该工程建筑面积约1600m2, 主楼为高80m、24层的框剪结构, 基础形式为钻孔灌注桩桩基础。该建筑物有5层裙楼, 设有1层地下室, 基坑南北约为71m, 东西约为58m, 周长约为248m。其基坑深度分别为7.10m, 6.0m和3.9m (从自然地坪起算) , 内基坑高差为2.10m和1.10m。地下室基坑北、西、南3侧临街, 东侧为人行2幢4层建筑物 (基础形式为条基) ;北侧有一旧河道改造成为的封闭状大型污水道, 污水道东侧上部为改建的2层小商品市场;南侧有一废弃的人防工程。
(1) 根据建设单位提供的工程地质勘察报告可知:该场区内工程地质条件较差, 地层成分相当复杂, 结构松散, 均匀性差, 基底为淤泥质粉质粘土夹粉土薄层。现将场区上部地层工程地质、水文地质条件简述如下:
第一层:填土, 可分为杂填土和素填土2个亚层。
1a:杂填土:褐灰色, 湿度饱和, 松散, 局部稍密, 含瓦砾砖块约30%～35%, 少量有机质, 局部为水泥地坪及旧房基础, 场区南侧有一废弃的人防工程, 目前已拆除回填。
1b:素填土:褐灰色, 饱和, 稍密, 含少量植物根系及有机腐蚀质土, 土层局部地段缺陷。
该土层分布于全场区, 一般厚度为1.50～5.80m, 平均厚度为2.50m。
第二层:粉质粘土, 俗称“硬壳”层。层厚为0～3.0m, 平均厚度为1.56m, 可分为2个亚层。
2a:粉质粘土:褐黄～褐灰色, 呈可塑偏软状态, 含有少量的云母碎屑、氧化物及有机物, 并夹有薄层粉土。
2b:粉质粘土:灰色, 呈可塑偏软状态, 含有少量有机质, 局部可见淤泥质, 土质软弱, 强度较低。
第三层:淤泥质粉质粘土夹粘质粉土, 灰色, 饱和, 呈流塑状态, 含有机质腐植质, 云母碎屑, 微层理发育, 土层局部具有大量的淤泥质薄层, 性质软弱, 低强度, 其土层厚度为6～7m。
该场区地下水属第四系潜水, 主要受大气降雨, 地表迳流及生活排泄废水补给, 根据地质报告, 该场区地下水静止位埋深为0.8～1.5m, 地下水对混凝土无侵蚀性。
(2) 上述各土层厚度及其物理学性质见表1。
喷锚支护结构属于外支撑系统, 锚杆在整个系统中的作用可看作是一种“固定荷载支点”, 喷锚网和锚杆相连接, 使基坑支护体系具有良好的柔性和整体性。因此, 从理论上讲, 这种支护结构的土压力分布比内支撑系统, 应更接近三角形。
所以, 按传统的郎金-库伦土压力理论计算, 其值较实际值偏小。故关于深基坑开挖采用喷锚网支护技术, 目前尚没有成熟的理论及计算方法。比较保守的计算方法是, 将喷锚网及锚杆所加固的土体, 看成一重力式挡土墙, 进行支护体系的内容稳定性验算, 按其外部稳定性验算 (按边坡滑体力矩平衡法进行验算) 。
根据工程地质资料, 假想基坑深度为一均质土, 故将各土层的c、Φ、γ值进行加权平均:
方法喷锚支护结构的锚杆长度、锚杆间距、喷射混凝土厚度、钢筋配置等支护参数, 可按理论计算及工程类比法进行初步的布置。
然后, 根据所培植的支护参数, 对支护体系进行内部稳定性及外部稳定性的验算, 当验算后的锚杆参数尚不能满足有关规定及到达满意的安全系数时, 应重新布置支护体系, 直至安全、可靠。具体方法如下:
根据地基土参数, 基坑边壁按1∶0.2放坡, 假定基坑边壁在不能进行支护的情况下, 直接挖至基底设计深度, 失稳的滑动面为一圆柱面, 用圆弧条分法计算边壁的稳定安全系数:
