袁 鵬，趙大軍，劉永寧，戚 波

(1．吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林長春130026;2．山西華冶勘測(cè)工程技術(shù)有限公司，山西 太原030002)

1 工程概況

一汽乘用車所建設(shè)項(xiàng)目，臨近長春市南四環(huán)，位于東風(fēng)大街以北，大眾街以東，凱達(dá)北街以西，丙九路以南?；又ёo(hù)整體平面圖見圖1。圖中粗實(shí)線標(biāo)示部分采用土釘墻支護(hù)，其余部分采用鋼管樁+擴(kuò)大頭錨索支護(hù)。本文主要分析土釘墻支護(hù)段。

本工程包括前期策劃辦公樓(地下1層，地上7層)，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)樓(6層)，研發(fā)設(shè)計(jì)綜合樓(5層)，停車樓(7層)，整車對(duì)標(biāo)試驗(yàn)室(局部2層)，新能源汽車試驗(yàn)室(2層)，預(yù)批量試制車間(局部2層)，底盤、車身試驗(yàn)室(局部2層)，噪聲、整車試驗(yàn)室(地下1層，局部2層)，造型評(píng)審中心(地下1層，地上2層)，動(dòng)力及物流中心(地下1層，地上1層)以及培訓(xùn)中心(地下1層，地上2層)等建筑物和調(diào)車場試車跑道。工程建筑物±0.000相當(dāng)于海平面高程202.0 m。基坑周長約3073 m，支護(hù)深度5.8～10 m，總支護(hù)面積約20000 m2。

2 場地的工程地質(zhì)條件

①雜填土:層厚0.6～4.7 m;②粉質(zhì)粘土:黃褐色，可塑—硬塑，最大層厚度10.7 m;②1粉質(zhì)粘土:黃褐色，軟塑，局部可塑，最大厚度8.5 m;②2粗砂:黃褐色，飽和，稍密;③粉土:褐黃色，局部為淺紅色，飽和;③1粗砂:黃褐色，最大厚度1.4 m，飽和，稍密;③2礫砂:黃褐色，含角礫，飽和，中密，厚度為0.7 m;③3粉質(zhì)粘土:黃褐色，飽和，硬塑;④砂巖:紫紅色，全風(fēng)化—強(qiáng)風(fēng)化，為砂巖和泥巖互層，最大揭露厚度8.2 m;⑤泥巖:紫紅色;⑤1泥巖:紫紅色，全風(fēng)化;⑤2泥巖:紫紅色，強(qiáng)風(fēng)化。

圖1 基坑支護(hù)總平面示意圖

通過工程地質(zhì)勘察，得到的基坑支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)表

勘察期間，場地所有鉆孔均遇見地下水，地下水類型為潛水，主要賦存于粉質(zhì)粘土，穩(wěn)定水位埋深為5.2～8.5 m，其主要補(bǔ)給來源為大氣降水，勘察期間正值冬季，豐水季節(jié)水位將有所上升。

3 支護(hù)方案的選定

本基坑支護(hù)工程安全等級(jí)為二級(jí)，并具有以下幾個(gè)特點(diǎn):

(1)基坑面積較大，面積約20000 m2，周長約3073 m，基坑實(shí)際開挖深度5.8～10 m;

(2)基坑影響深度范圍內(nèi)的土層以粉質(zhì)粘土為主，土質(zhì)較好;

(3)基坑開挖深度內(nèi)無承壓水含水層，僅部分支護(hù)段有少量潛水，并主要賦存于粉質(zhì)粘土，對(duì)基坑開挖并無重大影響，支護(hù)墻面設(shè)置排水孔，基坑底設(shè)置排水溝;

(4)基坑周邊無重要建筑物和管線，對(duì)基坑變形要求較低，允許放坡。

根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 120—2012)“土釘墻適用于基坑深度不宜大于12 m的基坑側(cè)壁安全等級(jí)宜為二、三級(jí)的非軟土場地［1］”，土釘墻施工方便靈活，能合理利用土體的自穩(wěn)能力，需要的施工場地小，施工簡便速度快，工期短。

本工程地質(zhì)條件及周邊環(huán)境較為簡單，并在保證安全的情況下，應(yīng)盡量選擇安全、經(jīng)濟(jì)、施工方便的支護(hù)方案。最終確定基坑圖示粗線標(biāo)示部分采用土釘墻支護(hù)方式。

