張祥龍，王鵬

（山東廣播電視大學(xué)，山東 濟(jì)南 250014）

某軟土基坑復(fù)合土釘支護(hù)失穩(wěn)探析與加固處理

張祥龍，王鵬

（山東廣播電視大學(xué)，山東 濟(jì)南 250014）

在分析某軟土基坑的場地工程地質(zhì)條件、周圍環(huán)境及土釘施工過程的基礎(chǔ)上,剖析了復(fù)合土釘支護(hù)失穩(wěn)的主要原因，并根據(jù)現(xiàn)場施工情況，針對性的提出了切實(shí)可行的加固方案。同時對軟土基坑實(shí)施復(fù)合土釘支護(hù)時應(yīng)注意的問題進(jìn)行了探討，并提出了若干增強(qiáng)復(fù)合土釘支護(hù)軟土基坑穩(wěn)定性的措施，以供工程技術(shù)人員參考。

軟土基坑；復(fù)合土釘支護(hù)；基坑穩(wěn)定性

一、引言

土釘支護(hù)（Soil Nailing）是一種用于基坑開挖支護(hù)或邊坡加固的擋土技術(shù)。通過在土體中按一定的間距和長度設(shè)置土釘，輔以鋼筋網(wǎng)噴射混凝土面層，形成一種復(fù)合式擋土結(jié)構(gòu)，利用釘體材料良好的抗拉和抗彎剪性能，使原有土體的穩(wěn)定和整體剛度得以增強(qiáng)。與樁、墻、撐、錨等傳統(tǒng)的支護(hù)方法相比，土釘支護(hù)具有施工快速簡便、安全可靠、結(jié)構(gòu)輕巧、造價低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)，因而應(yīng)用愈來愈廣泛。然而，土釘支護(hù)能否有效的應(yīng)用于軟粘土基坑圍護(hù)目前仍是我國學(xué)術(shù)界和工程界爭論的焦點(diǎn)。近些年來，在寧波、溫州、福州等地已有不少將土釘成功應(yīng)用于當(dāng)?shù)剀浾惩粱又ёo(hù)的工程實(shí)例，但是由于軟粘土性質(zhì)的復(fù)雜性，以及土釘支護(hù)設(shè)計和施工技術(shù)的局限性所致，亦發(fā)生了許多工程事故。為了進(jìn)一步認(rèn)識土釘支護(hù)的適用范圍，除應(yīng)深入研究軟粘土中土釘工作性能和承載機(jī)理等理論研究外，更應(yīng)該從實(shí)踐入手，總結(jié)實(shí)際工程的成敗得失，特別是汲取工程事故在設(shè)計和施工等方面的教訓(xùn)，進(jìn)而完善土釘支護(hù)設(shè)計分析理論。

本文通過研究軟粘土地質(zhì)條件下某復(fù)合土釘支護(hù)部分基坑圍護(hù)失敗的工程實(shí)例，分析了其失穩(wěn)原因，提出了切實(shí)可行的加固方案，同時對軟土基坑土釘支護(hù)應(yīng)注意的問題進(jìn)行了探討，以供工程技術(shù)人員借鑒。

二、工程概況與場地地質(zhì)條件

某“城市花園”工程由6幢高層建筑和地下室組成，基礎(chǔ)形式為鉆孔灌注樁。該工程基坑開挖深度平均為6.35m，采用放坡加水泥土攪拌樁復(fù)合土釘圍護(hù)。基坑開挖及其影響范圍內(nèi)的土層自上而下分布為：①雜填土，層厚0.50～1.50m，主要由凝灰?guī)r塊（碎）石、建筑垃圾及粘性土等人工近期堆填而成；②粘土，層厚1.00～1.30m，漢鐵錳質(zhì)結(jié)核，可塑～硬塑，局部軟塑；③-1淤泥，層厚13.10～21.60m，含有機(jī)質(zhì)及少量貝殼碎屑，流塑，飽和，高壓縮性；③-2粘土，層厚12.60～17.20m，軟塑，飽和，高壓縮性。原設(shè)計引用的基坑開挖影響深度范圍內(nèi)各土層的主要物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