当计算出边壁的稳定安全系数K=0.8时, 可认为此时的滑动面为喷锚支护后基喷锚的潜在滑动面, 并按此计算锚杆及喷锚支护体系的内外稳定性。
以7.10m深基坑为例, 其断面按工程类比法, 共布置6排锚杆, 横向间距为1.0m, 砂浆锚杆用Φ25的螺纹钢筋, 采用0.8～1.2MPa高压注浆, 网眼为200mm×200mm, 锚头用Φ12的圆钢2根, 呈十字型和喷射混凝土钢筋网相焊接, 砂浆锚头的长度第1～6排依次为10m, 11m, 12m, 9m, 8m, 其打设角度:第1～6排为5°, 第6排为20°。
据此, 对断面的喷锚支护结构进行内、外稳定性验算。
(1) 土钉墙基坑边壁的主动土压力经演化、推导, 土钉墙基坑边壁上任意一点的主动土压力, 可按下式进行计算:
式中:Ka-主动土压力系数;
H:——基坑边坡高度=0.71, m;
h——锚杆计算点距地面之距离, m;
γ———土的平均重度=18.93, kN/m3;
SxSy——锚杆的水平及垂直间距m;
L———重力式挡墙宽度, L=11.0m。
所以:
则各排锚杆所受的主动土压力:
(2) 土层锚杆的承载能力
根据锚杆拉力的传递方式, 锚杆的承载能力通常取决于锚固体与土体之间的极限侧阻力。由于拉杆与锚固体之间的极限握裹力, 远大于锚固体与土体之间的极限侧阻拉杆与锚固体之间的极限握裹力, 远大于锚固体与土体之间的极限侧阻力, 所以在拉杆选择适当的条件下, 锚杆的承载能力主要取决于锚固体与土体间的极限侧阻力。
有关锚杆承载能力的计算理论及计算方法很多, 但由于土锚的承载能力受到材料 (钢材、水泥砂浆、土质成分、土体强度等) 、施工工艺 (成孔方式、灌浆压力和质量等) 以及锚杆的安装和构造多种因素的影响, 所以, 目前尚无法提供一个精确的计算方式。我们认为, 锚杆承载能力, 主要受锚杆的灌浆质量和锚杆锚固段土体质量的影响。综合理论计算及实践经验, 可按下式计算锚杆承载能力 (水平分力) :
Pug= (L-Lg) ·f·cosa
式中:L———锚杆的长度, m;
Lg———锚杆的自由段长度, 即锚杆处在活动区的长度, m;
f———土锚锚固段每单位长度土的平均极限侧阻力, kN/m2;
a———土锚的打设角。
有关f值, 主要受土锚锚固段土体的物理力学性质、灌浆材料-水泥砂浆及灌浆压力的影响, 当采用高压灌浆 (灌浆压力不小于0.6MPa) , 水泥砂浆的强度8不少于C10时, f值接近于土体的极限抗剪强度。即f值可按下式计算:
式中:d———高压灌浆后, 土锚锚固段水泥砂浆的直径, m;
c———土锚锚固段所处土体的平均内聚力, kPa;
σ———土锚锚固段中间点的上覆土体法向压应力, kPa;
Kf———和锚固段土质有关经验系数, 一般取1.2～1.5。
由上述公式, 根据本工程中的土层物理力学参数, 可计算出各排锚杆的f值, 经计算, f值均大于15kN/m, 而本工程场区地基土多为可塑～软塑的粘土及流塑的软土, 据工程实践经验, f值取值不宜大于15kN/m, 故为方便计算, 我们假想地基为一均质土, 每排锚杆的f=15kN/m。
则每排锚杆的承载能力计算如下:
Pug1= (10-5.2) ×15×cos5°=71.73kN
Pug2= (11-4.70) ×15×cos5°=94.14kN