根據(jù)支護(hù)設(shè)計(jì)總平面圖和現(xiàn)場具體工程條件，土釘墻支護(hù)段分為9種，如表2所示。

3．1 支護(hù)段土釘參數(shù)

本基坑支護(hù)工程安全等級(jí)為二級(jí)。按1∶0.3放坡，土釘水平間距Sx=1.5 m，土釘傾角θ=15°，地面超載q=10 kPa。

各支護(hù)段土釘參數(shù)見表3。

工況9土釘墻支護(hù)設(shè)計(jì)圖見圖2。其余支護(hù)段設(shè)計(jì)圖與支護(hù)段9類似。

表2 支護(hù)段分類表

表3 各支護(hù)段土釘參數(shù)表

圖2 支護(hù)段9土釘墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

噴射面層:面層厚度為100 mm，強(qiáng)度C20，掛單層6.5@200×200的鋼筋網(wǎng)，允許誤差±10 mm，加強(qiáng)筋214?？捎煤附踊蚪壴桑罱娱L度不小于一個(gè)網(wǎng)格邊長。土釘鋼筋與網(wǎng)片用214主筋橫向焊接在一起，在土釘端部用“井”字架與網(wǎng)片焊接在一起。面層頂部上翻地面1.0 m。

4 土釘傾角優(yōu)化設(shè)計(jì)

在工程建設(shè)中，土釘施工與土方開挖往往存在一些配合上的問題，工作面平整度對(duì)土釘傾角也造成影響，因此人們?yōu)楹喕┕ず驮O(shè)計(jì)，常采用水平或略傾斜角度［2］。根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 120—2012):土釘傾角宜為 5°～ 20°［1］。同時(shí)土釘水平放置比斜向大傾角側(cè)向位移要小而所受摩阻力卻大于后者［3］，因此本部分在水平或小角度合理范圍內(nèi)對(duì)土釘傾角進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮土釘應(yīng)有的效能，在原有工程造價(jià)不變的情況下，大幅提高施工安全。

4．1 理論分析

土體單元應(yīng)力分布情況及土釘插入方向見圖3。根據(jù)彈塑性力學(xué)理論，土單元沿著σ1方向產(chǎn)生壓縮變形，而沿著σ3方向產(chǎn)生伸長變形。土體加固就是要限制這種變形，因此，從理論上講，沿σ3方向插入土釘，可以最大程度地限制土體沿σ3方向的伸長變形，使其加固效果比沿垂直于斜面方向插入的加固效果更為明顯［4］。相關(guān)研究人員運(yùn)用ADINA有限元探討了土釘傾角對(duì)無粘性及稍含粘粒粒狀體邊坡加固，得出σ3大致成平行線排列［5］。

圖3 土體單元應(yīng)力分布情況及土釘插入方向簡圖

考慮工程實(shí)際及地層復(fù)雜性和不可復(fù)制性，土層內(nèi)最小主應(yīng)力σ3的方向是個(gè)變量，工程上土釘?shù)牟迦牒茈y嚴(yán)格按照變化的最小主應(yīng)力σ3的方向插入，這就需要用一個(gè)平均的角度來替代變化的最小主應(yīng)力σ3的方向［5］。因此我們通過基坑整體穩(wěn)定性系數(shù)，在水平或小傾角范圍內(nèi)，大致尋找σ3主方向，得出土釘最優(yōu)傾角。

4．2 土釘傾角優(yōu)化計(jì)算

基坑整體穩(wěn)定性采用圓弧滑動(dòng)條分法計(jì)算，可運(yùn)用理正軟件進(jìn)行計(jì)算，整體穩(wěn)定性計(jì)算簡圖見圖4。

