土钉墙和高压旋喷桩在泛海·花园基坑中的应用

2010-04-23汪志鹏

水电站设计 2010年2期

汪志鹏

(江西省赣西土木工程勘测设计院,江西宜春 336000)

1 前言

基坑支护设计与施工是我国城市基本建设工程的重要关键问题,随着经济的高速发展,高层建筑愈来愈多,由于受周边环境的限制,比如毗邻旧建筑或道路、地下管网等,如何科学地进行支护体系设计和施工,是高层建筑基础施工必须首先解决的课题。本文结合“泛海·花园”工程的实际情况,较详细地介绍了高层建筑深基础挡土支护和防水体系的设计和施工。

2 工程概况

拟建的泛海·花园场地位于贵阳市南山区前海填海区,介于前海物流区、大南山生态公园和旅游度假公园之间,北临月亮湾大道,南临荔枝路。该工程包括地下室一层、2栋 18层及 1栋 21层高层住宅。现场分为两个区域,区域Ⅰ(深基坑)基坑底标高为-0.65m,区域Ⅱ(浅基坑)基坑底标高为 1.40m;现场坪高为 5.15m,基坑支护高度分别为 5.80m和3.75m。本工程离周围建筑物较近,土方开挖无法进行放坡护坡。根据土质情况,通过现场勘察和技术分析,综合考虑经济、技术、施工、条件与工期等因素,支护结构采用土钉墙喷锚支护。基坑底部位于第二层淤泥质粉质黏土上,局部有砾砂,为确保基坑的稳定性和防水性,要求对基坑进行加固和防水设计,防水帷幕采用高压旋喷桩。

3 工程地质情况

3.1 岩土条件

根据本工程的地质工程勘察报告:地貌属山前滨海地貌,经填海改造,但现场较为平坦,地面标高平均为 5.15m。基坑开挖深度范围内土层分布大致为:①填石;②-1淤泥质粉质黏土;②-1砾砂;③砂质黏性土。

3.2 地下水

上部人工填石层含上层滞水,接受大气降水和地表水的补给,一般水量不大;局部砾砂层含孔隙水,为强透水层,是主要含水层,厚度较大,水量较大;强风化岩及中风化岩裂隙较发育,但多被泥质充填,含少量裂隙水。稳定水位埋深 2.20～3.50m,平均2.89m。

4 支护方案设计

土钉墙是由天然土体通过土钉墙就地加固并与喷射混凝土面板相结合,形成一个类似重力挡墙来抵抗墙后的土压力,从而保持开挖面的稳定,这个土挡墙称为土钉墙。土钉墙是通过钻孔、插筋、注浆来设置的,一般称砂浆锚杆,也可以直接打入角钢、粗钢筋形成土钉,也称为喷锚网挡墙。本工程采用土钉加固原位土体以维护基坑稳定,支护结构由土钉和钢筋网喷射混凝土面板组成,局部与预应力锚杆结合,形成复合土钉墙;同时为确保基坑的稳定性和防水性,止水帷幕采用高压旋喷桩对基坑进行加固和防水设计。基坑表面荷载由挡土结构承担,挡土结构一般应考虑以下荷载:(1)自重;(2)施工阶段的水、土压力及邻近建筑物基底压力产生的土压力;(3)地面堆载、车辆或机械等活载及其产生的土压力;(4)其它荷载,包括通过支撑对土钉墙施加的预压力以及在基坑附近进行的工程活动(如地层加固、开挖)对墙体产生的作用力等,必要时应考虑支撑温度变化的影响。土钉墙通过握裹力和摩擦力把基坑表面荷载传至基坑深部。

