現(xiàn)明顯的變形。在主樓第五排土釘墻施工時，由于土體的裂隙很發(fā)育，清土錨噴時出現(xiàn)了一定的坍塌，對此采取了一定的措施，通過減少開挖工作面，加快錨噴施工速度，使坍塌的地方及時得到了處理，并保證噴射面層的后面沒有空洞存在。這時候的變形觀測結(jié)果表明西側(cè)邊坡只有5mm的變形，南側(cè)的變形較大，約有13 mm。
    1998年6月1日下了一場大雨，雨量太大，工地四周的雨水管道都滿了。由于現(xiàn)場雨水較多，土方無法開挖，到6月3日才開挖西側(cè)下一步土方，施工主樓第6 步土釘墻。為了防止土方開挖以后土體坍塌，連夜進行噴射施工，到凌晨 2 時才完畢。6月4日早晨6時，基坑西側(cè)邊坡外1.5 m處出現(xiàn)裂縫，和西側(cè)邊坡平行，從護坡樁附近一直到裙樓處，而且發(fā)展速度較快，到8時裂縫已很明顯，經(jīng)過經(jīng)緯儀器測量發(fā)現(xiàn)，這時候西側(cè)變形已有30mm左右，但沉降量更大，最大處約有100 mm左右，距離護坡樁約1.5 m的部位沉降和變形最大，向裙樓方向逐漸減少，且以4 mm/h的速度發(fā)展。經(jīng)過8個小時左右的觀測，發(fā)現(xiàn)變形速度減少了，但變形并沒有穩(wěn)定，最后于6月4日下午3時用挖掘機把這部分回填至地面以下6m的位置。 
    (2) 處理措施 
    事情發(fā)生后有關(guān)單位的專家對工程進行了分析討論，認為應(yīng)采取以下措施：用挖掘機把這部分進行回填，確保不出現(xiàn)惡性安全事故；對西側(cè)兩排錨桿重新進行鎖定，以檢驗在如此大的變形情況下錨桿是否破壞。經(jīng)過重新張拉鎖定，發(fā)現(xiàn)西側(cè)兩排錨桿完好如初，沒有發(fā)生破壞。 
    根據(jù)現(xiàn)場破壞情況及錨桿的檢驗情況，認為破壞是由于某種原因造成土釘墻局部下座、土釘墻體剛度不足以抵抗下挫力造成的。故采取了如下加固措施： 
    a) 在第二排錨桿與第三排錨桿之間及第三排錨桿下40cm，增加兩排9m的土釘，土釘間距為1.2m。在護坡樁附近沉降變形最大的部位，在第二排錨桿上部40cm處增加15根土釘，并用加強筋將其連接。土釘鋼筋用Φ32，加強鋼筋用Φ22。 
    b) 上述兩排土釘施工結(jié)束后，在原第五排每兩個土釘孔的中間加一個長6 m、直徑2英寸的鋼管型土釘。
    c) 在施工完上述鋼管型土釘后，用加強筋將其連接。然后分段向下開挖，剪開先前所掛鋼筋網(wǎng)，清除浮土，并填實，重新掛網(wǎng)噴射混凝土。
    d) 在原第六排土釘與第七排土釘之間加打一排6 m長的土釘，土釘水平間距為1.2 m。土釘鋼筋用Φ22。
    加固方案施工完畢以后，6月14日開挖最后一步土釘，經(jīng)過變形觀測發(fā)現(xiàn)，土方開挖完畢以后又有10mm左右的變形。但支護施工完成以后，觀測沒有發(fā)現(xiàn)明顯的變形，這和預(yù)先分析的結(jié)果比較一致。 
    (3) 原因分析 
    一般情況下土釘墻支護結(jié)構(gòu)的變形及破壞有以下幾種：①在非預(yù)應(yīng)力土釘墻支護結(jié)構(gòu)中，在預(yù)定的滑裂面附近出現(xiàn)裂縫，這是土釘墻施工中的正常情況；②土釘墻局部發(fā)生破壞，這可能是由于噴射混凝土面層滑落造成的，也可能是由于加強鋼筋焊接不牢引起的；③土釘墻整體破壞，這可能是由于土釘設(shè)計過短或別的原因引起的。但象本工程發(fā)生的破壞形式還很少見。在分析事情發(fā)生的原因時，存在著很大的爭議，矛盾的焦點集中在支護模式上：一種意見認為土釘和錨桿相結(jié)合的模式在理論上行不通，土釘是非預(yù)應(yīng)力的，錨桿是通過施加預(yù)應(yīng)力來限制其變形的，兩者是矛盾的；而且土釘（Φ22鋼筋）是剛性的，錨桿（鋼絞線）是揉性的。這些是引起事故的主要原因。 