圖4 整體穩(wěn)定性驗(yàn)算簡圖

式中:Ks——圓弧滑動(dòng)整體穩(wěn)定安全系數(shù)，安全等級(jí)為二級(jí)支擋結(jié)構(gòu)，Ks≮1.3;Ks，i—第i個(gè)滑動(dòng)圓弧的抗滑力矩與滑動(dòng)力矩的比值，其最小值宜通過搜索不同圓心及半徑的所有潛在滑動(dòng)圓弧確定;cj、φj——第j土條滑弧面處土的粘聚力(kPa)、內(nèi)摩擦角(°);bj—第 j土條的寬度，m;qj——作用在第 j土條上的附加分布荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kPa;ΔGj——第j土條的自重，按天然重度計(jì)算，kN;uj——第 j土條在滑弧面上的孔隙水壓力，kPa，在地下水位以上或?qū)Φ叵滤灰韵碌恼承酝?，取uj=0;θj——第j土條滑弧面中點(diǎn)處的法線與垂直面的夾角，(°);Rk，k——第 k層錨桿對(duì)圓弧滑動(dòng)體的極限拉力值，kN，取錨桿在滑動(dòng)面以外的錨固體極限抗拔承載力標(biāo)準(zhǔn)值與桿體受拉承載力標(biāo)準(zhǔn)值(fykAs或 fptkAp)的較小值;αk——第 k 層錨桿的傾角，(°);θk——滑弧面在第 k層土釘或錨桿處的法線與垂直面的夾角，(°);lj—第 j土條的滑弧段長度，m，取 lj=bj/cosθj;Sx，k——第k層錨桿的水平間距，m;Ψv——計(jì)算系數(shù)，可取Ψv=0.5sin(θk+αk)tanφ，此處 φ 為第 k層錨桿與滑弧交點(diǎn)處土的內(nèi)摩擦角。

4．2．1 單因素分析法

土釘墻支護(hù)6個(gè)常見參數(shù):土釘長度、土釘傾角、土釘?shù)闹睆?鋼筋直徑)、土釘鉆孔直徑、水平間距和垂直間距。采用單因素分析法，即選取一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模型，然后變化土釘傾角，其余5個(gè)因素保持不變，分析土釘傾角對(duì)基坑穩(wěn)定性的影響［6］。

4．2．2 標(biāo)準(zhǔn)模型

選取支護(hù)段9進(jìn)行介紹:基坑開挖10 m，土釘參數(shù)設(shè)置見表6，傾角15°，部分為48 mm鋼花管如M1、M7，其余均采用20 mm螺紋鋼，為HRB400級(jí)鋼筋，土釘孔徑130 mm，水平間距Sx=1.5 m，邊坡超載個(gè)數(shù)為1，荷載值為10 kPa。對(duì)傾角進(jìn)行遞增，變化范圍為 3°～19°，其余5個(gè)參數(shù)固定不變。得到土釘傾角和安全系數(shù)之間的關(guān)系，見圖5。

圖5 土釘傾角與安全系數(shù)之間的關(guān)系

由圖5可見，土釘傾角對(duì)基坑整體穩(wěn)定性的影響呈拋物線變化，在一定范圍內(nèi)，隨著傾角增大，安全系數(shù)增加;土釘傾角持續(xù)增加，安全系數(shù)減小，存在一個(gè)極值為土釘最優(yōu)傾角。

4．3 土釘傾角優(yōu)化效果

本工程土釘傾角選取11°支護(hù)效果最明顯;從施工工藝來說，11°傾角的土釘，施工要求也比較低。實(shí)際施工中，為便于施工，可適當(dāng)降低下部土釘傾角。因下部土釘?shù)膬A角所起的作用(迫使?jié)撛谖ｋU(xiǎn)滑面的滑弧頂點(diǎn)改變位置)不如上部土釘?shù)拿黠@，因此下部土釘傾角小一些，可使土釘拉力對(duì)安全系數(shù)的貢獻(xiàn)最大［7］。

實(shí)踐表明，本工程采用土釘墻支護(hù)的方案，短時(shí)高效地完成了工程任務(wù)，在以后的支護(hù)工程中值得借鑒。并通過土釘傾角優(yōu)化設(shè)計(jì)，在工程造價(jià)不變的情況下，大幅提升施工安全。

5 基坑監(jiān)測(cè)

5．1 監(jiān)測(cè)的主要項(xiàng)目

根據(jù)本工程的實(shí)際情況，結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定，同時(shí)考慮到基坑開挖深度較深(10.0 m)，需對(duì)基坑邊坡、支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行水平、豎向位移監(jiān)測(cè)以及基坑周邊建筑物變形。。在基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的土釘墻坡頂每隔20 m布置一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)。

