楊 彥

（山東省冶金設計院股份有限公司，山東 濟南250101）

1 前言

深基坑支護是基礎工程和地下工程施工的一個傳統(tǒng)課題，同時又是綜合性的難題，土釘支護在其中占有重要的地位。土釘支護有效地調(diào)用了土體自身的強度和穩(wěn)定性，成為解決復雜巖土問題的經(jīng)濟有效的方法之一。以濟南市市中區(qū)某三角地小區(qū)為例，從深基坑支護中土釘支護的作用原理、特點、應用范圍入手，給出了土釘支護設計的主要內(nèi)容。通過對該小區(qū)7.7～9.1 m深基坑支護設計的方案和監(jiān)測方案的闡述和分析總結，做出了對實際設計有價值的設計建議和應用前景的分析預測。

2 土釘支護設計

2.1 土釘支護的特點及應用范圍

1）復合土釘體提高了邊坡整體穩(wěn)定和承受坡頂超載能力，增強了土體的破壞延性；施工采用邊開挖邊支護和分層分段開挖，提高了施工安全性。

2）支護結構輕巧，柔性大，有良好的延性和抗震性。

3）施工機具簡單，易于操作和推廣；施工不單獨占用場地。

4）可根據(jù)現(xiàn)場的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，及時調(diào)整土釘長度和間距，提高了施工和后期的安全可靠性。

5）經(jīng)濟效益好，造價低廉，可以節(jié)約投資30%～50%。

6）土釘由低強度鋼材制作，防腐性能好。

7）基坑位移變形小，對場地周圍環(huán)境影響較?。粚龅赝翆拥倪m應性較強；個別土釘出現(xiàn)問題或失效對整個支護體系的影響不大。

8）土釘支護適用于有一定黏性的砂土、黏性土、粉土、黃土、雜填土及弱膠結的砂土邊坡；如果場地同時存在砂土、黏土和不同風化程度的巖體，采用土釘支護會更加有利。

9）在施工場地狹小、放坡困難、有相鄰低層建筑或堆放材料、大型護坡施工設備不能進場的情況時，土釘支護顯示出獨特的優(yōu)越性。

10）土釘支護的深度一般不超過12 m；場地土層特別好時,可以放寬到14～16 m。當基坑周圍有重要建筑物時，在距離基坑一倍的坑深范圍內(nèi)，或?qū)幼冃斡袊栏褚髸r，不宜采用土釘支護。

2.2 土釘支護結構作用原理

由土釘自身的強度、剛度和其在土體內(nèi)高密度的空間分布形成的復合土體的骨架，有約束土體變形的作用。在復合土體內(nèi)，土釘與土體共同承擔外荷載和自重；由于土釘有很高抗拉、抗剪強度和遠遠高于土體的抗彎剛度，所以在土體在進入塑性狀態(tài)后，應力逐漸向土釘轉(zhuǎn)移。當土體開裂時，土釘?shù)姆謸饔酶怀?，這時土釘內(nèi)出現(xiàn)了彎剪、拉剪等復合應力，從而使土釘體中漿結體碎裂、鋼筋屈服。土釘?shù)纳鲜鲎饔檬沟脧秃贤馏w在超載作用下表現(xiàn)出塑性變形延遲、漸進式開裂的特征。同時，土釘體可以把滑裂區(qū)域內(nèi)部分應力傳遞到后邊穩(wěn)定土體中，并分散到較大范圍的土體內(nèi)，降低復合土體中的應力集中程度，從而推遲了滑裂域的形成與發(fā)展。

噴射混凝土面板起到約束變形作用，面板約束力取決于土釘體表面與土的摩阻力以及與土釘?shù)倪B接程度，當復合土體開裂區(qū)域擴大并連成片時，摩阻力由開裂區(qū)域后的穩(wěn)定復合土體提供。這種復合體彌補了土體自身強度的不足，充分調(diào)動了土體自身結構強度潛力，改變了邊坡變形和破壞形態(tài)，增強了土體的自身穩(wěn)定性，屬于主動制約機制的支擋結構體系。