Pug3= (12-4.2) ×15×cos5°=116.55kN
Pug4= (10-3.4) ×15×cos5°=98.62kN
Pug5= (9-2.3) ×15×cos5°=100.12kN
Pug6= (9-2.3) ×15×cos5°=100.08kN
根据广东等地所做试验表明, 当土层锚杆使用荷载大于极限荷载的0.63倍时, 土层锚杆具有蠕动变性, 即锚杆的蠕动变形不再收敛, 从而导致支护体系基坑边壁的缓缓内倾变形及周围环境的变化, 故锚体的安全系数K宜大于1.60。
对照上述计算, K2值接近于1.60, K4、5、6值均小于1.60;所以应对锚杆的长度进行调整, 即将第2, 4, 5, 6排的锚杆长度加长至12m, 12m, 11m, 10m, 并重新计算安全系数K′:
由上述计算可知:K′值均大于1.65, 平均K值为1.87, 锚杆安全。
(3) 土层锚杆拉杆的安全系数锚杆采用Φ25螺纹钢筋, 则钢筋的安全系数为:
1.95 (安全) 。
如前所述, 我们假定在不支护前提下, 基坑边壁稳定安全系数K0=0.8的滑动面为支护的潜在滑动面, 并假定:
(1) 潜在滑动面为一圆柱面;
(2) 砂浆锚杆只考虑其产生的拉力, 而不计其加固边壁土体后在潜在滑动面上加强的抵抗剪力强度;
(3) 潜在滑动面上任意一点土体的抗剪强度和该点的圆弧相切。我们将潜在滑动区上的土体分成若干竖向土条, 可分别计算出其上的滑动力矩和滑动面上土体抗剪强度产生的抗滑力矩:
滑动力矩:Mw=ΣWi·Rr=ΣWi·R·sinθ
抗滑力矩:ME=[ΣCi·Li+Σ (Wi·cosθi-uiLi) tanΦi]·R
锚杆平均力矩:M=Σhi·Puga故可计算出喷锚支护结构的外部稳定性安全系数:
关于K的取值, 一般和基坑地基土的性质有关, 对于粉土和塑性粘土, 宜取:K≥1.50～2.0, 对于填土及软土, 宜取K≥2.0。参照上述公式和计算简图, 结合本工程的地基土特性及喷锚支护结构参数, 可以计算出上述喷锚支护系统外部稳定性安全系数K>2.0 (安全) 。
通过上述分析、计算, 我们认为, 在基坑深为7.1m的断面上施以喷锚支护结构作为深基坑开挖支护系统, 是可行的。鉴于该场区地基土以可塑～软塑的粘土及流塑的淤泥软土为主, 其渗透性较差, 故采取基坑内明坑排水的方法进行降水:针对局部填土较厚, 土质不均, 孔隙变化较大, 其含水量及渗透性具有较大变化等特点, 在开挖过程中局部渗水量较大的地段, 采取沿坑壁四周高压注浆 (添加速凝剂) 的措施进行阻水, 以确保基坑的顺利开挖基础施工。实践证明, 在该场区内采取明坑排水及高压注浆、阻水的方法, 是行之有效的。
圆锚杆呈梅花布置, 锚杆拉杆均用Φ25螺纹钢, 中支架用Φ8的圆钢, 在对第1, 2层锚杆施工时, 若土质松散, 不能成孔时, 用Φ48的无缝钢管代替Φ25的螺纹钢。
钢筋网采用Φ6.5的圆钢制作, 网眼为200mm×200mm。
第1, 2, 6层锚杆头部, 均用Φ12的圆钢呈十字形和边壁钢筋网焊接, 连接钢筋长度为0.4m;第3, 4, 5层锚杆头部, 用Φ12的圆钢将锚杆横向焊接 (价钱连接筋) , 并和钢筋网相焊接。
喷射混凝土选用C20, 厚度100mm, 配比 (重量比) 为:水泥∶砂石=1∶2∶2。
注浆压力为0.8～1.2MPa, 水泥砂浆配比 (重量比) 为:水泥∶砂=1∶0.5。