5．2 周期

在圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工前，測(cè)得初始讀數(shù)。在基坑降水及開挖期間一日一測(cè)，如觀測(cè)期間數(shù)據(jù)變化較大，隨時(shí)加大觀測(cè)頻率。

5．3 監(jiān)測(cè)報(bào)警

基坑工程監(jiān)測(cè)必須確定監(jiān)測(cè)報(bào)警值，監(jiān)測(cè)報(bào)警值應(yīng)滿足基坑工程設(shè)計(jì)、地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及周邊環(huán)境中被保護(hù)對(duì)象的控制要求。監(jiān)測(cè)報(bào)警值應(yīng)由基坑工程設(shè)計(jì)方確定(見表4)。

表4 基坑及支護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)報(bào)警值

5．4 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

通過對(duì)基坑及周圍建筑物的監(jiān)測(cè)，周圍建筑物最大沉降5．38 mm，基坑平均位移量9．80 mm，最大位移量12．79 mm，滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。本基坑的監(jiān)測(cè)重點(diǎn)在基坑支護(hù)段9，2013年2月28日開始的第一次監(jiān)測(cè)至基坑回填完畢，其支護(hù)段9的累計(jì)最大沉降值4.1 mm，最大位移值10.8 mm。根據(jù)基坑監(jiān)測(cè)結(jié)果，本工程采用土釘墻支護(hù)的方案是成功的。

6 結(jié)論

(1)本工程已施工完成，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，周圍建筑物沉降量、基坑位移量都滿足規(guī)范要求。該基坑正常使用9個(gè)月，經(jīng)歷了雨季考驗(yàn)，土釘墻支護(hù)達(dá)到預(yù)想的效果，可為今后同類基坑的設(shè)計(jì)和施工提供一些參考。

(2)該基坑支護(hù)中采用土釘墻支護(hù)技術(shù)，充分調(diào)用土體自身強(qiáng)度和承載能力，節(jié)省土石方工作量，節(jié)約成本，縮短施工工期。土釘墻對(duì)比其他支護(hù)方式，材料費(fèi)用及人工費(fèi)用大大降低，節(jié)約投資，在以后的支護(hù)工程中值得借鑒。

(3)對(duì)土釘傾角進(jìn)行優(yōu)化，得出傾角對(duì)基坑整體穩(wěn)定性的影響呈拋物線的現(xiàn)象，存在一個(gè)最優(yōu)傾角;該最優(yōu)傾角為11°左右，在原有工程造價(jià)不變的基礎(chǔ)上，將原設(shè)計(jì)中土釘傾角改為11°，大幅提高了施工安全。

［1］ JGJ 120—2012，建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程［S］．

［2］ 黃漢成．土釘支護(hù)設(shè)計(jì)中幾個(gè)問題的探討［J］．巖土工程界，2001，4(8):50 －52．

［3］ 俞季民，鄒勇．土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)研究［J］．土工基礎(chǔ)，1998，12(1):14 －19．

［4］ 王巍，劉斯宏．土釘傾角對(duì)斜面加固效果影響的試驗(yàn)研究［J］．人民珠江，2010，6(5):23 －27．

［5］ 王巍，黃吳．土釘角度對(duì)斜面加固效果影響的有限元分析［J］．人民珠江，2014，5(8):26 －33．

［6］ 曾艷品．土釘墻基坑支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的一些問題研究［D］．陜西西安:長安大學(xué)，2014．

［7］ 劉大鵬，周建中，唐小兵．土釘傾角對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響研究［J］．工程勘察，2006，34(1)，8 －11．

［8］ 陳希哲．土力學(xué)地基基礎(chǔ)(第4版)［M］．北京:清華大學(xué)出版社，2004．

［9］ 孫小杰，魏煥衛(wèi)，楊峻巋．土釘墻在深基坑中的設(shè)計(jì)應(yīng)用［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2009，36(11):39 －41．

［10］ 孟凡運(yùn)，劉全峰．土釘墻在超深基坑支護(hù)中的應(yīng)用［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2008，35(5):44 －46．

［11］ 張偉軍，丁向東．復(fù)合土釘墻在深基坑工程中的應(yīng)用［J］．江蘇建筑，2014，(S1):67 －69．