2.3 土釘支護設計內(nèi)容

1）確定土釘支護參數(shù)：根據(jù)邊坡高度、土質(zhì)條件、工程性質(zhì)等初步確定土釘支護的結構尺寸、土釘類型、布置方式、布置間距、分段開挖高度等。

2）確定土釘?shù)膮?shù)：根據(jù)土壓力分布、現(xiàn)場拉拔試驗結果或者土的抗剪強度，參考經(jīng)驗，確定土釘直徑和長度。

3）外部和內(nèi)部穩(wěn)定性計算：從外部來看，土釘支護需要足夠承受其后部土體的推理和上部傳來的荷載，類似擋土墻，因此需要考慮土釘支護的抗滑移穩(wěn)定性驗算、抗傾覆穩(wěn)定性驗算、土釘支護底部地基承載能力驗算、深部滑動穩(wěn)定性計算。從內(nèi)部來看，內(nèi)部穩(wěn)定破壞時土釘本身的強度破壞，包括不同開挖階段、不同位置處沿最危險破裂面的滑動破壞、土釘本身的強度破壞、拔出破壞和噴射混凝土面板的破壞等。因此，應考慮施工過程中不同開挖階段的最危險滑動面驗算、使用階段不同位置的最危險滑動面驗算、土釘本身的強度與抗拔力驗算、噴射混凝土面板強度和土釘與面板連接強度的驗算。

4）修改參數(shù)：根據(jù)穩(wěn)定性計算結果，修改土釘支護和土釘參數(shù)，主要是土釘?shù)拈L度和布置，然后再進行穩(wěn)定性驗算，重復進行直到得到合理結果。

5）施工圖設計及監(jiān)測設計：將施工過程信息化，把現(xiàn)場所得數(shù)據(jù)及時反饋給計算機，及時指導隨后的施工，并做好安全防護。

3 工程設計應用實例

以下以濟南市市中區(qū)一三角地塊某小區(qū)基坑支護工程為例。

該小區(qū)地形東南高、西側(cè)和北側(cè)低，地面標高74.85～68.83 m。項目主體為剪力墻結構，人工挖孔樁基礎；15～26層，基底標高為+65.30 m，基坑深7.7～9.1 m。場地原為沖溝，后期填埋10余a。在基槽邊坡進行基坑支護設計之前，場地東南側(cè)已經(jīng)按1∶0.5坡率系數(shù)初步修坡完成。基坑南側(cè)為1條次干道，距擬開挖基坑上口線10 m左右，其他邊坡場地開闊。場地北側(cè)緊靠1條季節(jié)性河流，勘察期間水面標高65.86 m。在鉆探深度范圍內(nèi)，未見地下水；在基坑開挖后，也未見地下水。

該工程基坑主要有如下特點：1）基坑開挖范圍較大、無地下水。開挖邊線距用地邊線較遠，基坑支護設計可以適當放坡；挖深較深，相對自然地表下挖約7.7～9.1 m。2）填土較厚，根據(jù)勘察報告及現(xiàn)場實際開挖情況，東南側(cè)邊坡在開挖深度范圍內(nèi)存在大量填土，需要考慮可靠的施工手段。

基于場地周邊環(huán)境及工程地質(zhì)水文條件等因素,根據(jù)基坑工程有關技術規(guī)程規(guī)范，該工程兩個剖面（1-1剖面，位于基坑南側(cè)東段；2-2剖面，位于基坑南側(cè)西段）的基坑側(cè)壁安全等級均為二級，一個剖面（3-3剖面，位于基坑北側(cè)和東側(cè)北段）基坑側(cè)壁安全等級為三級。綜合考慮場地工程地質(zhì)、基坑周邊環(huán)境及基坑深度，結合周邊類似工程經(jīng)驗，采用適當卸載放坡、兼用土釘墻作為擋土支護的基坑支護，局部地段掛網(wǎng)噴混凝土放坡支護。監(jiān)測方案針對基坑坡頂水平、垂直位移予以監(jiān)測。