4.1 止水帷幕桩

对地层进行人工降水防止高水位,可采用旋喷桩。在旋喷桩正式施工之前,应选定典型地层,进行旋喷桩工艺和成桩效果试验,成桩后 3天,开挖出桩体,成桩的直径不得小于设计要求,否则应改进施工工艺。采用的高压旋喷桩,桩径1100mm,间距 900mm。桩顶标高自然地表下 -0.53m,有效桩长 15m,单桩彼此交割 100mm。喷素水泥浆,水灰比为 0.5左右。高压旋喷桩水泥用量:在砂层及卵石层不小于 500kg/m,其余地层不小于 350kg/m。桩位偏差不宜大于 50mm,垂直度偏差不宜大于 1.0%。在砂层及卵石层采用复喷工艺:在第一次喷射注浆结束后对砂层及卵石层进行第二次喷射注浆。在填石层中施工旋喷桩,需要引孔后再施工。

4.2 土钉墙喷锚支护结构设计

基本参数如下:(1)基坑深度 3.750m;(2)基坑内地下水深度 4.000m;(3)基坑外地下水深度3.000m;(4)基坑侧壁重要性系数 0.900;(5)土钉荷载分项系数 1.250;(6)土钉抗拉抗力分项系数1.300;(7)整体滑动分项系数 1.300。

土钉和土层参数见表1、2。

表1 土钉参数

表2 土层参数

土钉支护需要分层开挖,应该进行以下四个工况计算:

工况 1:基坑开挖至 1.1m;

工况 2:基坑开挖至 2.4m,完成一道土钉墙支护;

工况 3:基坑开挖至 3.7m,完成两道土钉墙支护;

工况 4:基坑开挖至设计深度 3.75m,完成三道土钉墙支护,开始底板浇筑。

需要计算土钉抗拉能力标准值 Tjk和拉力设计值Tj。

土钉的抗拉作用具体计算为该土钉与破裂面交点处的土钉拉力。简化后的破裂面与土钉相交处的土钉抗拉能力标准值 Tjk可计算如下:

式中 LB——土钉伸入破裂面外约束区内长度,m;

τf——土钉与土体间的抗剪强度标准值(一般由试验资料确定,如果无试验资料,可由该处土体抗剪强度换算),kN/m2。

每根土钉产生的拉力可假设为作用土钉所控制坡面面层上的侧向土压力。由于面层上的侧向土压力是随着土钉设置深度的增大而增大,由此最底层的土钉上的拉力最大,其值可按下式计算:

式中 Tj——土钉的拉力设计值 ,kN;

hm——最底层土钉的深度,m;

Sx,Sy——土钉间的水平间距和垂直间距,m;

γ——土的容重 ,kN/m3;

β,φ——边坡坡角和土的内摩擦角 ,(°)。

土钉抗拉设计计算结果见表3。

表3 土钉抗拉设计结果

计算完拉力后还需对土钉墙进行内部和外部稳定性分析。进行内部稳定分析是为保证土钉墙本身的稳定,常采用极限平衡分析法,找出临界破坏面的位置并给出相应的安全系数。对于土钉原位加固土体,当土钉达到一定密度时所形成的复合体就会出现类似锚定板群锚现象中的破裂面后移现象,在土钉加固范围内形成一个“土墙”,在内部自身稳定得到保证的情况下,采用重力式挡墙的稳定性分析方法对其进行外部稳定性分析。

4.3 土钉墙施工

(1)土钉采用 φ25钢筋制作,土钉长度、间距不等,采用梅花形布置。土钉设计抗拔力为 100kN。土钉施工成孔困难时可采用压浆型钢花管土钉替代,杆体为 φ48δ3.0钢花管。钢花管土钉的设计抗拔力按照 8kN/m确定。

(2)土钉外露长度不小于 80mm。土钉头部用2根加强钢筋 φ16压紧焊牢。网筋采用 φ6@200×200,加强筋 2φ16通长。

(3)土钉孔位和孔深允许偏差均为 50mm,成孔直径 100mm;土钉注浆材料为纯 P.O.32.5R普通硅酸盐水泥浆,水灰比 0.5,水泥浆应随拌随用,常压灌注(注浆压力为 0.6～0.8MPa);注浆必须密实饱满,注浆管应绑扎在土钉上,插至距孔底 300mm处。如是钢花管注浆,则只需要将注浆管直接插入管中离底部 500mm处即可。