复合土钉墙在基坑中的应用

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　　摘要：复合土钉墙中的深层搅拌桩能够提高土体的自立性，减少基坑水平位移，改善土钉的受力状态，但目前对于搅拌桩的作用仍停留在定性阶段，缺乏较为理想的定量分析，所以在设计中只将搅拌桩看做安全储备，单独计算土钉墙。本文根据具体的工程实际以及本地的实践经验，对复合土钉墙中计算得出的土钉参数进行一定程度的折减，并应用于几个复合土钉墙支护工程，取得了良好的效果。
　　关键词：复合土钉墙；深层搅拌桩；土钉；支护
　　
　　引言
　　土钉墙自产生以来，以其工程造价低、施工工艺简单、速度快等诸多优势而广泛应用于各类基坑支护工程中，成为一种重要的支护结构形式。但是，由于土钉墙对土层有很强的依赖性，并且不能用于地下水位以下，因而在工程实践中受到一定限制。为解决土体自立性、隔水、提高整体稳定性等问题，土钉墙与各种止水帷幕、微型桩、锚杆等构件结合的新型支护机构――复合土钉墙迅速发展并广泛应用。本文将就深层搅拌桩+土钉的复合支护形式进行讨论。
　　1 研究现状
　　目前，随着复合土钉墙在工程中的应用，针对复合土钉墙变形机理以及特性的研究也在不断进行，采用的方法有数值分析、现场测试、模型试验等等，不一而足，并且得到了不少的结论。研究普遍认为深层搅拌桩在支护结构中不仅仅起到止水帷幕的作用，而且对土钉的受力情况、基坑变形情况都会产生一定的影响。文献[2]对复合土钉墙进行了模型实验，认为复合土钉比普通土钉的水平位移明显减少，其中可以将搅拌桩视为弹性简支梁，受到土压力产生弯曲变形；文献[3]通过现场实测，认为可将搅拌桩假设为板，土钉假设为弹簧支座，分析复合土钉墙的变形特性；文献[4]采用有限元数值分析的方法，对比研究了是否打设搅拌桩和不同搅拌桩排数、长度以及在不同的土层条件下，复合土钉墙的受力、变形特性，对搅拌桩的设置提出了建议。然而，目前的研究都只是在复合土钉的作用机理上分析，并未对设置搅拌桩后复合土钉墙的变形，土钉受力情况，以及搅拌桩自身的受力状态进行研究，现场测试结果也只适用于类似工程而不具有普遍意义，因此，复合土钉墙在设计中仍只是将深层搅拌桩做为止水帷幕使用，同时作安全储备考虑，只计算普通土钉墙，这样的结果必然是偏于保守。
　　2 设计计算
　　复合土钉墙支护结构的设计计算与土钉墙比较类似，需要验算整体稳定性和土钉抗拔力。在整体稳定性验算中，除考虑土体、土钉的作用外，还需要计算搅拌桩对整体稳定性的贡献；而在土钉抗拔力验算中，则完全套用普通土钉墙的格式。
　　一般情况下，复合土钉墙用于工程实践，必然是因为普通土钉墙受到了应用条件的限制，土体自稳能力较差，地下水流线通过土钉墙等等，那么，在这种复杂条件下不考虑搅拌桩的作用而只单独验算土钉墙，结果将会比较保守，这就意味着土钉排数的增加、长度的增加和横向间距的减小，从而提高工程造价，造成浪费。因此，在复合土钉墙设计中，笔者考虑将用传统方法计算出的土钉参数进行一定程度的折减。
　　彭孔曙等人结合多个工程实例[5]，从分析土钉墙加入深层搅拌桩后的受力机理入手，通过对土体极限平衡条件下的受力分析，探讨了复合土钉墙的安全系数计算方法，并根据现有研究成果，给出了计算土钉轴力时的折减系数建议值。在此基础上，笔者进行了几个基坑工程的复合土钉墙计算，并应用于工程实践，取得了良好的效果。
　　3 工程实例
　　3.1 工程概况
　　某基坑工程长92.5m，宽57.0m，挖深8.9m，基坑侧壁安全等级二级，重要性系数γ0=1.0。主要土层参数见表1，地下水位-5.3m。本工程以自然地面为±0.00。