三、復(fù)合土釘支護(hù)方案設(shè)計［1］

根據(jù)現(xiàn)場工程地質(zhì)條件及周邊環(huán)境條件，并結(jié)合既往工程經(jīng)驗(yàn)，本基坑工程采用復(fù)合土釘支護(hù)方案，具體形式為水泥土攪拌樁+土釘支護(hù)。復(fù)合土釘支護(hù)的最大特點(diǎn)是在保證支護(hù)體系安全、穩(wěn)定的同時還可提供諸如限制基坑上部變形，阻止邊坡土體內(nèi)水滲出以及輔助開挖面自立等作用。常用復(fù)合土釘支護(hù)可劃分為以下四類：①土釘+止水帷幕；②土釘+預(yù)應(yīng)力錨桿；③土釘+止水帷幕+預(yù)應(yīng)力錨桿；④土釘+止水帷幕+預(yù)應(yīng)力錨桿+微型樁。其中，止水帷幕可以采用水泥土攪拌樁、高壓旋噴樁或注漿等方法形成，水泥土攪拌樁止水效果較好且經(jīng)濟(jì)，應(yīng)用更為廣泛。

表1 主要土層物理力學(xué)性質(zhì)

本基坑工程采用水泥土攪拌樁，除起到止水作用外，還克服軟土自立穩(wěn)定性差不利于土釘施工的特性，并改善地下水滲流以及噴射混凝土面層與土體的粘結(jié)較差等問題，同時在保證水泥土攪拌樁插入深度的條件下，還可以增大基坑底部抗隆起、抗管涌以及防止坑后土體深部滑移的能力。

典型的土釘支護(hù)設(shè)計布置方案如圖1所示?；舆叡谠O(shè)置水泥土攪拌樁4排，樁徑600mm，平均樁長9350mm，樁距450mm，水泥摻入量15%?；由喜堪?：1放坡1.3m至標(biāo)高-3.60m，放坡平臺寬3.0m，坡面采用80厚C20噴射混凝土護(hù)面?；酉虏堪?：0.8放坡，并在豎向按一定間距設(shè)置5排土釘。坡面采用100厚C20噴射混凝土護(hù)面，內(nèi)配Φ6.5@200×200雙向鋼筋網(wǎng)片。同時，為增加基坑底部的安全，在基坑底部設(shè)置兩排通長、三排支墩式共5排水泥土攪拌樁柱墩，水泥土攪拌樁樁徑600mm，平均樁長4500mm，樁距600mm，水泥摻入量15%（參見圖1）。

圖1 典型支護(hù)剖面圖

四、復(fù)合土釘支護(hù)失穩(wěn)原因探析

（一）基坑施工過程及復(fù)合土釘支護(hù)失穩(wěn)特征

基坑坍塌位于基坑的東側(cè)，該側(cè)基坑于10月22日施工完畢最后一道土釘，于10月24日開始進(jìn)行基坑中心島開挖。在開挖過程中，為避免“坑中坑”開挖對基坑穩(wěn)定造成不利影響，在基坑開挖底邊線水泥土攪拌樁坑底加固處打入一排長度6m、間距0.5m的松木樁。10月27日，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示5#深層位移監(jiān)測孔9m處量測的位移最大值為2.6mm，累計為6.3mm，并有繼續(xù)發(fā)展的趨勢。10月30日的監(jiān)測發(fā)現(xiàn)4#、5#測斜孔的監(jiān)測數(shù)據(jù)開始超過預(yù)警值。次日在監(jiān)測過程中發(fā)現(xiàn)5#測斜管在8.5m（標(biāo)高-10.8m）處探頭無法置入，初步判斷測斜管在該深度被剪斷。約三小時后，5#測斜孔處的基坑頂部突然發(fā)生明顯沉降，短時間內(nèi)基坑底部土體隆起約2.0m，同時坑外路面沉降約1.5m，該側(cè)大部分土釘被拔出，基坑整體失穩(wěn)，原圍護(hù)結(jié)構(gòu)破壞。