5.1喷锚支护结构的施工工序见图1
5.2施工工艺
(1) 基坑开挖应自上而下分层进行, 每次开挖高度按锚杆的排距左右开挖, 横向应分块段间隔开挖, 不允许随意开挖或一挖到底, 并随开挖随支护, 即挖土应服从锚杆支护工作的程序及安排进行。
(2) 锚杆施工要求锚杆孔直径不小于100mm, 高压注浆工艺注浆压力为0.8～1.2MPa, 杆体与孔壁之间 (包括自由段) 均须注满浆, 砂浆强度等级不低于C20, 锚杆头用连接筋或加强筋焊接于钢筋网上。
(3) 锚杆及编网工作完毕后, 应及时进行喷射混凝土, 喷射混凝土强度等级C20, 喷射混凝土厚度不得少于100mm。
(4) 对于蠕变的淤泥或粉土, 开挖难以直立时, 应及时停止开挖, 首先应用超前锚杆 (或锚管) 技术进行加固。
(5) 对于局部地层较松散或缺失地段, 宜加大注浆压力及浆量, 以保证锚杆孔内砂浆饱满, 增强锚杆拉力。
5.3现场管理
(1) 严格遵守施工程序, 把每道施工环节, 锚杆间距、长度、编网、焊接等均按图纸及要求进行, 注浆应达到标准压力及注浆量饱满。
(2) 严格把好材料质量关, 特别是锚杆、锚管、水泥、砂石等质量应符合要求。
(3) 加强监督, 每进行一道工艺都应严格检查, 发现问题及时处理。
(4) 严格掌握开挖深度, 保证边壁的稳定性, 待土层喷锚支护稳定后, 方可继续开挖。
(5) 对于载重车辆过道及具较大荷载集中处, 锚杆支护工作应随时加强。
(6) 严格监测, 发现局部渗水量较大或基坑边壁变形较大, 应及时采取措施, 如高压注浆阻水, 改变锚杆参数等, 保证边壁安全、稳定。
(7) 加强施工管理, 组织严密, 科学施工, 杜绝一切事故发生。
支护方案于1995年11月1日开始实施, 于1996年1月2日结束全部支护工作。施工期间:下雨9d, 停电3d, 其它特殊原因停工3d, 实际施工工期为49d, 比原计划预计55d的工期提早6d完成。该深基坑支护工程, 总体的实施情况良好, 施工基本上按设计方案进行, 基坑边壁也未出现重大险情, 但由于场区地质情况复杂, 遇到许多意想不到的情况, 致使支护方案实施时, 采取了大量的应急措施, 局部设计方案尚作出一定的更改。简述如下:
(1) 该场区原始地形较为复杂, 基坑开挖后发现场区北侧、西侧、南侧的原始地貌均为大小河流旧址, 且场区中部 (沿2.1m基坑内差台阶线) 、东西向又具有一小河流旧址, 所以, 填土杂乱, 不仅有碎砖瓦等建筑垃圾, 局部为大量松散煤渣, 河塘淤泥质回填, 土层成分相当复杂。为此, 在支护工作施工时, 对河塘淤泥质回填的部位, 均采用超前锚杆技术先行加固方法进行, 同时, 注浆后使杂填土的整体强度有所提高。
(2) 施工过程中, 北侧和西侧深基填土部位, 分别有2个大渗水量的部位即为一定水头压力的明水, 对此, 采用3次高压注浆后, 才继续开挖。
(3) 场区北部深基坑中下部, 具较多的粉土, 由于采用明坑排水, 致使开挖时, 基坑边壁不能直立, 后采用超前锚杆、高压注浆后, 才继续开挖。
(4) 基坑东侧边壁, 由于具有一东西向河流旧址, 该部位均为河塘淤泥及煤渣, 地基极差, 开挖后致使边壁附近4层建筑底部落水坡产生1～2mm的裂痕, 为此, 在该部又增加27根15m长的加固锚杆, 施工结束后, 边壁及其附近环境均稳定, 不再变形。