水泥采用P.O 42.5普通硅酸鹽水泥；噴射混凝土強度等級C20，厚度≮80 mm；注漿材料選用水灰比為0.5的水泥漿。

土釘桿體材料采用Ф20鋼管，鉆孔直徑110 mm。無成孔條件時采用Ф42（壁厚6 mm）的鋼管替代，自鉆式錨桿工藝施工。護面鋼筋網(wǎng)采用Ф6.5@250×250，外翻2.0 m。

在距離坡頂3.0 m和填土與基巖或黏性土界面處設置一排瀉水孔，水平間距3.0 m，孔深500 mm，外孔徑100 mm，插Ф75PVC管，外包兩層細眼濾網(wǎng)。局部雜填土或滲水較嚴重的部位加長加密排水孔,水平和豎向間距≯1.5 m，長度≮0.5 m。

3.1 基坑南側(cè)東段1-1剖面支護方案

基坑挖深約7.7 m～8.7 m，按1∶0.50放坡；距離坡頂2.0 m處設置一平臺，平臺寬度2.0 m。平臺以上，在邊坡內(nèi)水平和豎向間距均為1.5 m，插入長度1.0 m的Ф20鋼筋。平臺以上設置一排長度6.0 m@1.5 m的土釘；平臺以下設置四排土釘，長度分別為9.0、9.0、9.0和6.0 m,水平間距1.5 m，垂直間距1.5 m;掛網(wǎng)噴射混凝土。

3.2 基坑南側(cè)西段2-2剖面支護方案

挖深約9.10 m，按1:0.50放坡，距離坡頂2.0 m處設置平臺，平臺寬度2.0 m。平臺以上，在邊坡內(nèi)水平和豎向間距均為1.5 m插入長度1.0 m的Ф20鋼筋。平臺以上設置一排土釘（6.0 m@1.5 m）；平臺以下設置4排土釘，長度分別為9.0 m、9.0 m、9.0 m和6.0 m，水平間距1.5 m，垂直間距1.5 m；掛網(wǎng)噴射混凝土。

3.3 基坑北側(cè)和東側(cè)北段3-3剖面支護方案

將上部厚約4.0 m的填土外運后進行放坡支護。基坑深5.0 m，按1∶1.0放坡，掛網(wǎng)噴射混凝土，水平和豎向間距均為2.0 m，布設固定鋼筋（長度1.5 m，規(guī)格1Ф20）。

3.4 監(jiān)測變形統(tǒng)計

1）支護結構坡頂水平和豎向位移監(jiān)測：在基坑周邊坡頂設了15個監(jiān)測點，水平和豎向位移監(jiān)測點在坑頂按20～30 m水平間距設置。2）基坑周邊道路地表豎向位移監(jiān)測：在基坑南側(cè)的次干道上布設了7個監(jiān)測點。3）基坑變形

監(jiān)控預警值：當監(jiān)測項目的變化速率達到表中規(guī)定值或連續(xù)3 d超過該值的70%時報警。監(jiān)測變形統(tǒng)計如表1所示。

表1 監(jiān)測變形統(tǒng)計

4 結語

該小區(qū)于2013年2月開工，2014年12月竣工，2015年正式投入使用。通過對施工過程22個月的施工擾動持續(xù)檢測和建成后3 a多的使用監(jiān)測，變形值始終在合理的控制范圍內(nèi)，同時結合竣工結算的相關數(shù)據(jù)，證明此支護方案的合理性、有效性和經(jīng)濟性。

隨著我國基建熱點地區(qū)從東南沿海向中西部轉(zhuǎn)移，由于鹽漬土、濕陷性黃土、污染土等特殊性質(zhì)的巖土和巖溶等帶來的經(jīng)濟損失、工期損失等風險凸顯，這種情況下，土釘支護的應用范圍進一步擴大，永久性工程將增多。土釘支護的無損檢測方法、永久性防腐技術、復合及組合支護、特殊和不良土質(zhì)中的研究及應用，將是下一步土釘支護的方向和重點。