（二）支護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)分析

通過對該基坑工程設(shè)計、施工過程、現(xiàn)場監(jiān)測資料以及失穩(wěn)特征的綜合分析得出造成支護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的主要原因如下：

1.基底土體進(jìn)一步卸載，是造成基坑失穩(wěn)的重要原因。失穩(wěn)發(fā)生于基坑?xùn)|側(cè)，該側(cè)的基坑大面積開挖深度考慮至承臺墊層底（墊層厚350mm）上返500mm。同時，該側(cè)在施工完畢最后一道土釘（位于基坑開挖深度6000mm處）后，第二天即進(jìn)行中心島開挖，這相當(dāng)于在數(shù)天內(nèi)要對基坑底部土體連續(xù)卸載。雖然為盡量避免中心島開挖對基坑穩(wěn)定性造成不利影響，根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)在基坑底部打入一排松木樁，但畢竟松木樁自身的剛度和強(qiáng)度較有限，當(dāng)其不能抵抗背后傳來的主動土壓力時，基坑失穩(wěn)在所難免。與此形成鮮明對比的是13-13典型剖面所對應(yīng)的部分基坑，該位置基坑復(fù)合土釘布置與東側(cè)失穩(wěn)處土釘布置相同，而基坑開挖深度則達(dá)到了6850mm，但該側(cè)基坑在開挖時一步到位至承臺底層標(biāo)高，復(fù)合土釘施工完畢后沒有對基坑內(nèi)土體再次開挖，從而避免了基坑土體再次卸載而導(dǎo)致的基坑失穩(wěn)。

2.水泥土攪拌樁入土深度不夠。如前所述，水泥土攪拌樁的作用除改善軟土自立性較差的特性外，最主要的作用是保證基坑不會發(fā)生整體滑移失穩(wěn)和基底隆起破壞，因此要求攪拌樁具有足夠的入土深度。然而在目前的復(fù)合土釘設(shè)計中，攪拌樁的入土深度具有很大的不確定性，通常是憑經(jīng)驗(yàn)設(shè)置。針對該例基坑失穩(wěn)事故，由于基坑進(jìn)一步卸載而導(dǎo)致作用在水泥土攪拌樁樁身的被動土壓力急劇減少，最終導(dǎo)致樁體被剪斷，為基坑失穩(wěn)埋下隱患。

3.由于場地勘測過程中沒有詳細(xì)對原基坑地下水位進(jìn)行勘察，導(dǎo)致基坑滲流比設(shè)計時預(yù)想的嚴(yán)重。而土釘和復(fù)合土釘支護(hù)對地下水較敏感，在地下水的作用下，其面層壓力與土釘內(nèi)力均會顯著增加，而軟粘土的抗剪性能及其與土釘之間的界面粘結(jié)能力與含水量有直接關(guān)系，過大的滲流必然對基坑安全造成不利影響。

（三）加固處理方案［2］［3］［4］［5］

根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況判斷，該基坑失穩(wěn)類型為典型的整體滑移失穩(wěn)。原基坑外部水位與勘察報告所提供的數(shù)據(jù)有較大出入，因此加固處理方案中在保證經(jīng)卸土處理后的新基坑整體穩(wěn)定性、抗隆起和抗滑移外，應(yīng)著重考慮止水問題。在綜合分析現(xiàn)場以及周邊臨近建筑情況后，采用如下加固處理方案：