    筆者認為巖土工程特別是基坑支護是一門實踐性很強的學(xué)科，經(jīng)驗對工程設(shè)計和施工很重要。實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，模式的正確與否應(yīng)由實踐來檢驗。筆者也考慮到土釘和錨桿受力原理的差異，在施工中盡可能把錨桿張拉的時間向后放，以便土體有一定的變形，土釘有一定的受力后，再進行張拉，而且第二排錨桿張拉的荷載較小，第三排錨桿張拉的荷載較大，當(dāng)施工到地面以下 6.0 m時才進行了兩排錨桿的張拉鎖定。在同一工地，使用同一設(shè)計方案、同一施工工藝，南側(cè)邊坡完整良好，西側(cè)邊坡出現(xiàn)了這種破壞，筆者認為土釘和錨桿相結(jié)合的模式不是造成基坑西側(cè)邊坡下座的主要原因，在以后的施工中也證實了筆者的觀點?；又ёo完成以后，施工單位在硬化基坑四周的環(huán)形路面時發(fā)現(xiàn)，在基坑西側(cè)沉降變形最大的地方附近有一個雨水井，主管道一側(cè)是通的，和別的雨水井相連，另一側(cè)堵死了，有一個小管道直接通向基坑邊坡。這種情況發(fā)現(xiàn)后，筆者作了認真分析，認為雨水的大量灌入是造成事情發(fā)生的主要原因。在基坑西側(cè)1.5m以外地下有一道磚墻，可能是原先某一結(jié)構(gòu)的外墻，其走向和基坑西側(cè)邊坡平行，6月1日下雨以后，雨水太大，不斷有雨水經(jīng)管道沿磚墻滲入地下土體之中，在雨水的浸泡之下，土體被軟化，土體的凝聚力不斷減小，土體強度減小到一定程度，即發(fā)生這種情況。
    5、結(jié)論 
    (1) 土釘墻支護的構(gòu)造方法能最為有效的發(fā)揮現(xiàn)場監(jiān)控和信息化施工的優(yōu)點，可以根據(jù)現(xiàn)場挖掘和成孔過程中發(fā)現(xiàn)的土體實際情況與監(jiān)控量測數(shù)據(jù)及時進行反饋設(shè)計并調(diào)整支護的參數(shù)和施工方案。由于土體狀況多變并難以準(zhǔn)確預(yù)測，土釘墻支護的這一優(yōu)勢使其具有相當(dāng)高的安全可靠性。
    (2) 在有降水的基坑支護中，降水雖然能夠保證基槽底部土層干燥、結(jié)構(gòu)防水層順利施工，但不能把所有的滯水全部蔬干。故在土釘墻支護設(shè)計時，應(yīng)考慮降水效果，留有足夠的安全系數(shù)。
    (3) 在土釘墻基坑支護施工中，水的影響因素是很大的，對基坑支護結(jié)構(gòu)的安全性有重大影響。支護施工時應(yīng)對基坑四周各種管道進行詳細了解，切實較少各種水源對基坑支護結(jié)構(gòu)的影響。
    (4) 本工程雖然出現(xiàn)了一些事情，但這不能否定土釘墻與錨桿相結(jié)合的模式在土釘墻基坑支護中的應(yīng)用?；又ёo完成以后，經(jīng)過重載及雨季的考驗，南側(cè)邊坡及西側(cè)邊坡都沒有明顯的變形，工作狀態(tài)良好，這說明設(shè)計方案及所采用的加固方案是合理的、可行的。