(5) 设计方案中, 2.1m基坑内差台阶和深坑电梯井部位 (-10.0m) , 原计划由建筑公司用石砌墙支护, 后由于土层不能直立, 出现蠕变、塌方, 才改为喷锚支护。
实践证明, 该基坑工程实施喷锚网支护结构, 不但在技术上是可行的, 而且在造价上具有极大的优越性。根据建设单位介绍, 该工程若采用沉管灌注桩进行深基坑开挖边壁支护, 仅沉管灌注桩费下水大量渗透 (同样采取明坑排水) , 致使边壁桩间土流失、淘空。本工程采用高压注浆等手段阻水 (喷锚网支护系统本身具相当的阻水作用) , 效果良好, 不会出现较大的险情, 保证基坑的整体稳定性。
从工期而言, 喷锚支护结构无独立工期, 即和挖土工期一致 (而采用其它支护系统一般具45～60d的独立工期) , 为工程及早、顺利地建成, 节约了大量的时间。用就在120万左右, 尚不包括桩顶混凝土横梁及内撑系统的费用。而本工程采用喷锚网支护结构, 其工程费仅72万元, 为工程的建设节省了大量的费用。
通过本工程喷锚支护深基坑边坡的实践, 以及和多种传统的深基坑边坡支护手段相比较, 该技术具有及时、快速、随挖随支, 与基坑开挖同步进行, 不占独立工期, 占用最小施工场地, 边壁位移量小等特点, 其经济效益和边坡稳定性效果更显优越。然而喷锚支护技术毕竟为近几年来才开始的新兴技术, 无论在设计原理、计算方法及施工要点上, 都有待进一步地完善, 大量的问题尚需进一步地研究和探讨, 通过本工程的设计和实践, 体会如下:
由于喷锚支护技术是充分利用基坑边坡及其周围土体的原有稳定性, 使锚杆和土体形成一个共同的支护体, 所以, 场区内的工程地质条件, 即基坑地基土的物理力学性质、土的渗透性、均质程度、参数的选取等, 将对喷锚支护的设计和实施起到关键的作用。所以, 该项技术对场区地基土的岩土工程勘察成果要求很高。然而, 目前大多数岩土工程勘察单位对基坑不够重视, 且往往不能提供诸多能供设计时引用的参数, 所以, 对具有深坑开挖的工程, 在进行岩土工程勘察时, 应提出明确的有关基坑稳定性计算等相应的参数及技术要求。
基坑开挖过程中, 降水的成败, 直接关系到喷锚支护技术的顺利实施和边壁的稳定性, 所以, 采取合理的降水措施, 相当重要、不可忽视。
目前, 国内对喷锚支护技术尚无完善而统一的设计原理及计算方法, 虽然本文对此作了一定的探讨及工程实践记录, 但各类工程具有不同的条件及制约因素, 所以, 尚需对此做大量的研究和探讨。如:潜在活动区的划分、边壁主动土压力的计算、土锚承载力的计算及参数选取、外部稳定性的演算及基坑边壁变形量的预测等, 还有待于在理论上进一步分析和研究, 并在实践中不断地完善。
工程场区虽经勘察, 但仍有土层不均、渗透性变化大等问题出现, 喷锚支护技术随挖随支, 发现问题随时解决, 安排好各种应急措施、方法、器材等, 以便及时解决实际工程问题。
摘要：阐述了某大型深基坑边坡喷锚支护的设计方案及施工方法。从喷锚支护结构设计、土层物理力学性质、施工工艺、现场管理、技术经济评价等方面, 进行了分析、讨论。指出该技术具有及时、快速、随挖随支, 与基坑开挖同步进行, 不占独立工期, 占用施工场地小, 边壁位移量小等特点, 可供同类专业参考。
关键词：深基坑,边坡喷锚支护,结构设计
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