1.在基坑頂部打入三排長度為9m，間距為500mm的豎向土釘和三排樁長17.0m，樁徑800mm，樁距600mm，水泥摻入量為15%的高壓旋噴樁，并用200厚C20鋼筋混凝土壓頂。設(shè)置豎向土釘主要是考慮避免高壓旋噴樁和鉆孔灌注樁的施工對已失穩(wěn)的土體產(chǎn)生過大擾動，進(jìn)一步危及基坑安全。同時高壓旋噴樁施工時，噴射出的水泥漿液容易造成地面隆起，對臨近建筑物構(gòu)成不利影響，通過設(shè)置豎向土釘，可最大限度抑制高壓漿液的不利作用。設(shè)置高壓旋噴樁主要作用是在基坑外側(cè)形成一道可靠的止水帷幕。前已述及，原設(shè)計方案中的水泥土攪拌樁由于施工質(zhì)量不過關(guān)而未能起到應(yīng)有的止水作用，這在一定程度上加速了基坑失穩(wěn)。因此，加固方案采用止水效果更好的高壓旋噴樁，一方面避免了臨近居民樓因地下水位降低而可能出現(xiàn)的房屋沉降問題，另一方面通過噴射水泥漿加固坑壁土體，形成一道水泥土擋墻，從而起到一定的抗滑移和抗隆起作用。

2.在卸土后的基坑底部打入一排樁長16.0m，樁徑800mm，樁距950mm，樁身混凝土強(qiáng)度為C25的鉆孔灌注樁，然后緊貼鉆孔灌注樁，在基坑底部設(shè)置6排樁長4.5m，樁徑600mm，樁距450mm的水泥土攪拌樁進(jìn)行坑底加固。設(shè)置鉆孔灌注樁能有效的利用鋼筋混凝土材料自身較大的剛度來抵抗背后土體的主動土壓力，同時在壓頂梁的作用下將所有灌注樁聯(lián)系起來，進(jìn)一步增大了其整體剛度。在保證灌注樁具有足夠的入土深度條件下，該布置方案還有利于提高基坑的抗隆起和深部土體滑移的能力。采用水泥土攪拌樁進(jìn)行坑底加固，可有效的利用坡腳土體的反壓而限制鉆孔灌注樁的側(cè)移，提高基坑的整體穩(wěn)定性。

五、軟土基坑土釘支護(hù)應(yīng)注意的幾個問題［3］［5］［6］

復(fù)合土釘支護(hù)是在土釘支護(hù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新的擋土技術(shù)，該技術(shù)的成功運(yùn)用改變了過去認(rèn)為土釘支護(hù)不能應(yīng)用于軟土、淤泥等自立性較差土層的觀點(diǎn)，因而使復(fù)合土釘支護(hù)在國內(nèi)基坑工程中得到迅速推廣和應(yīng)用。但目前該工法的工作機(jī)理和設(shè)計理論研究仍滯后于工程實(shí)踐，我國現(xiàn)行的基坑支護(hù)工程技術(shù)規(guī)范或規(guī)程均未提出明確的復(fù)合土釘支護(hù)設(shè)計方法，設(shè)計時更多的是依靠工程經(jīng)驗(yàn)和借鑒既往工程實(shí)例，從而使復(fù)合土釘設(shè)計存在著很大的盲目性和隨意性。顯然，除積極進(jìn)行相關(guān)理論探索外，通過總結(jié)以往工程的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，是完善復(fù)合土釘技術(shù)在軟粘土基坑圍護(hù)中應(yīng)用的重要途徑之一。根據(jù)該例工程事故，筆者認(rèn)為在軟土基坑土釘支護(hù)應(yīng)注意以下幾個問題：

（一）軟土一般具有高含水量、大孔隙、低強(qiáng)度、高壓縮性、自立性差特點(diǎn)，當(dāng)采用土釘支護(hù)時，軟土在上述特性作用下往往會呈現(xiàn)與其它土質(zhì)不同的破壞形式。以往的工程實(shí)例表明，軟土的破裂面形式為近似兩段式滑動面，即底部近水平滑動面與上部圓弧滑動面，屬于塑流-拉裂破壞機(jī)制，與其它土質(zhì)中常見的滑移-拉裂破壞機(jī)制有明顯的不同。而現(xiàn)行的設(shè)計方法一般均假定破裂面為通過坡腳的圓弧面，這對于軟土基坑來說，往往會造成上部土釘長度偏小，而上部土釘對限制支護(hù)土體水平位移具有十分重要的作用，若長度偏小，則可能會造成過大的水平位移，從而危及基坑的安全。因此，在軟土地區(qū)實(shí)施土釘支護(hù)時，應(yīng)特別注意控制上部土釘?shù)拈L度，防止土釘長度偏小對基坑造成的不利影響。