　　
　　
　　3.2 设计方案
　　本工程采用放台+深层搅拌桩+土钉墙的支护形式。地面超载按20.0kPa考虑。
　　平台宽度3.0m，坡高2.4m，坡度系数0.75。
　　采用两排深层搅拌桩作止水帷幕，桩长15.0m，桩径500mm，桩间距300mm，排距350mm，搭接长度横向200mm，纵向150mm。使用P.S.A 32.5矿渣水泥，水灰比0.6，水泥用量60-65kg/m。
　　采用5排土钉，按从上到下依次命名为第1排―第5排。第1、5排土钉长度为9.0m，第2、3、4排土钉长度为12.0m；土钉水平间距1.2m，竖向间距1.3m，其中，第1排土钉标高为-3.2m；土钉入射角为10º，钻孔直径80mm，配筋B20。剖面图见图1。
　　
　　
　　3.3 土钉验算
　　本文采用北京理正深基坑支护结构设计软件进行计算，放台参数与深层搅拌桩的设计不在此赘述，主要阐述土钉的验算过程。
　　笔者对多个土钉布置方案进行了验算，下面选取两个方案进行比较，方案一：前文所述方案；方案二：采用6排土钉，土钉长度为12.0m；土钉水平间距1.0m，竖向间距1.0m，其中，第1排土钉标高为-3.2m；土钉入射角为10º，钻孔直径80mm，配筋B20。
　　假定土钉墙施作时，超挖深度为0.5m，首先对两种方案各个工况的稳定性进行验算。根据本地区相似工程的支护经验，在有两排搅拌桩作止水帷幕的情况下，方案二的土钉布置已经非常保守了，但即使这样，也只是接近而没有达到安全系数1.3的要求，如果一定要满足要求，就必须增加土钉的数量或者长度，这就势必造成很多不必要的浪费。所以，在布置土钉时，可以根据工程实际情况，对土钉墙内部稳定性验算的安全系数进行一定的折减。本工程折减为1.0左右，从而得到方案一的土钉布置方式。
　　其次对土钉的抗拉拔进行验算，方案一土钉的最小抗拉拔满足系数分别为抗拉1.431，抗拔1.589；方案二分别为抗拉2.219，抗拔2.353。验算结果表明两种方案的抗拉、抗拔系数都能够满足要求，方案一较为合理，而方案二则显得过于保守。
　　比较两种方案，方案一土钉总长约13500m，方案二土钉总长约18000m，可见前者要比后者节约大约25%的施工成本，更为经济合理，同时，也能够缩短工期。
　　3.4 工程施工
　　本工程先施工了深层搅拌桩，后在桩基工程施工完毕后，开始开挖基坑。自开挖之日起，用时55天完成土钉墙的施工。开挖后，对基坑侧壁水平位移进行了监测，包括搅拌桩的桩顶位移和基底位移，直至基坑内部结构施工完毕，基坑回填。监测结果：桩顶位移最大值为18mm，基底位移最大值为22mm，这与文献[ 6 ]中复合土钉墙底部的墙体位移大于墙顶位移,墙体有向前凸起的趋势一致。本工程全程未发现任何开裂现象及破坏事故，说明支护设计及施工是成功的。
　　4 结语
　　深层搅拌桩复合土钉墙不仅能够起到止水帷幕的作用，而且可以提高土体的自立性，同时，还能够与土钉发生共同作用，改善土钉的受力状态。在支护设计中，如果把深层搅拌桩只作为安全储备来考虑，单独计算土钉，就会造成计算结果偏于保守，提高工程造价。因而，在实践中，可以根据不同工程的具体情况，以及当地的相关经验，对传统方法计算出来的土钉参数进行一定程度的折减，在保证安全的前提下，降低造价，避免浪费。
　　注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。

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