（二）應(yīng)重視基坑中心島開挖對復(fù)合土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響。特別是基坑中心島開挖面積和深度較大時，往往會造成基坑內(nèi)土體的大量卸載。如果開挖速度控制不合理，則極容易造成基坑失穩(wěn)。而由基坑中心島開挖引起的土體卸載所導(dǎo)致的不利影響通常會對土釘及復(fù)合土釘支護(hù)造成較其它支護(hù)形式更為嚴(yán)重的后果，這是因?yàn)橥玲斨ёo(hù)時釘體材料是置入在基坑上部的土體中，對基坑底部土體沒有任何的約束和抗隆起作用；而復(fù)合土釘支護(hù)時以水泥土攪拌樁等超前支護(hù)措施的插入深度控制和解決坑底抗隆起及坑后土體深部旋轉(zhuǎn)滑移問題，過大的坑內(nèi)土體卸載顯然會減少作用在超前支護(hù)體的被動土壓力，從而會危及到復(fù)合土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全。

（三）復(fù)合土釘支護(hù)應(yīng)注意地下水對支護(hù)結(jié)構(gòu)的不利影響。這是因?yàn)橥玲斨ёo(hù)自身不能止水，因此一般要求不能有滲流通過邊坡土體。軟土地區(qū)地下水位通常較高，而土釘和復(fù)合土釘支護(hù)對地下水較敏感，支護(hù)結(jié)構(gòu)在地下水的作用下，其面層壓力與土釘內(nèi)力均會顯著增加。同時軟土通常含水量較高，導(dǎo)致釘土之間的界面粘結(jié)能力很低，為克服這一缺點(diǎn)，一般要增大土釘長度和密度，而這在周圍環(huán)境較復(fù)雜的情況下不易實(shí)施。

六、結(jié)論與建議

軟土基坑當(dāng)開挖深度不是很深（一般認(rèn)為深度應(yīng)小于7m）時，采用復(fù)合土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)是可行的，但應(yīng)保證水泥土攪拌樁等超前支護(hù)樁樁體具有足夠的入土深度和厚度，然而這正是目前的設(shè)計方法中最不確定的因素，因此應(yīng)引起高度重視。當(dāng)開挖深度超過6m時，應(yīng)特別注意基坑中心島土體卸載對基坑穩(wěn)定性的不利影響。同時，軟土基坑復(fù)合土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)機(jī)制由于受軟土物理力學(xué)特性的影響，與其它土質(zhì)條件下的復(fù)合土釘支護(hù)破壞機(jī)制有著明顯的區(qū)別，在進(jìn)行支護(hù)設(shè)計及施工時應(yīng)著重考慮控制坑底土體的位移和減少土體承載力損失，盡可能的提高基坑的整體穩(wěn)定性。

［1］龔曉南，高有潮.深基坑工程設(shè)計施工手冊［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1998.

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［3］楊志銀等.復(fù)合土釘墻技術(shù)的研究及應(yīng)用［J］.巖土工程學(xué)報，2005，27（2）：153-156.

［4］孫鐵成.深基坑復(fù)合土釘支護(hù)穩(wěn)定性分析方法及其應(yīng)用［J］.工程力學(xué)，2005，22（3）：126-133.

［5］陽吉寶等.軟土地區(qū)用復(fù)合土釘墻進(jìn)行基坑圍護(hù)實(shí)例分析［J］.地下空間與工程學(xué)報，2005，1（7）：1132-1135.

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TU472

A

1008—3340（2011）01—0062—03

2010-05-27

張祥龍（1974-），男，山東沂水人，山東廣播電視大學(xué)高級工程師，工學(xué)碩士。

王鵬（1972-），女，山東濰坊人，山東廣播電視大學(xué)工程師.